可擴展性雷達多波形系統設計與實現

王麗

（中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

可擴展性雷達多波形系統設計與實現

王麗

（中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

本文從硬件設計、器件選型及波形產生等方面考慮，介紹利用FPGA+DAC+DSP技術生成多種線性調頻和步進頻率雷達信號且可擴展設計的高性能雷達波形設計系統。該系統已通過內外場驗證階段，較好地完成了波形產生任務和各種控制等任務。

多波形；DDS；線性調頻；頻率步進

隨著科學技術水平的不斷進步和作戰環境的變化，戰爭的模式發生了根本性變化。同時，當下芯片集成度越來越高，系統設計也越來越復雜。因此，對雷達系統功能與性能的高要求也勢在必行。系統不僅要求具有多目標探測、識別、跟蹤功能，同時要求具有高靈敏度及抗干擾特性。

高速數字處理器技術發展迅速，現代雷達系統的波形設計更加靈活且多樣化。為了改善檢測性能，雷達波形設計在針對特殊的用途（包括雷達測距和測速）中變得更加重要，從而改進雷達系統的性能和應用范圍。所以，數字化、小型化、多體制化將是未來雷達多波形系統設計努力追求的目標［1，2］。

1 硬件系統設計

系統主要有FPGA單元、DSP單元、DDS單元、電源管理和時鐘管理等模塊組成，總體框圖如圖1所示。

本文以FPGA+DAC+DSP為架構，設計實現了一個高性能雷達波形設計系統，根據項目要求可以輸出連續波、多種線性調頻和步進頻率雷達信號，而且輸出信號頻率穩定、信號形式多樣。此外，值得一提的是，本系統可以擴展連接信號采樣系統，通過對雷達回波信號的采集與預處理、主處理，完成對目標的檢測、識別與參數提取等任務。

圖1 系統總體框圖

本系統設計以FPGA作為主控芯片，選用Xilinx公司的Virtex-6系列，該系列包括多個不同的子系列，可高效滿足多種高級邏輯設計需求。如表1所示，選用XC6VSX315T或者XC6VLX130T這兩種型號器件，2款型號封裝一樣，在使用中可根據總體需求選擇合適的型號。

DSP形成控制指令完成波形生成系統中不同波形參數的管理與切換。本系統選用2片ADI公司超高性能DSP處理器TS201，這是一款已經使用很成熟的芯片，具體有強大的處理能力及可編程能力，可滿足雷達波形系統對信號處理實時性和通用性的需求。

表1 FPGA芯片型號

圖3 DDS的控制流程

考慮系統對擴展信號處理運算的需求，在硬件設計中充分考慮利用TS201的外部總線接口和鏈路口，將其連接至FPGA，通過FPGA編程實現外總線接口控制器和鏈路口收發的數據交換。

多波形生成系統是整個雷達波形系統的關鍵，本系統的核心是通過FPGA對DDS進行控制波形輸出，采用自頂向下的設計方法設計系統控制軟件，需要軟硬件結合。硬件電路上系統DDS輸出模擬差分信號，經中頻變壓器將差分信號變為單端信號，最后經過濾波器輸出。硬件電路設計中需要考慮使用具有較好紋波性能的LDO線性電源為AD9910供電，為DDS提供一個干凈的電源；采用磁珠隔開模擬電源和數字電源；DDS的電源單獨提供，避免電源回流通路上面有其他的干擾信號。在FPGA中，采用VHDL語言通過對DDS內部的相關參數編程設置，控制所需要產生波形的幅度、頻率和相位，生成所需要的各種類型的復雜波形。

本系統中選用ADI公司的AD9910，通過查找器件手冊，可知AD9910是一款14bit的直接數字頻率合成器，支持高達1GS/s的采樣率，信號輸出最高頻率為400MHz，而且該器件具有顯著的低功耗特色，同時具有非常不錯的無雜散動態范圍（SFDR）和相位噪聲性能。此外，通過串行I/O口，對AD9910內部的各種控制寄存器可以進行多模式編程，控制其頻率、相位及幅度，生成各種適用于雷達多波形生成系統的調制信號。同時，國內該型號器件有貨架產品，封裝一致，若想國產化，非常方便，無需重新選擇設計。

2 波形設計及流程

下面介紹的設計方法可作為一種通用的雷達波形設計方法，可供設計者參考借鑒。AD9910的參數控制是串行通信控制，串行通信時序如圖2所示，因所需通信時間較長，所以DDS需要分步控制，先進行參數寫入，再進行參數更新。

DDS的控制流程如圖3所示，控制流程以時鐘（不高于50MHz并且不高于系統時鐘的2分頻）同步工作。上電復位或DSP復位后，先進行DDS的控制寄存器和參數寄存器的初始化，再輸出DDS的IO更新脈沖；然后進入等待狀態，檢測寫信號和更新脈沖。如檢測到寫信號脈沖，則依次向DDS的各個地址寫入更新的參數；如檢測到更新脈沖，則輸出DDS的IO更新脈沖，隨后進行頻率字讀取操作，將更新后的DDS內部頻率字存入緩沖區供DSP讀取，完成DDS自檢。

3 系統測試結果

本系統實現了頻率、幅度數字可控的連續波、多種線性調頻和步進頻率脈沖信號輸出，如圖4所示，圖4a為MATLAB仿真的其中一種Chirp波形的仿真圖，圖4b為實際試驗測試截圖。測試結果表明，系統完成設計功能要求，輸出信號頻率穩定。

4 結論

本文介紹了利用FPGA+DAC+DSP技術生成多種波形信號的系統設計與實現，通過試驗驗證了系統的可實現性及穩定性。本系統的設計思想，在波形產生很多方面都能得到推廣應用。目前，該系統已通過內外場驗證階段，較好地完成了波形產生任務和各種控制等任務。

圖4 Chirp信號仿真與測試圖

［1］武劍輝.多波形頻域數字脈沖壓縮系統的研究［D］.成都：電子科技大學，2001.

［2］趙國慶.雷達對抗原理［M］.3版.西安：西安電子科技大學出版社，2003.

Design and Implementation of Multi-waveform Radar System with Scalability

Wang Li
（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009）

From the aspects of hardware design,device selection and waveform generation,this paper introduced the design of a high performance radar waveform design system based on FPGA+DAC+DSP technology.This system has passed the field verification stage,successfully completed the task of waveform generation and control tasks.

multi-waveform；DDS；CHIRP；STEP

V19

A

1003-5168（2017）04-0026-03

2017-03-21

王麗（1983-），女，工程師，研究方向：雷達導引頭信號處理。