基于FPGA的某火控雷達目標視頻信息模擬

趙建軍，肖雄波，朱民權，楊利斌

（1.海軍航空工程學院 山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92910部隊 浙江 舟山 316000）

在雷達裝備設計和雷達性能評估的各種實驗中，雷達回波信號模擬器用于雷達裝備性能的測試和實際工作狀態仿真，設計高仿真的雷達脈沖信號模擬器，能在一定程度上提高設備的設計效率和調試準確度，并且可以大大簡化實驗難度，降低實驗成本，增加實驗靈活性[1-2]。

某雷達對全空域或者某空域進行空中、海面觀測，某火控系統接收某雷達的一次視頻信息，對某雷達的一次雷達信息進行處理，解算目標的現在點坐標和運動參數，同時將有關信息傳輸到指控中心。

某雷達有跟蹤和搜索兩種工作方式，有兩個信號輸出通道（主通道A1和備用通道A2），輸出給某火控系統的一次視頻信息有：零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART，模擬視頻信息BC，波束當前方位的13位并行碼HSQ，波束當前高低角的并行碼VSQ，雷達工作狀態標志MOD，通道2接通信號A2ON。

筆者基于總線技術和FPGA技術，利用Xilinx公司的產品ISE 8.1軟件設計某火控雷達目標視頻信息模擬器。

1 總體方案設計

搜索方式的時序如圖1所示。對目標視頻信息的模擬，主要模擬包含目標方位、仰角和距離的一次視頻信息。

圖1 搜索方式工作時序圖Fig.1 Working sequence chart of searching mode

對目標視頻信息的模擬采用可編程邏輯器件的實現方案[3-4]，實現原理框圖如圖2所示。總線控制器實現PC/104總線與計數器模塊的接口，計數器實現方位角計數、仰角計數、距離計數，并接收當前計算機的方位角、仰角、距離量，實時生成數字視頻信息。

圖2 總體設計原理框圖Fig.2 Principle block diagram of overall design

1.1 總線控制器

總線控制器實現PC/104總線與計數器的接口，總線控制器轉換16位的地址信號、16位的數據信號、ALE、IOCS16、IOCHRDY信號，在系統設計中，運用16位數據線進行數據傳輸，為保證對數據有效讀寫，采用延遲線技術。當總線空閑時，即讀寫信號均為高電平時，延遲線輸出為0，當總線對數據進行讀寫時，在參考時鐘的輸入下，設定DEL2～DEL12為寫數據有效，DEL2～DEL15為讀數據有效。具體的電路實現如圖3所示。

1.2 計數器模塊

計數器模塊包括水平掃描計數器、垂直掃描計數器以及距離計數器，水平掃描計數器模塊完成全方位0～360°掃描計數，垂直掃描計數器完成垂直方向上通道1仰角范圍0～β1和通道2仰角范圍0～β2的掃描計數，距離計數器產生零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖 DSTNTER，掃描起始脈沖 SCANSTART，下面分別介紹其設計方案。

1.2.1 水平掃描計數器

鑒于雷達天線為背靠背兩個通道，則通道1的方位角為計數器寄存器的值，通道2的方位角為計數器寄存器最高位取反后輸出數字量，水平掃描計數器的原理框圖如圖4所示。

圖4 水平掃描計數器的原理框圖Fig.4 Principle block diagram of horizontal scan counter

1.2.2 垂直掃描計數器

某雷達垂直方向為相掃描，通道1仰角范圍為0～β1，通道2仰角范圍0～β2，假設某雷達由31個波束號組成，通道1和通道2的第個i波束號對應的仰角為β1i，β2i，垂直掃描計數器以距離終點作為時鐘脈沖，對31個波束號進行循環計數，同時通道數據選擇電路選擇波束號對應的通道1和通道2的角度值輸出，垂直掃描計數器的原理框圖如圖5所示。

圖5 垂直掃描計數器的原理框圖Fig.5 Principle block diagram of vertical scan counter

1.2.3 距離掃描計數器

距離計數器產生零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART。假設雷達掃描周期為Tss，選用16位計數器，設16位計數器的計數模值為M，若以4.8 MHz作為基準時鐘，則距離計數器的分頻系數NR的計算表達式為

鑒于某雷達有跟蹤和搜索兩種工作方式，在這兩種工作方式下視頻脈沖的時序不同，確立如下的設計方案，原理框圖如圖6所示。

圖6 距離掃描計數器原理框圖Fig.6 Principle block diagram of distance scan counter

1.3 數字視頻脈沖計數器

數字視頻脈沖計數器在當前方位角、仰角和距離輸出數字視頻脈沖，進而轉換為模擬視頻脈沖。若采用7位計數器，計數時鐘為CLK，則當13位方位角計數器的寄存器的值、10位仰角計數器寄存器的值、16位距離計數器寄存器的值與總線發送過來的包含方位角、仰角、距離的數字信息同時相等時，觸發數字視頻脈沖計數器進行計數，進而輸出視頻信息數字量至后端電路進行D/A轉換，數字視頻脈沖計數器的原理框圖如圖7所示。

圖7 數字視頻脈沖生成原理框圖Fig.7 Principle block diagram of digital video formation

2 硬件電路功能仿真分析

2.1 總線控制器電路功能仿真

ISE仿真[6]如圖8所示。仿真表明，按照圖5設計的電路，功能時序滿足PC/104總線的時序關系，表明電路功能的正確性。

2.2 水平掃描計數電路功能仿真

假設分頻系數NH=1 456，其ISE電路仿真如圖9所示。仿真結果表明，10位計數器在清零信號的作用下從零開始計數，計至1 023后歸0重新開始計數，功能滿足設計需求。

2.3 垂直掃描計數電路功能仿真

假設采用5位計數器對31個波束號進行循環計數，垂直掃描計數器ISE電路仿真如圖10所示。仿真結果表明，5位計數器在清零信號的作用下從零開始計數，計至31后歸0重新開始計數，功能滿足設計需求。

圖8 總線控制器電路仿真圖Fig.8 Circuit simulation diagram of bus controller

圖9 水平掃描ISE電路仿真圖Fig.9 ISE circuit simulation of horizontal scan

圖10 垂直掃描ISE電路仿真圖Fig.10 ISE circuit simulation of vertical scan

2.4 距離掃描計數電路功能仿真

以搜索方式為例，基準時鐘為40 MHz，搜索方式下距離掃描仿真如圖11所示。仿真結果滿足圖1所示的搜索方式視頻信息時序圖，功能仿真滿足設計要求。

圖11 搜索方式下距離掃描仿真圖Fig.11 Circuit simulation diagram of distance scan in searching mode

3 軟件設計

雷達掃描計數器模塊接收計算機的控制指令，計算機模擬目標的距離、方位角、仰角，并將距離值和角度值轉化為計數器的值，通過總線控制器發送到各個計數器模塊的寄存器。計數器模塊按照計算機設定的工作方式和通道指令，在對應點輸出數字視頻信息，通過數模轉換成模擬視頻信息。軟件控制流程如圖12所示。

圖12 軟件控制流程圖Fig.12 Flow chart of software control

4 結 論

筆者針對某火控系統接收目標視頻信息的特點和某雷達的工作方式以及工作時序，采用CPU＋FPGA的方式，設計了目標視頻信息模擬器，結合ISE 8.1軟件進行了電路功能仿真，并轉化為硬件實現。仿真結果表明該系統的設計具有可行性和有效性。該模擬器已經和火控系統完成了對接實驗并得到應用，為模擬訓練和火控系統維修保障提供了方便，具有重大的軍事經濟效益。同時，該模擬器的設計思路可推廣到其他雷達模擬器的設計中。

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