引言

　　在各型雷達導引頭的研制開發中，經常需要多次試驗以檢驗雷達對目標回波信號的分析處理性能。然而一般外場試驗雖然是最真實的實戰模擬，但需要耗費大量的人力物力，試驗成本昂貴，不適于研制階段的性能考核，通常只作為導彈整體研制完成后的最終性能考核驗證。因此，能夠在實驗室為雷達導引頭工作提供一個模擬真實工作狀態的電磁環境就顯得格外重要。雷達回波模擬器正是為適應上述需求研制出現的，它不僅為設計者節省大量的研制費用，而且可以縮短研制周期，提高工作效率。

　　從實現方法上，雷達回波模擬器一般分為兩大類：存儲回放式和自主產生式。存儲回放式是基于接收待測雷達產品的頻率合成器的發射信號調制脈沖，并對發射信號進行下變頻、采樣存儲、完成目標與干擾的信息數字調制處理，再通過高速D／A和上變頻器回放出來的一種實現模式。自主產生式則無需接收待測產品的發射信號，但需要得到與產品相參的時鐘和調制脈沖、相參幀同步信號，在此基礎上，采用一個與產品相近的頻綜，直接根據目標和干擾的參數信息產生產品所需的模擬回波信號。

　　兩種方式都有各自的優缺點。存儲回放式對波形參數中如帶寬、脈寬等的變化不敏感，可自動適應；但對于脈間頻率捷變情況下的測頻處理則很難快速高精度實現，且由于高速A／D的限制，模擬回波信號的信噪比很難做高。自主產生式則規避了存儲回放式的上述缺點，但對如帶寬、脈寬等波形的變化必須依靠產品提供信息，靈活性有所欠缺。

　　本文論述一種自主產生式的雷達回波模擬器中頻部分的設計實現方法，該模擬器可產生脈沖單頻、脈沖線性調頻、步進頻、步進頻+線性調頻等多種波形的雷達回波信號，并可產生雙目標和參數可控的帶限高斯白噪聲，可模擬主要的干擾類型；輸出信號既可以直接用于信號處理機的中頻注入式測試，也可上變頻后用于雷達系統的射頻條件下的各種測試驗證。以下對該中頻雷達回波模擬器的實現方法予以詳細闡述。

　　1 回波信號理論分析

　　按照設計要求，該模擬器需要模擬脈沖單頻、脈沖線性調頻、步進頻、步進頻+線性調頻共四種波形的信號。其中，步進頻又包括順序步進頻和隨機步進頻兩種類型。這些波形的雷達回波信號，均可以統一表示為式（1）的形式：

　　式中：c為光速；N為相參幀的脈沖總個數；i表示相參幀內的第幾個脈沖；To為脈沖寬度；Tr為脈沖周期；fc為相參幀內首脈沖的載頻；△f為脈沖間最小步進頻差；bi△f為第i個脈沖在初始載頻基礎上的頻率變化（僅適用于脈間頻率捷變波形，非脈間捷變波形則bi=0）；k為線性調頻波形時的脈內調頻變化率（非脈內線性調頻則k=0）；Ro為目標當前距離；v為目標當前速度。

　　由以上分析可知，無論上述何種波形，均可根據式（1）計算脈沖的延時、每個脈沖的脈內初相、以及每個脈沖的載頻等參數，并對這些參數在與產品同步的基礎上予以實時控制來進行模擬實現。根據發射波形，還要決定是否添加脈內頻率線性調制。

　　2 回波模擬器系統設計

　　根據系統需求和前述雷達回波信號理論分析，該中頻雷達回波模擬器（以下簡稱模擬器）采用了如圖1所示的系統實現方案。

　　該模擬器通過單片機（AVR8515）與上位機進行異步串行通信，單片機完成通信協議的解包、打包等過程，接收上位機中用戶設定的目標和干擾參數，發送模擬器的實時模擬狀態信息給上位機。系統以DSP（ADSP-21060）作為脈沖參數的實時計算單元，單片機與DSP問通過雙口RAM進行信息交換。DSP得到兩個目標的模擬參數后，根據參數變化的時間節拍，計算一個相參幀兩目標的各脈沖的初相、載頻、脈沖延時等參數，并寫給雙口RAM。系統以FPGA（XC2V3000）作為信號處理與控制單元，FPGA讀取后，在產品提供的處理幀同步信號和同步調制脈沖控制下，結合產品串口傳過來的波形類型的信息（如：脈內單頻還是線性調頻），形成兩個目標的延時脈沖，并控制兩個目標各自的DDS（AD9858）信號產生單元，產生出兩個目標信號。帶限的高斯白噪聲的數字正交基帶也由 FPGA產生，并同步AD9957的數字正交上變頻功能將基帶調制到所需的中心頻上。目標1、目標2和噪聲信號的合成由模擬電路實現，并實現一定的功率控制，最后輸出所需的中頻雷達回波信號。模擬器系統各單元時鐘的相參性至關重要，由專用時鐘管理芯片（AD9510）產生 FPGA，AD9858，AD9957的工作時鐘。

　　3 關鍵模塊設計

　　3.1 數字延時模塊

　　對于脈沖的數字延遲的實現，方法1是將DSP計算得到的延時時鐘個數值D，轉換為N位的二進制碼，利用二進制碼進行控制。可采用如圖2基于寄存器的方法實現，這種方法優點是沒有固定延遲，最小可實現零延遲。但當N增大時，此法耗費的FPGA觸發器資源呈幾何級數增加，因此，不適用于需要實現很大延時的場合。

　　方法2是采用如圖3所示的存儲轉發的方式，具體是：將輸入的待延時脈沖，用延時時鐘采樣后，以左端口地址A在每個延時時鐘周期遞增加1寫入單bit的雙口RAM中，右端口以地址B在每個延時時鐘周期遞增加1進行按序讀取，左右端口操作到（2N+1-1）的上限地址后自動返回0地址繼續各自遞增操作。地址 A和地址B滿足：B=A—D。D為需要的延時時鐘個數值。當A《D時，取負數的補碼作為地址B。

　　方法2避免了大延時情況下觸發器資源過度耗費，但存在固定延時，另當延時時鐘頻率很高時，雙口RAM的讀寫速度難以滿足要求。因此，本系統在實踐中對方法2進行了改進設計，如圖4所示。

　　本設計將待延時的脈沖經延時時鐘采樣后，經串并轉換形成16 b的數據，每16個延時時鐘完成一次串／并轉換，并輸出一個16 b寬度的雙口RAM的左端口寫時鐘，地址A仍按序累加。將地址A末位補上四個“1”構成寬地址x；x—D=Y（補碼形式）；式中：D為DSP計算的延時時鐘個數值。將Y（二進制）的低四位提取出來作為碼值C；其余高位構成圖中雙端口RAM的右端口讀地址。其讀時鐘由圖右的并／串轉換單元每16個延時時鐘周期輸出一個脈沖；并／串轉換單元將讀出的16位數據轉換恢復為脈沖，經過如圖1寄存器方式實現的4位寄存器延時環節（控制碼為碼值C）延時后，輸出延時后的脈沖。

　　該方法將雙口的讀寫時鐘降速到延時時鐘的16分頻，大大降低了雙口RAM的速度壓力，更易于實現。另16 b的雙口RAM也可借助片外雙口RAM實現，降低對FPGA存儲資源的依賴。該方法的缺點是有更大的固定延遲，雖在延時大時可預先由DSP修正控制值，但對要求延時小于其固定延時的情況則無法適用。本系統綜合采用兩種方法解決，即：DSP輸出碼值的最高位決定延時方法的切換，當需求的延時大于固定延時時則采用圖4的方法；而需求的延時小于固定延時時采用圖2的寄存器法。

　　3.2 數字噪聲基帶產生模塊

　　本系統噪聲基帶信號的產生采用數字技術，在FPGA內完成，實現方法如圖5所示。

　　根據隨機信號理論，對均勻分布的隨機數進行白化處理，可實現具有良好統計特性的高斯白噪聲。系統首先采用2個獨立的m序列發生器產生［0，1］區間上均勻分布的偽隨機數，m序列發生器的硬件結構如圖6所示，其中Co和Cn為對應m序列多項式的系數，取值為0和1。

　　然后將產生的一對偽隨機數通過Box_Muller變換可以得到一對相互獨立的符合標準正態分布的偽隨機數m和n，正好作為噪聲產生器的同相分量和正交分量。Box_Muller變換公式為：

　　式中：x，y即為前述2個互相獨立的在（0，1）上均勻分布的偽隨機數。

　　由于Box_Muller變換需要用到兩個非線性函數，而非線性運算很難在實際數字電路系統中實現，故實際中需要構建相應查找表實現非線性運算，分別記作sqrt_lut和sincos_lut。設sqrt_lut和sincos_Iut的輸出量化數據長度為L1和L2位，獨立變量m和n的定點長度分別為N1和N2位。則當采用均勻量化方案時，sqrt_lut和sincos_lut所需的存儲空間分別為2N1×L1和2N2×L2。可以看出，如果直接實現查找表功能，當N1和N2較大時，對應的存儲空間是相當可觀的。

　　為了壓縮存儲空間，對sincos_lut，可以只存儲第一象限的正余弦值。其他象限則通過符號調整得到，這樣可以將sincos_lut占用存儲空間減少到原來的1／4。更進一步，還可以對非線性曲線進行分段折線近似，在實際查找表中只存儲各折線段的起始位置及對應斜率。也可以大幅度減少所需查找表的數量，該策略同樣適用于sqrt_lut查找表。

　　得到一對相互獨立的符合標準正態分布變量m和n后，還要對其進行低通濾波，以適應對應的信號帶寬。由于I路與Q路的濾波特性完全相同，為進一步節省資源，可采用一個支持雙通道操作的濾波器同時完成I路與Q路的濾波。這可以通過ISE集成開發環境中Core Generator中的FIR IP核來方便實現。濾波器系統可由上位機根據所需帶寬，傳遞相應系數給DSP，繼而傳遞給FPGA。

　　噪聲功率調整模塊可根據設定信噪比的不同，乘以相應系數，對產生的帶限高斯白噪聲幅度進行調整。

　　4 結論

　　本系統基于自主產生的原理，選用DSP和FPGA為核心處理器，通過合理的算法設計，實現了可兼容多種雷達波形的中頻雷達回波模擬器的設計，采用改進的基于存儲轉發的數字脈沖延時方法，在達到8ns的最小延時步長的同時，降低了對系統的硬件要求。系統的另一個關鍵模塊是數字噪聲發生器，其參數可以進行實時修改，極大地提高了噪聲發生器的靈活性，與其他同類型設計相比，具有工作速度快，資源利用率高，硬件結構簡單等特點。最后采用DDS、數字正交上變頻等器件，實現了精確的復雜頻率調制、相位調制和幅度調制，保證了系統的靈活性、高兼容性和集成化程度。