一种基于FPGA嵌入式系统的雷达信号模拟器的实现
摘要: 提出了一种基于fpga 的雷达回波实时模拟器的实现方法。该模拟器采用cpci 标准总线， 以fpga 为核心计算单元， 配有高速数模、模数转换模块， 可实现雷达回波信号实时在线注入模拟。该模拟器可实现多种体制下复杂回波的模拟，具有很好的工程应用价值。
雷达回波模拟器能够在实验室环境下模拟产生雷达实际工作中所接收到的回波信号， 在雷达系统设计、调试、测试、训练和维护等工作中发挥着不可替代的作用[ 1-3]。随着电子技术的日益进步， 雷达系统正在向多模式、多通道、高分辨等方向发展， 对模拟器的通用性、实时性等指标提出了更高的要求[ 4]。
模拟器通常可以分为软件模拟、硬件模拟及软硬结合等三种实现方式。软件模拟具有成本低、灵活性强等优点，但实时性差，一般不能直接用于雷达系统的实时调试和测试[5]。硬件模拟通常采用波存储回放技术，实时性好，但通用性差，不能满足参数复杂多变的情况[6-7]。软硬结合方式以通用计算机为主控平台， 以高性能嵌入式处理器为运算单元,在具有良好实时性的同时，能够适应复杂的仿真环境,是应用最为广泛的模拟方式[5,8]。
fpga 作为高性能数字信号处理系统中的关键器件， 在雷达信号模拟中有着巨大的开发潜能[ 9-11]。然而，受制于开发难度与开发周期， 在传统的模拟器中，fpga
多用于逻辑功能、时序信号和对外接口的控制， 其强大的并行处理能力没有得到充分利用。
本文以fpga 为核心构建了一种通用的雷达回波信号实时模拟系统。该系统采用fpga 作为回波信号模拟的运算单元， 充分利用了fpga 资源丰富、并行处理能力强的特点， 提高了系统的实时性； 采用system generator开发回波模拟程序， 大大降低了开发难度， 并显著缩短了研制周期。采用标准工业总线及模块化设计， 通用性、兼容性和可扩展性强， 可以应用于不同体制、不同规模的雷达系统模拟中。
1 系统方案 通用雷达回波实时模拟器（ 以下简称“ 模拟器” ） 由上位机、微波链路和回波模拟单元组成， 系统框图如图1 所示。上位机实现人机交互、系统控制、状态监视等功能。微波链路包括下变频和上变频模块， 用于实现射频信号与中频信号的转换。回波模拟单元完成中频信号采集、数字下变频（ddc） 、目标模拟、杂波模拟、干扰模拟、数字上变频（duc） 和数模转换等操作， 是整个系统的核心模块。
模拟器遵循标准结构规范， 采用cpci 标准总线， 可根据实际需求扩展系统规模， 为工程应用提供了便利。为了适应不同速率、不同类型的信号传输， 系统内部采用多种互联方式。pci 总线用于传输控制命令及慢速信号， 自定义总线用于高速数据流的传输， 同步定时总线用于系统的时序控制， 如图2 所示。
作为模拟器的重要组成部分， 回波模拟单元以高性能fpga 为核心构建， 用于实现ddc、回波模拟、duc 等功能； 同时配以高速a/d 和d/a 芯片， 用于信号采集与回波信号的播放。回波模拟单元由多块信号处理板组成，单板的逻辑框图如图3 所示，fpga 采用2 片xilinx 公司的xc6vlx240t 。芯片采用40 nm技术， 密度高、功耗小， 片上具有丰富的逻辑和i/o 资源， 并集成了大量的信号处理单元（dsp48e） ， 能够满足复杂的回波模拟运算及对外接口的需求。两片fpga 通过自定义互联接口实现高速数据通信， 用于传输中间结果。adc 采用adc08d1500 ， 最高采样率可达1.5 ghz ， 可以满足中频宽带信号的采样要求。dac 采用adi 公司的ad9736 ，最高时钟频率为1.2 ghz, 具有良好的输出信号性能。
2 fpga 模拟软件设计与实现 雷达回波信号是目标回波、杂波、干扰以及噪声等叠加后的结果。不同的雷达体制， 对目标、杂波、噪声及干扰的建模方法有所不同。对于雷达导引头， 可以仅考虑单点目标， 只需模拟目标的速度、加速度、距离和功率等信息即可。对于复杂的高分辨雷达系统，则要求模拟器能够更为细致地模拟目标回波信号， 如动目标、一维距离像及面目标等。
图4 给出了目标回波模拟软件的功能框图。该软件可以模拟点目标以及扩展目标的回波信号。中频输入信号在完成ddc 后作为回波模拟的基带基准数据， 同时用于确定波门和载频。多普勒计算模块根据设定的目标运动信息及测频结果计算每个目标的多普勒频率。波门信息与目标延迟信息相结合， 用于确定回波信号的位置。复乘模块在基准数据上加入延迟、多普勒调制和幅度调制后得到基带回波数据， 再经过duc 后通过dac播放， 即可得到中频回波数据。
由于信号处理板卡具有2 片fpga， 因此需要将上述各运算模块分别映射到相应的fpga 中。如图4 所示， 第一个fpga 实现数字下混频、测频、延迟复乘等功能， 第二个fpga 实现扩展散射点延迟、各点相对多普勒复乘、数字上混频等功能， 产生一个简单目标或一个扩展目标。为了降低开发难度、缩短开发周期， 运算模块均采用system generator 开发。
噪声模拟的实现方法如图5 所示。首先产生高斯白噪声随机序列，fft 后根据噪声带宽进行加窗，得到噪声序列的频谱，然后做ifft，得到时域模板序列。对这个模板序列进行随机移位叠加， 最后根据测频结果进行duc，将噪声移到一定的载频上。根据实际噪声带宽的需求，可以选择不同宽度的窗函数，控制调频噪声的带宽。
杂波/箔条干扰信号模拟采用发射脉冲与杂波/箔条干扰数据卷积的方法进行模拟。杂波/箔条干扰数据模型由上位机计算，然后下载到海量存储板。仿真时，信号处理模块从海量存储板读取杂波/箔条干扰数据， 与发射信号进行卷积，得到杂波/箔条干扰回波信号。杂波/箔条干扰信号模拟实现原理框图如图6 所示。杂波/箔条干扰信号模拟通常采用3 块信号处理板，配合3 路微波上变频，完成和通道、方位差通道、俯仰差通道的杂波模拟。
将上述运算过程生成的目标回波、噪声、杂波和干扰信号叠加后， 即可得到最终的雷达回波信号。
3 系统验证 分别采用连续波信号和脉冲信号对系统的功能和性能进行测试。连续波状态下， 需要测试模拟器的输出功率、杂散抑制、动态范围、多普勒信号控制性能等指标。脉冲状态下， 需要测试模拟器的模拟精度、多目标及干扰模拟能力等指标。
图7 给出了连续波状态下某典型频率的输出信号实测结果。可以看出， 输出点频信号的频率与输入信号相差所设定的多普勒频率， 杂散电平很低， 满足一般雷达系统的要求。表1 给出了主要指标的实测结果， 包括输出功率、、杂散抑制、输出动态范围、多普勒信号频率范围与多普勒频率精度等。
图8 给出了脉冲状态下的输出信号， 表2 给出了主要指标的实测结果。
本文介绍了一种基于fpga 嵌入式系统的雷达回波实时模拟器。利用fpga 资源丰富、并行运算能力强的优点， 提高了系统的集成度与实时性； 采用system generator开发fpga 软件， 大大降低了开发难度与开发周期； 通过灵活配置fpga 软件， 可以实现不同体制雷达回波的模拟， 具有较强的通用性和扩展性。实验结果表明， 该模拟器能够满足雷达系统半实物仿真的需求， 其相关技术代表了雷达回波模拟器未来发展的一个方向，并可应用于其他类型的回波模拟中。
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模拟器通常可以分为软件模拟、硬件模拟及软硬结合等三种实现方式。软件模拟具有成本低、灵活性强等优点，但实时性差，一般不能直接用于雷达系统的实时调试和测试[5]。硬件模拟通常采用波存储回放技术，实时性好，但通用性差，不能满足参数复杂多变的情况[6-7]。软硬结合方式以通用计算机为主控平台， 以高性能嵌入式处理器为运算单元,在具有良好实时性的同时，能够适应复杂的仿真环境,是应用最为广泛的模拟方式[5,8]。
fpga 作为高性能数字信号处理系统中的关键器件， 在雷达信号模拟中有着巨大的开发潜能[ 9-11]。然而，受制于开发难度与开发周期， 在传统的模拟器中，fpga
多用于逻辑功能、时序信号和对外接口的控制， 其强大的并行处理能力没有得到充分利用。
本文以fpga 为核心构建了一种通用的雷达回波信号实时模拟系统。该系统采用fpga 作为回波信号模拟的运算单元， 充分利用了fpga 资源丰富、并行处理能力强的特点， 提高了系统的实时性； 采用system generator开发回波模拟程序， 大大降低了开发难度， 并显著缩短了研制周期。采用标准工业总线及模块化设计， 通用性、兼容性和可扩展性强， 可以应用于不同体制、不同规模的雷达系统模拟中。
1 系统方案 通用雷达回波实时模拟器（ 以下简称“ 模拟器” ） 由上位机、微波链路和回波模拟单元组成， 系统框图如图1 所示。上位机实现人机交互、系统控制、状态监视等功能。微波链路包括下变频和上变频模块， 用于实现射频信号与中频信号的转换。回波模拟单元完成中频信号采集、数字下变频（ddc） 、目标模拟、杂波模拟、干扰模拟、数字上变频（duc） 和数模转换等操作， 是整个系统的核心模块。
模拟器遵循标准结构规范， 采用cpci 标准总线， 可根据实际需求扩展系统规模， 为工程应用提供了便利。为了适应不同速率、不同类型的信号传输， 系统内部采用多种互联方式。pci 总线用于传输控制命令及慢速信号， 自定义总线用于高速数据流的传输， 同步定时总线用于系统的时序控制， 如图2 所示。
作为模拟器的重要组成部分， 回波模拟单元以高性能fpga 为核心构建， 用于实现ddc、回波模拟、duc 等功能； 同时配以高速a/d 和d/a 芯片， 用于信号采集与回波信号的播放。回波模拟单元由多块信号处理板组成，单板的逻辑框图如图3 所示，fpga 采用2 片xilinx 公司的xc6vlx240t 。芯片采用40 nm技术， 密度高、功耗小， 片上具有丰富的逻辑和i/o 资源， 并集成了大量的信号处理单元（dsp48e） ， 能够满足复杂的回波模拟运算及对外接口的需求。两片fpga 通过自定义互联接口实现高速数据通信， 用于传输中间结果。adc 采用adc08d1500 ， 最高采样率可达1.5 ghz ， 可以满足中频宽带信号的采样要求。dac 采用adi 公司的ad9736 ，最高时钟频率为1.2 ghz, 具有良好的输出信号性能。
2 fpga 模拟软件设计与实现 雷达回波信号是目标回波、杂波、干扰以及噪声等叠加后的结果。不同的雷达体制， 对目标、杂波、噪声及干扰的建模方法有所不同。对于雷达导引头， 可以仅考虑单点目标， 只需模拟目标的速度、加速度、距离和功率等信息即可。对于复杂的高分辨雷达系统，则要求模拟器能够更为细致地模拟目标回波信号， 如动目标、一维距离像及面目标等。
图4 给出了目标回波模拟软件的功能框图。该软件可以模拟点目标以及扩展目标的回波信号。中频输入信号在完成ddc 后作为回波模拟的基带基准数据， 同时用于确定波门和载频。多普勒计算模块根据设定的目标运动信息及测频结果计算每个目标的多普勒频率。波门信息与目标延迟信息相结合， 用于确定回波信号的位置。复乘模块在基准数据上加入延迟、多普勒调制和幅度调制后得到基带回波数据， 再经过duc 后通过dac播放， 即可得到中频回波数据。
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3 系统验证 分别采用连续波信号和脉冲信号对系统的功能和性能进行测试。连续波状态下， 需要测试模拟器的输出功率、杂散抑制、动态范围、多普勒信号控制性能等指标。脉冲状态下， 需要测试模拟器的模拟精度、多目标及干扰模拟能力等指标。
图7 给出了连续波状态下某典型频率的输出信号实测结果。可以看出， 输出点频信号的频率与输入信号相差所设定的多普勒频率， 杂散电平很低， 满足一般雷达系统的要求。表1 给出了主要指标的实测结果， 包括输出功率、、杂散抑制、输出动态范围、多普勒信号频率范围与多普勒频率精度等。
图8 给出了脉冲状态下的输出信号， 表2 给出了主要指标的实测结果。
本文介绍了一种基于fpga 嵌入式系统的雷达回波实时模拟器。利用fpga 资源丰富、并行运算能力强的优点， 提高了系统的集成度与实时性； 采用system generator开发fpga 软件， 大大降低了开发难度与开发周期； 通过灵活配置fpga 软件， 可以实现不同体制雷达回波的模拟， 具有较强的通用性和扩展性。实验结果表明， 该模拟器能够满足雷达系统半实物仿真的需求， 其相关技术代表了雷达回波模拟器未来发展的一个方向，并可应用于其他类型的回波模拟中。
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