寬帶雷達信號調(diào)制模塊設計與實現(xiàn)

付錢華，易　淼

（1.西華大學電氣與電子信息學院，成都610039；2.電子科技大學信息與軟件工程學院，成都610054；3.宜春學院物理科學與工程技術學院，江西宜春336000）

寬帶雷達信號調(diào)制模塊設計與實現(xiàn)

付錢華1，2*，易淼3

（1.西華大學電氣與電子信息學院，成都610039；2.電子科技大學信息與軟件工程學院，成都610054；3.宜春學院物理科學與工程技術學院，江西宜春336000）

現(xiàn)代寬帶高分辨雷達為適用各種復雜的環(huán)境，要求其信號調(diào)制方式具有多樣化和靈活性。采用單片機串口通信接收命令，F(xiàn)PGA高速配置DDS和射頻調(diào)相器，實現(xiàn)了一種支持連續(xù)波調(diào)頻調(diào)相和脈內(nèi)調(diào)頻調(diào)相的雷達信號調(diào)制模塊。通過代碼控制解決了脈內(nèi)調(diào)頻較難同步的技術難題。整個調(diào)制模塊載波中心頻率為1.6 GHz，調(diào)頻波形有正、負鋸齒波和三角波，調(diào)頻帶寬可達600 MHz，調(diào)相序列有巴克碼、偽碼L和M序列。測試結果表明，系統(tǒng)輸出信號穩(wěn)定，可靠性高。

通信技術；脈內(nèi)調(diào)頻；頻率合成；雷達波形；鋸齒波

為適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，高分辨雷達得到越來越多的應用。高分辨雷達具有較寬的帶寬，有著抗干擾、強識別能力、反隱身等優(yōu)點［1］。在高分辨雷達中信號的波形發(fā)生和發(fā)射技術已成為影響其發(fā)展的主要技術難題之一。為提高雷達對目標的分類識別能力，往往采用先進的信號調(diào)制方式，線性調(diào)頻和二相編碼是高分辨雷達廣泛采用和研究的一種信號體制［2］。

單一雷達信號波形已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代雷達技術對雷達信號波形的要求。需要更加靈活的，通用的，可擴充的雷達信號波形產(chǎn)生硬件電路［3］。這對雷達信號調(diào)制模塊的系統(tǒng)設計和模式切換控制接口提出了更高的要求，特別是硬件上導致的脈沖觸發(fā)信號與發(fā)射信號不同步或者延時，均會影響到雷達信號處理機的對參數(shù)的估計，直接影響雷達性能［4］。利用DDS產(chǎn)生寬帶雷達基帶調(diào)頻信號，經(jīng)過PLL倍頻和射頻調(diào)相器相位調(diào)制。單片機和FPGA組合構成的接口控制實現(xiàn)了波形產(chǎn)生的靈活性。

1　系統(tǒng)設計

調(diào)頻連續(xù)波信號、線形調(diào)頻（正斜率、負斜率）、非線形調(diào)頻（鋸齒波、三角波），由AD9858構成產(chǎn)生，為達到脈內(nèi)調(diào)制信號帶寬600 MHz，采用DDS+ 8倍頻方案［5-7］，由DDS產(chǎn)生中心頻率200 MHz最大調(diào)頻帶寬為±37.5 MHz的調(diào)制信號，經(jīng)過鎖相環(huán)HMC440的8倍頻后得到中心頻率1.6 GHz，最大調(diào)頻帶寬為600 MHz的調(diào)制信號。二相編碼（含巴克碼、偽碼M和L序列）連續(xù)波信號和脈沖信號采用HITTITE公司的HMC497正交調(diào)制器。

收稿日期：2015-07-15修改日期：2015-09-12

由單片機通過RS232串口接收雷達主控機命令，產(chǎn)生同步信號、FPGA接口握手信號、模式控制信號、脈沖寬度信號和DDS寄存器配置數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA緩存完成DDS寄存器配置數(shù)據(jù)后并通過并口快速配置DDS寄存器，在接收到單片機同步信號后，立即發(fā)送DDS寄存器更新信號FUD。在調(diào)相模式時產(chǎn)生對應的I、Q兩路二相碼序列輸送給射頻調(diào)相器HMC497。整個雷達信號調(diào)制模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　雷達信號調(diào)制模塊系統(tǒng)框圖

2　控制接口設計

2.1串口通信

雷達主控機與信號調(diào)制模塊采用RS232電平的串口通信，每幀9 byte數(shù)據(jù)中包括調(diào)制帶寬、時寬、波形類別和調(diào)制啟動停止命令。其中帶寬為0 MHz～600 MHz，可設置帶寬步進為1 MHz。調(diào)頻時寬為100 ns～256 us，可設置時寬步進為50 ns。

RS232電平經(jīng)過MAX3232芯片轉(zhuǎn)換成TTL電平，與單片機C8051F040串口相連接。單片機接收數(shù)據(jù)時必須與數(shù)據(jù)幀的幀頭同步后再緩存解析命令，否則會出現(xiàn)命令錯位等情況。具體的軟件流程見圖2。

圖2　單片機軟件流程圖

2.1命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

串口命令為節(jié)約通信數(shù)據(jù)長度采用了特定的編碼方式，需要由CPU進行轉(zhuǎn)換后才可以配置DDS。以DDS的頻率調(diào)整字FTW計算為例，根據(jù)DDS的工作原理推算出AD9858中的32 bit頻率調(diào)整字高兩字節(jié)數(shù)據(jù)分別為［8］：

其中fout為DDS輸出頻率，與FTW存在一一對應關系。int（·）為取整數(shù)，同理可以求出低兩字節(jié)數(shù)據(jù)FTW［1］和FTW［0］，實現(xiàn)以上運算的單片機關鍵程序如下：

if（R_data［3］==3）

｛temp1=（200+（R_data［5］*256+R_data［4］））/1000；｝//負鋸齒波else

｛temp1=（200-（receive_data［4］*256+receive_data［5］））/1000；｝for（i=0；i＜4；i++）

｛FTW［3-i］=temp1*256；

temp3=FTW［3-i］； //temp3為字符型數(shù)據(jù)

temp2=temp1*256； //temp2為字符型數(shù)據(jù)

temp1=temp1*256-temp2；｝//temp1為浮點型數(shù)據(jù)

3　信號產(chǎn)生關鍵技術

3.1調(diào)制器高速切換

在進行非線性鋸齒波調(diào)頻時，當信號頻率達到最高點時，要求能夠在ns量級快速切換到調(diào)頻起始點。非線性三角波調(diào)頻也要求在一定時刻快速切換調(diào)頻斜率。調(diào)頻信號的瞬時頻率可表示成：

其中K=B/T為頻率變化斜率，B為頻率變化范圍，簡稱頻偏，T為調(diào)頻時間，f0為中心頻率。

由于單片機配置數(shù)據(jù)速率無法滿足系統(tǒng)設計需求，故AD9858和HMC497正交調(diào)制器均采用低成本高速cyclone FPGA配置，單片機給FPGA提供寫數(shù)據(jù)信號（WR上升沿），將單片機提供的6位地址和8位數(shù)據(jù)存儲在FPGA中的一個14位的數(shù)組RAM中，并產(chǎn)生對應二進制調(diào)相碼。在單片機發(fā)出讀數(shù)據(jù)信號（RD上升沿）時，F(xiàn)PGA才將有變化的數(shù)據(jù)高速配置給調(diào)制器。設計的功能時序如圖3所示。

圖3　FPGA配置調(diào)制器高速切換仿真時序圖

3.2脈內(nèi)調(diào)頻準確同步

在產(chǎn)生脈沖調(diào)頻信號時，如果采用射頻開關控制，則較難實現(xiàn)開關打開時DDS開始調(diào)頻，關閉時 DDS調(diào)頻結束，往往會存在延時，如圖4所示。

圖4　射頻開關控制脈內(nèi)調(diào)頻示意圖

為避免采用射頻開關，本設計采用代碼控制調(diào)頻起始和結束時間。在調(diào)頻前先將DDS寄存器數(shù)據(jù)快速配置完成，采用FPGA產(chǎn)生AD9858 FUD信號使得寄存器數(shù)據(jù)生效開始調(diào)頻，調(diào)頻結束后直接復位DDS使得無信號輸出，在RESET信號失效后開始配置下一組調(diào)頻數(shù)據(jù)。具體時序圖如圖5所示。

圖5　脈沖調(diào)頻控制時序圖

4　系統(tǒng)測試

設計的雷達信號調(diào)制模塊實物如圖6所示。利用R&S公司的信號源分析儀FSUP測試的1.6 GHz雷達調(diào)頻信號波形如圖7～圖9所示。

圖6　雷達信號調(diào)制模塊實物圖

圖7　連續(xù)波正鋸齒調(diào)頻雷達波形

圖8　非線性（負鋸齒、三角波）調(diào)頻雷達波形

圖9　脈沖正鋸齒調(diào)頻雷達波形

利用頻譜儀測試的帶寬為600 MHz的調(diào)頻信號頻譜圖如圖10所示。

利用Agilent 89600示波器的矢量信號分析功能對13位巴克碼調(diào)相的信號解調(diào)測試數(shù)據(jù)圖如圖11所示。測試的雷達信號波形均符合系統(tǒng)設計要求。

圖10　帶寬600 MHz調(diào)頻信號頻譜圖

圖11　13 bit巴克碼調(diào)相波形

5　結束語

雷達信號調(diào)制模塊作為雷達系統(tǒng)的關鍵模塊，是整個雷達信號的源頭，在功能和性能上均有較高要求。目前對雷達信號源的研究較多，文獻［9］利用FPGA實現(xiàn)了連續(xù)波、線性調(diào)頻和二相編碼等多種調(diào)制方式的信號源，信號頻率范圍在0 MHz～400 MHz。文獻［10］實現(xiàn)了輸出頻率在0.3 GHz～1.1 GHz上的超寬帶捷變點頻源。文獻［11］設計了一個輸出信號頻率范圍是1.35 GHz～1.95 GHz，帶寬為600 MHz，脈寬為100 us，調(diào)頻斜率為6 MHz/ us寬帶信號產(chǎn)生器。但同時具有多種線性和非線性相參的脈內(nèi)調(diào)頻雷達信號波形、超寬帶、調(diào)頻斜率可根據(jù)主控機命令小步進任意設置的雷達信號源的報道還不多。

在充分利用低成本單片機的接口和運算功能上，靈活使用FPGA高速并行配置射頻芯片，克服了工程上的一些技術難點，在較小的系統(tǒng)上實現(xiàn)了具有多種雷達波形和參數(shù)可設置的雷達信號調(diào)制模塊。系統(tǒng)滿足應用要求，擁有很高的可靠性和一定的工程應用價值。

［1］ 費元春.超寬帶雷達理論與技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010，1-17：41-64.

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付錢華（1981-），男，漢，江西高安人，工程師，在讀博士生?，F(xiàn)就職于西華大學電氣與電子信息學院，主要從事無線通信射頻電路與系統(tǒng)、現(xiàn)代通信中的信號處理和憶阻神經(jīng)網(wǎng)絡等方面的研究，qhfu8@mail.xhu.edu.cn；

易淼（1979-），女，漢族，江西宜春人，碩士，主要研究方向通信技術，styimiao@ 163.com。

Design and Implementation of Wideband Radar Signal Modulation Module

FU Qianhua1，2*，YI Miao3
（1.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039，China；2.School of Information and Software Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China；3.College of Physics Science and Technology，Yichun University，Yichun Jiangxi 336000，China）

The signal modulation of modern high-resolution wideband Radar requires diverse and flexible mode for adapting variety complex environments.The serial communication of single-chip microcomputer was used for receiving commands，DDS and RF phase modulator was configured by FPGA.A Radar signal modulation module was realized，which supported continuous wave and pulse frequency or phase modulation.The technical problems were solved in the pulse FM synchronization by code control.Entire modulation module carrier center frequency was 1.6 GHz，F(xiàn)M waveforms had positive and negative sawtooth and triangular wave，frequency modulation bandwidth was up to 600 MHz，the phase modulation sequences had Barker codes，pseudo-code L and M series.The test result indicated that the system output signal had a stable performance and a high reliability.

communication technology；pulse fm；frequency synthesis；radar waveform；sawtooth wave

TN74；TN957

A

1005-9490（2016）03-0512-05

EEACC：632010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.003