- 相關推薦
基于FPGA的毫米波多目標信號形成技術的研究
摘要：毫米波多目標信號形成是實現(xiàn)毫米波雷達模擬器的關鍵技術，要求目標分辨精度高、時延差值達ns級是其顯著特點。介紹一種基于可編程邏輯器件FPGA的多目標信號產(chǎn)生的新方法。實踐結(jié)果表明應用FPGA實現(xiàn)目標之間的延具有延時精度高、系統(tǒng)可靠性好等特點。近年來，精確制導武器的研制已經(jīng)成為現(xiàn)代武器研制的一大熱點，而毫米波多目標信號發(fā)生器正是精確制導武器研制的關鍵手段。毫米波多目標信號發(fā)生器通過模擬的方法產(chǎn)生多種類型高精度的雷達多目標回波信號，在實際雷達系統(tǒng)前端不具備的條件下對雷達系統(tǒng)后級進行調(diào)試，便于制導武器的性能測試，大大加快新武器的研制進程。毫米波多目標信號產(chǎn)生的關鍵是要求回波信號距離分辨率極高，常規(guī)的多目標信號產(chǎn)生方法如使用數(shù)字延時線產(chǎn)生多目標之間的延時，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計的復雜度。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)生毫米波雷達模擬器的多目標信號的方法，針對毫米波多目標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．標信號間精確延時的設計方法。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，具有很好的工程應用價值。
1 多目標信號產(chǎn)生器
為了精確制導武器研制的需要，本信號發(fā)生器根據(jù)外部設定的工作方式及工作參數(shù)產(chǎn)生相應的毫米波雷達中頻多目標信號。每個脈沖的開始保持嚴格的初相值，脈沖寬度間的多普勒信號調(diào)制要求回波目標信號相一致，目標之間的距離分辨率為0．3m，目標回波間延時范圍為0~10ns。整個系統(tǒng)基于DSP FPGA結(jié)構(gòu)，高速DSP主要生成多目標信號產(chǎn)生器的回波數(shù)據(jù)，設計中采用靜態(tài)RAM擴充存儲一個相干區(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控制。圖1所示為多目標信號發(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)，然后進行正交調(diào)制得到毫米波雷達模擬器多目標中頻信號。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。
回波信號包括目標信號、噪聲和雜波信號兩部分。利用回波數(shù)學方程考慮目標雜波特性以及隨機噪聲，產(chǎn)生運動目標的多普勒回波信號的數(shù)學方程為：
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。設計中，將雙DA轉(zhuǎn)換時鐘之間應用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地產(chǎn)生了0、2、4、6、8和10ns的延時。從而達到了模擬出的兩路回波之間的延時范圍為0~10ns， 目標之間達到0．3m的距離分辨率的設計要求。
2 多目標信號間高精度高可靠性延時的設計與實現(xiàn)
多目標信號各目標回波之間的距離體現(xiàn)在回波之間的時延上，多目標信號產(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，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)應用，對設置和保持時序?qū)史浅ｊP鍵。
DCM相移具有可變相移和固定相移兩種模式。設計中，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PSEN信號有效，則相移值可以由與相移時鐘PSC
【基于FPGA的毫米波多目標信號形成技術的研究】相關文章：
基于EDA技術的FPGA設計03-18
基于分布式算法和FPGA實現(xiàn)基帶信號成形的研究03-18
基于最大熵法的汽車毫米波雷達信號的處理03-07
基于FPGA的快速傅立葉變換03-19