導(dǎo)航雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫琎燁，蘭英，陳信在，逄喜斌

（解放軍91411部隊(duì)，遼寧大連，116041）

0 引言

船用導(dǎo)航雷達(dá)是保障艦艇航行，探測(cè)周圍目標(biāo)位置，以實(shí)施航行避讓、自身定位等用途的雷達(dá)[1]。隨著雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)信號(hào)環(huán)境已經(jīng)變得十分復(fù)雜，在試驗(yàn)和檢修過(guò)程中，已經(jīng)不可能布置大量真實(shí)的電子設(shè)備所需要的電磁場(chǎng)環(huán)境。因此，應(yīng)用雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)為導(dǎo)航雷達(dá)提供視頻和中頻信號(hào)，對(duì)評(píng)估雷達(dá)設(shè)備性能和日常維護(hù)檢修，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用微控制器和直接數(shù)字合成技術(shù)的雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)回波信號(hào)的實(shí)時(shí)仿真，能夠全面、快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)，豐富裝備維修測(cè)試手段。

1 系統(tǒng)要求及設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)某型導(dǎo)航雷達(dá)控制關(guān)系和技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)產(chǎn)生和采集的信號(hào)包括：艦艏標(biāo)、方位脈沖、觸發(fā)信號(hào)、視頻和中頻脈沖。作為雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)，不需要真實(shí)地向空間輻射電磁脈沖，因此系統(tǒng)捕獲觸發(fā)信號(hào)，并同步產(chǎn)生模擬回波。

系統(tǒng)采用Cortex-M4內(nèi)核的微控制器[2]作為主控器件，包含主控模塊、DDS模塊、信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和人機(jī)交互等。系統(tǒng)上電后初始化片上外設(shè)，根據(jù)目標(biāo)參數(shù)解算數(shù)據(jù)并緩存至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，應(yīng)用定時(shí)中斷產(chǎn)生艦艏標(biāo)和方位脈沖激勵(lì)待測(cè)雷達(dá)工作。同時(shí)微控制器捕獲觸發(fā)信號(hào)，并應(yīng)用DMA傳輸和直接數(shù)字合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻和中頻脈沖輸出，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，選用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F429作為主控芯片。該芯片通過(guò)復(fù)位和時(shí)鐘控制器(RCC)可實(shí)現(xiàn)最高為180MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率,片內(nèi)集成1MB高速Flash和256KB靜態(tài)RAM，14個(gè)16位/32位定時(shí)器，具有SPI、SAI、I2S、I2C、USART和SDIO等多種串行通信接口方式，同時(shí)集成獨(dú)立看門(mén)狗、窗口看門(mén)狗和低功耗電源管理等功能[3、4]，具有易于程序調(diào)試、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，且可滿足精度及實(shí)時(shí)性要求。

根據(jù)雷達(dá)回波模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，定時(shí)器外設(shè)配置及控制過(guò)程如下：通用定時(shí)器TIM2配置為定時(shí)更新中斷，在中斷服務(wù)中產(chǎn)生艦艏標(biāo)，即雷達(dá)幀起始信號(hào)，同時(shí)使能通用定時(shí)器TIM3；TIM3配置為輸出比較模式，在雷達(dá)幀掃周期內(nèi)產(chǎn)生360個(gè)方位脈沖，此信號(hào)用于激勵(lì)雷達(dá)工控機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)射電磁脈沖；由前所述，系統(tǒng)需捕獲觸發(fā)信號(hào)，并產(chǎn)生模擬回波視頻，為保證信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸，高級(jí)定時(shí)器TIM8_CH2配置為輸入捕獲模式，并配置從模式為復(fù)位模式[3]，TIM8_CH1配置為輸出比較模式，這樣當(dāng)TIM8_CH2捕獲觸發(fā)信號(hào)時(shí),TIM8產(chǎn)生更新事件，并通過(guò)DMA傳輸方式更新寄存器值，在計(jì)時(shí)時(shí)鐘的作用下TIM8_CH1通道輸出視頻信號(hào)VIDEO0。

2.2 DDS模塊設(shè)計(jì)

直接數(shù)字合成是一種應(yīng)用廣泛的頻率合成技術(shù)，傳統(tǒng)的自激振蕩產(chǎn)生正弦波的方式，在DDS面前正逐漸失去活力[5]。DDS技術(shù)具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、頻率切換時(shí)相位連續(xù)、可以輸出寬帶正交信號(hào)、輸出相位噪聲低、可產(chǎn)生任意波形及全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。目前使用DDS技術(shù)可產(chǎn)生高達(dá)幾百兆赫茲的頻譜純凈、頻率、相位和幅度都可程控的模擬正弦波。DDS芯片的核心是DDS核，由相位累加器和SIN/COS LUT(ROM)組成，其中相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，相位累加器的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)K的相位增量，其大小由頻率控制字決定。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為SIN/COS LUT的相位取樣地址，就可以把存儲(chǔ)在SIN/COS LUT內(nèi)的波形數(shù)據(jù)抽樣出來(lái)，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)使用AD9959產(chǎn)生中頻脈沖，該芯片是美國(guó)ADI公司最新推出的高速直接數(shù)字頻率合成器，部分特性如下：32位頻率分辨率；14位相位分辨率；10位輸出幅度可縮放的分辨率；可實(shí)現(xiàn)最多16階電平的頻率、相位和幅度調(diào)制[6]。DDS模塊外接25MHz晶振，通過(guò)時(shí)鐘倍頻鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)500MHz時(shí)鐘頻率，微控制器通過(guò)SPI串行外設(shè)接口向AD9959發(fā)送控制字，產(chǎn)生60MHz載頻信號(hào)，應(yīng)用2階幅度調(diào)制將AD9959_P0引腳輸入的視頻VIDEO0調(diào)制成中頻脈沖，再通過(guò)200MHz巴特沃茲低通濾波器濾波，將中頻脈沖送至雷達(dá)接收機(jī)，完成回波中頻脈沖模擬。

2.3 信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于導(dǎo)航雷達(dá)與模擬系統(tǒng)間接口電平和阻抗標(biāo)準(zhǔn)不同，需要電平轉(zhuǎn)換和阻抗匹配才能送入導(dǎo)航雷達(dá)或被模擬系統(tǒng)采集。信號(hào)匹配網(wǎng)絡(luò)包含五種電平及阻抗匹配電路，實(shí)現(xiàn)基本原理相同。以視頻信號(hào)匹配電路為例，電路工作原理如下：視頻信號(hào)為負(fù)極性，因此匹配電路由兩級(jí)PNP晶體管開(kāi)關(guān)電路和OPA695集成運(yùn)放跟隨器電路組成，完成3.3V～0V到0V～2.9V的電平轉(zhuǎn)換和阻抗匹配，設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 視頻信號(hào)匹配電路

當(dāng)VIDEO0為高電平3.3V時(shí)，Q1截 止、Q2飽和，D1導(dǎo)通，將Q2集電極鉗位到1.2V，調(diào)節(jié)VR1(分壓比約為1:4)使U1同相端為0V；當(dāng)VIDEO0為低電平0V時(shí)，Q1飽和、Q2截止，D1將Q2集電極穩(wěn)壓到-2.4V，經(jīng)VR1分壓，U1同相端電平約為-2.9V，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換；經(jīng)OPA695集成運(yùn)放構(gòu)成帶使能端的跟隨器完成模擬系統(tǒng)與雷達(dá)工控機(jī)的阻抗匹配。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序采用C語(yǔ)言和庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)方式編寫(xiě)，各程序模塊相互獨(dú)立，方便程序開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行調(diào)試和移植[4]。系統(tǒng)軟件程序主要包括：片上外設(shè)配置、參數(shù)解算和存儲(chǔ)、DDS庫(kù)函數(shù)及AD9959應(yīng)用函數(shù)等程序模塊，主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

模擬系統(tǒng)由程序配置STM32F429片上外設(shè)功能，應(yīng)用的片上外設(shè)包括：通用定時(shí)器、高級(jí)定時(shí)器、DMA、SPI和USART等，其中定時(shí)器配置是保證系統(tǒng)正常工作的主體部分，具體配置模式在2.1主控模塊設(shè)計(jì)一節(jié)已有相關(guān)闡述，這里不再贅述。

3.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)置模擬回波目標(biāo)方位分辨力0.12°、距離分辨力15m，因此雷達(dá)掃描一幀對(duì)應(yīng)360/0.12 = 3000個(gè)數(shù)據(jù)單元。定義目標(biāo)參數(shù)為Ap(方位位置)、As(方位大小)、Dp(距離位置)、Ds(距離大小)，由于VIDEO0為負(fù)極性,根據(jù)公式1解算出目標(biāo)視頻緩存數(shù)據(jù)。

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，視頻緩存數(shù)據(jù)以DMA數(shù)據(jù)流方式傳輸。系統(tǒng)配置DMA外設(shè)通道為DMA2_Stream3_CH7[3]；配置TIM8定時(shí)器DMA接口為全傳輸模式，設(shè)置TIM_DMABase為T(mén)IM8_ARR寄存器地址、TIM_DMABurstLength為3Transfers。這樣一次DMA突發(fā)傳輸可以連續(xù)更新TIM8的ARR、RCR和CCR1寄存器值[3]。STM32F429高級(jí)定時(shí)器ARR和CCR1是具有預(yù)裝載功能的寄存器，具有相應(yīng)的影子寄存器。當(dāng)預(yù)裝載寄存器值更新后，影子寄存器仍然保持原來(lái)的值，在更新事件發(fā)生之后影子寄存器才從預(yù)裝載寄存器中獲得更新，而定時(shí)器比較操作的是影子寄存器，這樣可以避免程序運(yùn)行時(shí)序混亂[3、4]。基于以上分析，系統(tǒng)將TIM8_CH2配置為上升沿下降沿輸入捕獲模式，設(shè)計(jì)視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.2 DDS模塊程序設(shè)計(jì)

DDS模塊程序包含DDS庫(kù)函數(shù)和AD9959應(yīng)用函數(shù)。通常生產(chǎn)商在推出DDS芯片時(shí)不提供相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，用戶配置DDS工作模式需要查閱大量數(shù)據(jù)手冊(cè)，并采用直接操作寄存器方法配置寄存器。本設(shè)計(jì)為方便用戶二次開(kāi)發(fā)，提高DDS芯片使用靈活性和程序可讀性，針對(duì)AD9xxx系列直接數(shù)字合成器編寫(xiě)DDS庫(kù)函數(shù)，同時(shí)將典型的DDS應(yīng)用函數(shù)一并封裝入庫(kù)，方便使用人員移植和調(diào)用。DDS庫(kù)函數(shù)的設(shè)計(jì)方法以幅度控制寄存器ACR為例說(shuō)明如下：ACR寄存器為24位寄存器，包含6個(gè)位域[6]，因此在DDS_ACRInitTypeDef結(jié)構(gòu)體中定義6個(gè)相應(yīng)位域的成員變量，每個(gè)成員變量可用功能組合邏輯在dds_driver.h文件中宏 定 義；DDS_ACRConfig(DDS_ACRInitTypeDef* DDS_ACRInitStruct)函數(shù)的入口參數(shù)為結(jié)構(gòu)體指針，指向DDS_ACRInitTypeDef結(jié)構(gòu)體,這樣函數(shù)通過(guò)移位和邏輯運(yùn)算操作各成員變量，將不同功能的組合邏輯寫(xiě)入到ACR寄存器相應(yīng)位域，實(shí)現(xiàn)ACR寄存器配置操作。DDS庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了人性化的寄存器配置操作，但用戶還需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求調(diào)用庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模式輸出。本設(shè)計(jì)提供單音、2/4/8/16階FSK/PSK/ASK調(diào)制和線性掃描模式共6種AD9959應(yīng)用函數(shù), 用戶只需調(diào)用應(yīng)用函數(shù)并設(shè)置參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工作模式和信號(hào)輸出，如調(diào)用Level2Modulation_Config(u8 ochn, u8 type,double f0,double p0,double a0, double x1)函數(shù)，用戶只需設(shè)置通道號(hào)、調(diào)制類型、頻率、初相位、幅度值及通道字[6](即2階調(diào)制參數(shù))，即可在相應(yīng)通道輸出2階調(diào)制信號(hào)。

3.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波模擬設(shè)計(jì)

模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)采用上位機(jī)串口通信方式，并在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中定義雙緩沖區(qū)，使視頻數(shù)據(jù)以雷達(dá)幀掃頻率交替?zhèn)鬏敗４藭r(shí)，上位機(jī)程序需要在幀掃周期內(nèi)完成視頻數(shù)據(jù)傳輸及緩存，因此需確保波特率大于幀掃頻率×288000，考慮到參數(shù)解算時(shí)間，系統(tǒng)選擇USART2波特率128000bps，將DMA1配置為USART2外設(shè)到存儲(chǔ)器傳輸模式，DMA2配置為存儲(chǔ)器到TIM8外設(shè)傳輸模式[3]。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：設(shè)當(dāng)前DMA1目標(biāo)地址指針P1指向BUFFER1首地址，DMA2源地址指針P2指向BUFFER2首地址，當(dāng)HM信號(hào)到來(lái)時(shí)，此時(shí)交換指針P1、P2，使P1指向BUFFER2首地址、P2指向BUFFER1首地址，這樣在幀掃周期內(nèi)，TIM8從BUFFER1讀視頻數(shù)據(jù),而上位機(jī)寫(xiě)視頻數(shù)據(jù)到BUFFER2,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波模擬。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)置單目標(biāo)參數(shù)Ap=0.12°、As=1.2°、Dp=3000m、Ds=300m、TIM8計(jì)時(shí)頻率為 3× 108/15 = 20MHz、中頻載波頻率60MHz，測(cè)試觸發(fā)和中頻脈沖如圖5、6所示。

圖5 觸發(fā)—中頻脈沖時(shí)序

可以看出，在觸發(fā)脈沖作用下，模擬系統(tǒng)產(chǎn)生10個(gè)中頻脈沖，覆蓋方位范圍為10×0.12°=1.2°，徑向脈沖周期為21.04μs，徑向脈沖寬度為1.05μs，均滿足目標(biāo)回波中頻脈沖信號(hào)理論值及精度要求。

圖6 觸發(fā)—中頻脈沖展寬

5 結(jié)束語(yǔ)

模擬系統(tǒng)和導(dǎo)航雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，為了確保系統(tǒng)間同步運(yùn)行和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性，模擬系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度、傳輸速度等指標(biāo)要求較高。本文設(shè)計(jì)的回波模擬系統(tǒng)采用高速微控制器，通過(guò)優(yōu)化配置定時(shí)器、DMA、串口等片上外設(shè)工作模式，并結(jié)合直接數(shù)字合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模擬系統(tǒng)與導(dǎo)航雷達(dá)之間的接口匹配，且具有體積小、便于攜帶、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性和目標(biāo)回波精度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。