電子戰(zhàn)中的基帶雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)

白　玉，楊斌斌，楊承志，王 龍

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.空軍航空大學(xué)信息對(duì)抗系，吉林 長春 130022)

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電子戰(zhàn)中的基帶雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)

白玉1，楊斌斌1，楊承志2，王 龍2

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.空軍航空大學(xué)信息對(duì)抗系，吉林 長春 130022)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中部隊(duì)信息化作戰(zhàn)的能力已經(jīng)成為戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵因素，構(gòu)建高逼真度的基帶雷達(dá)信號(hào)源對(duì)于電子戰(zhàn)的指揮與訓(xùn)練具有重要意義。研究了一種基于FPGA基帶雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)。首先在上位機(jī)開發(fā)應(yīng)用程序，對(duì)FPGA進(jìn)行參數(shù)配置，然后研究了DDS產(chǎn)生信號(hào)的原理，將關(guān)鍵的信號(hào)產(chǎn)生模塊封裝成AXI總線接口的IP核，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性和重用性，最后結(jié)合一片高速D/A芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成了基帶雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)。利用頻譜儀測試了信號(hào)源的性能指標(biāo)，實(shí)測表明整體設(shè)計(jì)符合電子戰(zhàn)中對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

電子戰(zhàn)；FPGA；IP核；DDS；高速D/A芯片

0　引言

戰(zhàn)場電磁環(huán)境的復(fù)雜性日益加劇，要求現(xiàn)代雷達(dá)不僅要具有良好的目標(biāo)識(shí)別與超近程的探測能力，還要具備極高的距離分辨率和很強(qiáng)的抗干擾性能，這就要求雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)要具備大的帶寬。用數(shù)字方法產(chǎn)生寬帶雷達(dá)信號(hào)，無論在頻率、幅度以及信號(hào)的信噪比等方面均優(yōu)于模擬方法，且具有精度高、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前使用數(shù)字方式產(chǎn)生信號(hào)主要通過直接數(shù)字頻率合成(DDS)法[1]實(shí)現(xiàn)。例如文獻(xiàn)[2～3]采用DDS的思想，分別介紹了使用可編程器件CPLD和FPGA控制DDS專用芯片來產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)。文獻(xiàn)[4]利用FPGA提供的知識(shí)產(chǎn)權(quán)IP核資源，在FPGA芯片中調(diào)用多個(gè)DDS IP核來產(chǎn)生波形信號(hào)。

本文在上述文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出基于FPGA的專用IP核的設(shè)計(jì)思想，將關(guān)鍵的信號(hào)產(chǎn)生模塊封裝成AXI總線結(jié)構(gòu)的IP核，提高了模塊的靈活性、易用性和重用性，直接調(diào)用多個(gè)IP核來產(chǎn)生多路特定參數(shù)相關(guān)的信號(hào)，再通過并串轉(zhuǎn)換技術(shù)將其合成一路信號(hào)，最后借助ADI公司的高速D/A芯片AD9129進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，完成基帶信號(hào)源的設(shè)計(jì)。

1　系統(tǒng)原理介紹

1.1基于DDS的信號(hào)產(chǎn)生原理

DDS是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的簡稱，它是一種基于相位累加結(jié)構(gòu)的信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，與其它頻率合成方法相比，它具有輸出頻率相對(duì)帶寬較寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，分辨率高，可編程，全數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)。DDS芯片主要包括相位累加器、波形查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器等構(gòu)成。本文根據(jù)需求，結(jié)合DDS的原理，設(shè)計(jì)了具有二階相位累加結(jié)構(gòu)的DDS模塊，如圖1所示。并將其封裝為AXI總線結(jié)構(gòu)的IP核，在FPGA中調(diào)用該IP核來產(chǎn)生所需的雷達(dá)信號(hào)。雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式為：

(1)

式中，A(t)表示信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)，f(t)為信號(hào)的頻率調(diào)制函數(shù)，φ(t)為信號(hào)的相位偏移調(diào)制函數(shù)。對(duì)式(1)作離散化，可得其離散形式如式(2)所示：

(2)

式中，K(n)為n時(shí)刻的調(diào)頻斜率，Ω(n)為n時(shí)刻的頻率偏移，Φ(n)為n時(shí)刻的相位偏移。通過控制這3個(gè)量，即可輸出單載頻信號(hào)、線性調(diào)頻和相位編碼等調(diào)制形式的雷達(dá)信號(hào)。

圖1　DDS 模塊結(jié)構(gòu)原理框圖

從表達(dá)式(1)中可以看出，雷達(dá)信號(hào)的調(diào)制方式不外乎幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、時(shí)間調(diào)制這四種或這四種調(diào)制方式的組合，幅度調(diào)制常見的是矩形脈沖調(diào)制。本文中將設(shè)計(jì)的信號(hào)源劃分為時(shí)間調(diào)制模塊(TMM)、頻率調(diào)制模塊(FMM)和相位調(diào)制模塊(PMM)這3個(gè)模塊，每個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)域調(diào)制控制信號(hào)、頻域調(diào)制控制信號(hào)和相位調(diào)制控制信號(hào)。通過這3個(gè)子模塊來控制DDS IP核以輸出各種調(diào)制類型的信號(hào)，并將該頂層模塊再次封裝為AXI總線結(jié)構(gòu)的IP核。該信號(hào)產(chǎn)生單元IP核的頂層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　信號(hào)產(chǎn)生單元IP核的結(jié)構(gòu)框圖

1.2信號(hào)源的工作原理

為了使雷達(dá)系統(tǒng)達(dá)到極高的距離分辨力和很強(qiáng)的抗干擾性能，要求基帶雷達(dá)信號(hào)源的輸出信號(hào)具備大帶寬，本設(shè)計(jì)要求輸出信號(hào)的瞬時(shí)帶寬1000 MHz，輸出頻率范圍介于50～1000MHz之間。這就要求DA芯片的采樣速率至少在2000MHz以上，設(shè)計(jì)中選用了ADI公司具有14位DAC量化的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9129，其實(shí)時(shí)采樣率可高達(dá)2.8GHz。但FPGA無法在如此高的頻率下工作，故采用8個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元IP核來產(chǎn)生一路基帶雷達(dá)信號(hào)，這樣每個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元的工作時(shí)鐘便降低為350MHz。以寬帶線性調(diào)頻信號(hào)(WLFM)為例，假設(shè)需要輸出的WLFM信號(hào)脈寬為τ，帶寬為Β，重復(fù)周期為T，起始頻率為f0，初相為φ0，調(diào)頻斜率k為B/τ。則每個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元IP核的調(diào)頻斜率均相等，均為k，即：

(3)

設(shè)每路信號(hào)生成單元的初始頻率和初始相位分別為fn和φn：

(4)

(5)

為輸出能夠符合設(shè)計(jì)要求的WLFM信號(hào)，在FPGA中例化8個(gè)信號(hào)產(chǎn)生IP核，每個(gè)IP核的參數(shù)可根據(jù)式(3)～(5)進(jìn)行配置。由8個(gè)IP核來產(chǎn)生信號(hào)，最后通過多通道的并串轉(zhuǎn)換技術(shù)，即可得到所需要的基帶雷達(dá)信號(hào)。

2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1總體方案介紹

本文設(shè)計(jì)的基帶雷達(dá)信號(hào)源的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)由上位機(jī)軟件部分和硬件部分組成，軟件控制界面通過在上位機(jī)Visual Studio 2012環(huán)境中編程實(shí)現(xiàn)，該軟件將需要生成的基帶雷達(dá)信號(hào)的配置參數(shù)通過PCI-e總線傳輸給FPGA中的參數(shù)配置模塊，該模塊按照式(3)～(5)解析需要生成信號(hào)的參數(shù)，給8個(gè)信號(hào)產(chǎn)生單元IP核進(jìn)行參數(shù)配置以產(chǎn)生信號(hào)，在FPGA中將8個(gè)IP核產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，即可合成一路輸出頻率高達(dá)2.8GHz的信號(hào)，最后經(jīng)由DAC芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可得到所需要的基帶雷達(dá)信號(hào)。

2.2硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，由一塊Xilinx公司高性能FPGA芯片xc7vx690t和一塊ADI公司高速D/A芯片AD9129，再加一塊時(shí)鐘芯片組成。在xc7vx690t中生成了兩個(gè)信號(hào)源產(chǎn)生模塊，每個(gè)模塊內(nèi)含4個(gè)信號(hào)生成單元，這些單元均工作在350MHz的頻率下，利用FPGA中提供的并串轉(zhuǎn)換(OSERDES)資源進(jìn)行多路并串轉(zhuǎn)換，將8路信號(hào)合成兩路并行的單端信號(hào)，兩路單端信號(hào)經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分(OBUFDS)后轉(zhuǎn)化為兩對(duì)頻率均為700MHz的差分信號(hào)。AD9129在700MHz的數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘DCI的驅(qū)動(dòng)下，分別從P0_D和P1_D兩個(gè)端口使用DDR模式來采集FPGA送過來的兩對(duì)差分信號(hào)，采樣后的信號(hào)被送至數(shù)據(jù)鎖存器，在外部時(shí)鐘芯片提供的2.8 GHz時(shí)鐘ADCCLK的驅(qū)動(dòng)下，TxDAC核最終將鎖存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一路模擬信號(hào)進(jìn)行輸出。上述工作過程如圖4所示。

AD9129使用的時(shí)鐘ADCCLK由ADI公司的時(shí)鐘芯AD9517-4提供。由其提供的2.8 GHz的時(shí)鐘經(jīng)由ADCCLK輸入到AD9129后，一路送至TxDAC核去驅(qū)動(dòng)其進(jìn)行高速數(shù)模轉(zhuǎn)換，一路送至其內(nèi)部的時(shí)鐘管理單元[5]。時(shí)鐘管理單元輸出一對(duì)700 MHz的差分信號(hào)DCO到FPGA，F(xiàn)PGA內(nèi)部再使用分頻模塊將DCO 2分頻作為8個(gè)信號(hào)生成單元的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，同時(shí)FPGA產(chǎn)生同DCO同頻的DCI，DCI作為D/A的數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘，送至AD9129。

2.3主要芯片介紹

本文選用的D/A芯片是ADI公司的AD9129[6]，它是一塊具有14位DAC量化的高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其具有雙端口接口和雙倍數(shù)據(jù)速率，以及低壓差分信號(hào)接口，可支持2.85GSPS的最大轉(zhuǎn)換速率。根據(jù)配置信息的不同，AD9129可工作在不同的工作方式下。其配置方式有兩種，一種是通過引腳來配置，另一種是通過SPI串行接口來配置。SPI串行接口配置方式通過SPI串行總線向芯片內(nèi)部寄存器寫入配置信息，該方式實(shí)現(xiàn)雖然復(fù)雜一點(diǎn)，但配置靈活，便于后期修改。本文中通過SPI配置方式，將AD9129配置為雙端口傳輸數(shù)據(jù)，且每個(gè)端口采用雙倍時(shí)鐘速率(DDR)來采集數(shù)據(jù)，即在DCI的上升沿和下降沿同時(shí)采集數(shù)據(jù)，這樣AD9129的數(shù)據(jù)時(shí)鐘的頻率就降為芯片時(shí)鐘的1/4，降低時(shí)鐘的傳輸頻率就意味著可以提高時(shí)鐘的質(zhì)量，也可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

2.4軟件設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，使用上位機(jī)軟件對(duì)FPGA進(jìn)行參數(shù)配置，上位機(jī)軟件在Visual Studio 2012環(huán)境中使用C++語言編程實(shí)現(xiàn)，其通過PCI-e總線與FPGA進(jìn)行通信，當(dāng)啟動(dòng)該軟件后，軟件將自動(dòng)接管系統(tǒng)控制權(quán)，在軟件上對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行配置后，點(diǎn)擊發(fā)送按鍵，即可在DAC輸出端得到所需要的WLFM信號(hào)。其配置界面如圖5所示。

圖4　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5　上位機(jī)軟件配置界面

3　驗(yàn)證與測試

3.1Matlab仿真驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)提出了在FPGA中生成多個(gè)信號(hào)生成單元來產(chǎn)生WLFM信號(hào)。為了驗(yàn)證方案的可行性，使用Matlab對(duì)該方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過計(jì)算及仿真，得到每個(gè)信號(hào)生成單元的配置參數(shù)，具體的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　合成后的WLFM信號(hào)及其頻譜

在圖6中，上部分是將8個(gè)通道的信號(hào)合成一路信號(hào)后的WLFM信號(hào)的輸出波形，下部分是仿真得到的其頻譜圖。經(jīng)對(duì)比，合成后的信號(hào)與直接使用WLFM信號(hào)公式得到的波形數(shù)據(jù)相吻合，故而本設(shè)計(jì)提出的利用8個(gè)通道的低頻信號(hào)來合成一路高頻信號(hào)的方案完全可行。

3.2系統(tǒng)測試與分析

本文對(duì)設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)進(jìn)行了成果驗(yàn)證，當(dāng)設(shè)置起始頻率為150MHz，終止頻率1050 MHz，初始相位為0Rad，重復(fù)周期為100μs，脈沖寬度為100μs時(shí)，實(shí)測得到WLFM信號(hào)的頻譜如圖7所示。

圖7　實(shí)測LFM信號(hào)的頻譜

在未濾波的情況下，從實(shí)驗(yàn)截圖可看出，輸出信號(hào)的頻譜在1GHz左右，帶內(nèi)平坦度約為3dB。實(shí)測觀察到信號(hào)源輸出頻率范圍介于DC～1400MHz。可見，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的寬帶信號(hào)源達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，滿足實(shí)際工程需求。

4　結(jié)束語

本文針對(duì)目前雷達(dá)發(fā)射信號(hào)帶寬較窄與頻率較低的問題，選用了目前最高性能FPGA芯片和最具性價(jià)比的高速D/A芯片，在FPGA中將關(guān)鍵的信號(hào)產(chǎn)生模塊封裝為AXI總線結(jié)構(gòu)的IP核，并利用其產(chǎn)生信號(hào)，通過高速D/A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了帶寬與頻率分別可達(dá)1GHz和1400 MHz的寬帶基帶雷達(dá)信號(hào)源。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)對(duì)輸出信號(hào)的帶寬與頻率均有了較大的提升，為提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的性能提供了新的思路。■

[1]Lee PS, Lee CS, Ju HL. Development of FPGA-based digital signal processing system for radiation spectroscopy[J]. Radiation Measurements, 2013,48(1):12-17.

[2]Aguirre MP, Calvino L, Valla MI. Multilevel current-source inverter withFPGA[J]. IEEE Trans． on Industrial Electronics,2013,60(1):3-10.

[3]彭昭，胡進(jìn)峰. 基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電子世界, 2012,16(18):108,133.

[4]柳春,甘泉. 基于FPGA的雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013,39(11):47-49.

[5]唐大偉,吳瓊之. 基于高速D/A AD9739 2.5GSPS的寬帶信號(hào)源[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2013,21(20):45-47.

[6]ADI Corporation. AD9129 datasheet[EB/OL]. [2013-03-21]http://www.analog.com.

The design of baseband radar signal source of electronic warfare

Bai Yu1, Yang Binbin1, Yang Chengzhi2, Wang Long2

(1.School of Electronic and Information,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,Liaoning,China; 2.Department of Electronic Countermeasures,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,Jilin,China)

In the modern war, the ability of information warfare capability has become a key factor to win the war, to construct a high realistic radar signal source is of great significance for the command and training of electronic warfare.A method of baseband radar signal source based on FPGA is studied. In order to configure the parameters of FPGA, a software is developed on the host computer firstly, then the principle to generate signal by DDS is studied. Meanwhile the key signal generating module is encapsulated into the IP core of the AXI bus interface which will enhance the flexibility and reusability of the design. In the end, combined with a high-speed D/A chip to do digital to analog conversion, the design of baseband radar signal source is finished. With the spectrum analyzer, the performance of the signal source is tested, the result indicates that the design can meet the applications requirements of radar.

electronic warfare;FPGA;IP core;DDS;high-speed D/A chip

2016-03-21；2016-06-23修回。

白玉(1969-)，女，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。

TN974

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