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基于FPGA的毫米波多目標(biāo)信號形成技術(shù)的研究
摘要：毫米波多目標(biāo)信號形成是實現(xiàn)毫米波雷達(dá)模擬器的關(guān)鍵技術(shù)，要求目標(biāo)分辨精度高、時延差值達(dá)ns級是其顯著特點。介紹一種基于可編程邏輯器件FPGA的多目標(biāo)信號產(chǎn)生的新方法。實踐結(jié)果表明應(yīng)用FPGA實現(xiàn)目標(biāo)之間的延具有延時精度高、系統(tǒng)可靠性好等特點。關(guān)鍵詞：毫米波雷達(dá)模擬器 多目標(biāo)形成 現(xiàn)場可編程門陣列
近年來，精確制導(dǎo)武器的研制已經(jīng)成為現(xiàn)代武器研制的一大熱點，而毫米波多目標(biāo)信號發(fā)生器正是精確制導(dǎo)武器研制的關(guān)鍵手段。毫米波多目標(biāo)信號發(fā)生器通過模擬的方法產(chǎn)生多種類型高精度的雷達(dá)多目標(biāo)回波信號，在實際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下對雷達(dá)系統(tǒng)后級進(jìn)行調(diào)試，便于制導(dǎo)武器的性能測試，大大加快新武器的研制進(jìn)程。毫米波多目標(biāo)信號產(chǎn)生的關(guān)鍵是要求回波信號距離分辨率極高，常規(guī)的多目標(biāo)信號產(chǎn)生方法如使用數(shù)字延時線產(chǎn)生多目標(biāo)之間的延時，其控制不靈活，并且有些延時線需要接ECL電源，使用不方便也增加了設(shè)計的復(fù)雜度。使用分立元件實現(xiàn)延時則使電路元件過多，電路的穩(wěn)定性及延時的精確性也會大大降低。本文介紹一種新的產(chǎn)生毫米波雷達(dá)模擬器的多目標(biāo)信號的方法，針對毫米波多目標(biāo)信號回波之間距離分辨率要求高的特點，采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)回波之間的時延。本文詳述了使用FPGA控制及產(chǎn)生延時多目．標(biāo)信號間精確延時的設(shè)計方法。該方法實現(xiàn)電路體積小、穩(wěn)定性高，同時使延時精度得到了很大的提高，具有很好的工程應(yīng)用價值。
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1 多目標(biāo)信號產(chǎn)生器
為了精確制導(dǎo)武器研制的需要，本信號發(fā)生器根據(jù)外部設(shè)定的工作方式及工作參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的毫米波雷達(dá)中頻多目標(biāo)信號。每個脈沖的開始保持嚴(yán)格的初相值，脈沖寬度間的多普勒信號調(diào)制要求回波目標(biāo)信號相一致，目標(biāo)之間的距離分辨率為0．3m，目標(biāo)回波間延時范圍為0~10ns。整個系統(tǒng)基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，高速DSP主要生成多目標(biāo)信號產(chǎn)生器的回波數(shù)據(jù)，設(shè)計中采用靜態(tài)RAM擴(kuò)充存儲一個相干區(qū)的回波信號的程序及數(shù)據(jù)，用EPROM存儲相位表。FPGA實現(xiàn)所有的控制、地址發(fā)生等邏輯及產(chǎn)生多回波信號回波間分辨率為2 ns的時延。輸入輸出的顯示由單片機(jī)控制。圖1所示為多目標(biāo)信號發(fā)生器產(chǎn)生一路模擬回波信號的結(jié)構(gòu)框圖，回波數(shù)據(jù)包含I、Q兩路數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中每路回波信號數(shù)據(jù)采用兩片雙口RAM進(jìn)行存儲。將從雙DA輸出的各路模擬回波信號相加(1支路與1支路相加，Q支路與Q支路相加)，然后進(jìn)行正交調(diào)制得到毫米波雷達(dá)模擬器多目標(biāo)中頻信號。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。
回波信號包括目標(biāo)信號、噪聲和雜波信號兩部分。利用回波數(shù)學(xué)方程考慮目標(biāo)雜波特性以及隨機(jī)噪聲，產(chǎn)生運動目標(biāo)的多普勒回波信號的數(shù)學(xué)方程為：
Si=Aiexp[-j 4πfi/c（R0-ut）]+G1（t）+G2（t）
其中fi=f0+i△f，i=0，1，…，255；G1（t）為高斯白噪聲，G2(t)為雜波。高速DSP根據(jù)目標(biāo)要求的信號幅度、多普勒頻率、信號所處的距離單元等計算所需目標(biāo)信號數(shù)據(jù)。對噪聲的模擬，考慮到噪聲是由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，采用窄帶高斯白噪聲為模型。對雜波信號的模擬，由于雜波是系統(tǒng)外產(chǎn)生，分為地雜波、海雜波、氣象雜波等，其數(shù)學(xué)模型多種多樣，故把這部分作為可重加載模塊實現(xiàn)。對不同的雜波模型，以不同的程序塊實現(xiàn)。由DSP計算出的回波數(shù)字信號經(jīng)雙DA進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出模擬的回波基帶信號。DSP與雙DA間用雙口RAM接口，這樣可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、可靠及靈活的調(diào)度。雙口RAM的地址信號由VIRTEX-II系列FPGA提供。設(shè)計中，將雙DA轉(zhuǎn)換時鐘之間應(yīng)用FPGA實現(xiàn)了0、2、4、6、8和10ns的可變時延差，因此雙DA輸出的兩路回波基帶信號之間相應(yīng)地產(chǎn)生了0、2、4、6、8和10ns的延時。從而達(dá)到了模擬出的兩路回波之間的延時范圍為0~10ns， 目標(biāo)之間達(dá)到0．3m的距離分辨率的設(shè)計要求。
2 多目標(biāo)信號間高精度高可靠性延時的設(shè)計與實現(xiàn)
多目標(biāo)信號各目標(biāo)回波之間的距離體現(xiàn)在回波之間的時延上，多目標(biāo)信號產(chǎn)生器的各回波之間的時延由FPGA產(chǎn)生。DSP將計算出的回波信號數(shù)據(jù)存儲在雙口RAM中，然后由雙DA讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬的回波信號。FPGA需要為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供時序控制信號、讀數(shù)據(jù)時的地址信號及雙DA的轉(zhuǎn)換時鐘信號等；將時鐘信號經(jīng)過FPGA進(jìn)行精確的延時，延時后的信號作為雙口RAM讀出數(shù)據(jù)時地址發(fā)生器的時鐘信號，將延時后的信號與DSP提供給雙DA的初始化信號相與后提供給雙DA作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時鐘。
產(chǎn)生各目標(biāo)回波間時延有多種方法，如采用分立元件實現(xiàn)，但這種方法存在電路復(fù)雜、可靠性差等缺點。本文采用FPGA器件實現(xiàn)回波間高精度的延時具有電路簡單、功能強、修改方便和可靠性高等優(yōu)點。VIRTEX-II系列FPGA器件有4～12個數(shù)字時鐘管理器DCM，每個DCM都提供了應(yīng)用范圍廣、功能強大的時鐘管理功能。如時鐘去時滯、頻率合成及移相等。它利用延時鎖定環(huán)DLL，消除時鐘焊盤和內(nèi)部時鐘引腳間的擺動，同時它還提供多種時鐘控制技術(shù)，實現(xiàn)時鐘周期內(nèi)任意位置的精確相位控制，非常適合時序微調(diào)應(yīng)用，對設(shè)置和保持時序?qū)?zhǔn)非常關(guān)鍵。
DCM相移具有可變相移和固定相移兩種模式。設(shè)計中，由于延時量由用戶外部輸入提供，故采用可變相移模式。在可變相移模式中，用戶可以動態(tài)地反復(fù)將相位向前或向后移動輸入時鐘周期的1／256�？勺兿嘁颇Ｊ街�，相移控制針如表1所示。當(dāng)PSEN信號有效，則相移值可以由與相移時鐘PSCLK同步的PSINCDEC信號決定動態(tài)地增加或減少，本設(shè)計中相移時鐘由輸入時鐘提供。PSDONE輸出信號與相移時鐘同步，它輸出一個相移時鐘周期的高電平表示相移已經(jīng)完成，同時表示一個新的相移可以開始。輸入時鐘經(jīng)過DCM移相電路移相后，得到所需延時之后的時鐘輸出。將該輸出時鐘作為雙口RAM讀出數(shù)據(jù)時地址發(fā)生器·的觸發(fā)時鐘及雙DA進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時鐘輸入，便可以實現(xiàn)回波信號的精確延時。
表1 相移控制針
如前所述，毫米波多目標(biāo)信號產(chǎn)生的關(guān)鍵是實現(xiàn)回波信號之間極高的距離分辨率。本文采用FPGA提供精確時延實現(xiàn)多目標(biāo)信號產(chǎn)生的方法，為系統(tǒng)調(diào)試提供了極為有效的手段。設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法，采用硬件描述語言VHDL完成DCM移相、狀態(tài)機(jī)控制及參數(shù)輸入三大功能模塊的設(shè)計輸入。DCM的相移模式為可變相移模式。根據(jù)用戶輸入的所需延時量，在-64~+64之間取一個整數(shù)相移值，通過時鐘選擇器選擇用CLK0、CLKl80實現(xiàn)0~10ns的多種時延。
DCM工作在可變相移模式，因此對其移相操作的控制相對復(fù)雜。數(shù)字電路常用的控制單元有狀態(tài)機(jī)及時序電路、狀態(tài)機(jī)實現(xiàn)控制等優(yōu)化設(shè)計。采用狀態(tài)機(jī)編輯器，用戶不用自己寫HDL代碼，只要輸入功能塊的狀態(tài)機(jī)圖表描述，編輯器就可以自動生成與此描述相對應(yīng)的HDL代碼，使設(shè)計變得異常靈活方便。狀態(tài)機(jī)的主要功能是產(chǎn)生DCM的PSEN輸人信號，控制DCM的相移操作，同時給出相移完成提示信號PSSUCCEED。
狀態(tài)機(jī)如圖2所示，共有6個狀態(tài)。本系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移與輸入時鐘同步。在系統(tǒng)復(fù)位后，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)狀態(tài)1，用戶輸入所需要的相移量，給出開始相移信號后，狀態(tài)機(jī)接收到DCM鎖定及開始相移信號，便檢測輸入的相移量是否為0。如果為0，狀態(tài)機(jī)直接進(jìn)入末狀態(tài)；如果相移量不為0，則進(jìn)入狀態(tài)2，并對PSEN賦一個相移時鐘周期的高電平，使DCM進(jìn)行一次相移；當(dāng)相移時鐘上升延到達(dá)，則無條件轉(zhuǎn)入狀態(tài)3，直到DCM的PSDONE輸出變?yōu)?，狀態(tài)3進(jìn)入狀態(tài)4，并再給PSEN賦一個相移時鐘周期的高電平。相移時鐘上升延到達(dá)后，狀態(tài)4五條件轉(zhuǎn)入狀態(tài)5；如果相移未達(dá)到所需要的值，則狀態(tài)5進(jìn)人狀態(tài)2，直到相移值達(dá)到所需的值后，狀態(tài)5進(jìn)入末狀態(tài)6，PSSUCCEED輸出變?yōu)楦唠娖健?/p>
3 仿真結(jié)果
設(shè)計中采用仿真工具ACTIVE-HDL 5．1軟件對系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真及布局布線之后的后仿真，圖3、圖4、圖5是使用該軟件對產(chǎn)生時鐘延時部分進(jìn)行功能仿真的部分仿真結(jié)果。輸入時鐘CLK頻率為50MHz，其中RESET為系統(tǒng)復(fù)位信號，DELAYIN為需要的十六進(jìn)制的延時輸入，START為啟動時鐘延時操作信號，CLKOUT為輸出時鐘，LOCKED為DCM鎖定信號，CLK0為DCM的CLK0輸出。PSSUCCEED輸出表示用戶所需要的延時操作已完成，高有效。當(dāng)不對時鐘進(jìn)行延時，則輸出時鐘沿完全與輸入時鐘沿同步，如圖3所示，顯示整個移相操作完成后，輸入輸出時鐘沿處在同一時間點1030ns處。圖4所示為對時鐘進(jìn)行2ns延時的仿真結(jié)果，顯示整個移相操作完成后，輸入時鐘沿在4150ns處時，輸出時鐘沿在4152．053ns處，且輸出時鐘選擇CLK0。圖5所示為對時鐘進(jìn)行6ns延時的仿真結(jié)果，顯示整個移相操作完成后，輸入時鐘沿在7150ns處時，輸出時鐘沿在7156．037ns處，且輸出時鐘選擇CLKl80。
通過以上仿真結(jié)果證明這種方法能夠精確實現(xiàn)各種時延，其延時精確到了0．1ns。該延時體現(xiàn)在雙DA的轉(zhuǎn)換時鐘上，則由雙DA轉(zhuǎn)化得到的模擬信號之間也會相應(yīng)地產(chǎn)生各種時延。該多目標(biāo)信號產(chǎn)生的設(shè)計方法已在實際雷達(dá)模擬器中得到應(yīng)用，此方法對于其它類似的應(yīng)用場合也具有很好的實際參考價值。
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