CN105302225B - 一种模拟雷达回波中频信号的产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，首先产生正弦信号，将正弦信号与一恒定直流相加并设置初始幅值得到载波信号，同时产生钟形信号作为调制信号，然后将调制信号和载波信号相乘后经DA、滤波得到波形。

Description

一种模拟雷达回波中频信号的产生方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，涉及一种产生雷达信号处理接收机所需要的模拟回波中频信号的方法。

背景技术

信号源在应用于雷达信号处理时作为必要的测试前端有着广泛且重要的作用，通常采取的方案是采用专用的函数信号发生设备产生标准的正弦波、方波或者调制波，这种方式易于操作且失真小，问题在于受固定设备或设备能力所限，无法根据一些特定的需求调整波形且信号参数的调整有一定范围限制。

在着眼于取代固定设备的涉及特定波形发生器特别是基于FPGA的信号产生方法的相关发明中，DDS技术运用较多，虽然采用的DDS系统结构或许不一，但是原理大致相同，先是对所需波形采样，量化后作为查找表存储，读出后经DA模拟输出，将波形重新合成出来，得到各种波形。从目前可见的信号发生器、波形发生器、雷达中频信号产生方法等文献中均可看到。类似的方法都能实现对不同波形的简单需求，但是存在不能适应雷达信号处理的特定需要的问题，具体体现在波形不符合要求，频率不能达到所指定的范围，以及缺少同步信号而无法产生可变的目标距离参数等问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种回波信号源以实现模拟雷达回波中频信号的设计方法，使雷达信号处理前端轻便易用且成本低，产生的模拟回波信号满足特定的雷达信号处理需要且具备波形可变、参数可调并且具有同步信号等优势，以解决目前采用专用信号发生器存在的波形、参数调节受限及信号产生方法中存在的波形不适用、不可变、频率不匹配、缺少同步信号等无法满足雷达信号处理板测试的特定需要等问题。

技术方案

一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、产生载波信号和调制信号：

产生载波信号：将正弦函数波形的N个幅值存成列表，将列表转化为DDS中ROM调用的查找表文件，ROM调用查找表文件后再经DA、滤波输出正弦信号：

u(t)＝cos(2πf_ct)

载波信号的频率ω_c＝2πf_c，通过改变幅值点数N对载波频率ω_c进行调整：

其中f_clk为时钟频率，n为倍频数；

将正弦波与一恒定直流相加并设置初始幅值A₀得到载波信号：

c(t)＝A₀(1+cosω_ct)

产生调制信号：将sinc函数波形的M个幅值存成列表，将列表转化为DDS中ROM调用的查找表文件，ROM调用查找表文件后再经DA、滤波输出调制信号：

m(t)＝sinc(x)

调制信号的频率ω_m根据下式计算：

其中，T_s是雷达扫描周期，p是一个扫描周期所要求包含的调制信号个数；

步骤2：将调制信号和载波信号相乘后经DA、滤波得到波形S(t)：

S(t)＝A(t)(1+cosω_ct)

其中A(t)＝A₀m(t)，通过改变其中m(t)的系数A₀或者对S(t)进行逻辑移位实现幅值调整；

步骤3：每个T_s保留第一个钟形调制波，去掉后面p-1个钟形波，得到雷达回波中频信号。

所述的N为1024。

所述的M为1024。

有益效果

本发明提出的一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，采用信号处理板来产生模拟雷达中频回波信号，较之体量庞大且昂贵的信号源设备来说，具有体积轻便、配置灵活、可依据下位机的信号处理要求及时调整参数等特点；而这套模拟回波中频信号的方法，对于雷达信号处理板需要前端信号源具有可变的波形、可实现不同测距范围等定制方案提供了可能，比如要设置成某一中频频段的钟形波信号，而对于不同硬件的可移植更使其可广泛适用于各种平台。示波器测得的最终输出波形证明该方案是合理且完全可行的。

附图说明

图1是中频回波信号顶层设计流程图

图2是算法流程图

图3是DDS设计原理图

图4是已调制的波形

图5是每个间隔里只包含一个钟形调制波的波形

图6是中频回波信号与同步脉冲示意图

图7是DDS的RTL电路图

图8是产生调制中频信号的RTL电路图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1、回波信号顶层模型的设计

搭建模拟中频回波信号的顶层模型。设计流程图如图1所示。考虑到雷达信号处理所需的特定波形，设计模拟中频回波信号为AM调制信号。AM调制的模型可表示为：

S(t)＝A(t)(1+cosω_ct)

2、算法设计

采用结构算法，自顶向下将顶层模型分为载波信号模型与调制信号模型，其中载波模型可采用DDS产生的固定频率的正弦波与一直流相加构成；调制信号模型可采用DDS产生的某一频率的依照雷达信号处理接收机需要的特定波形与一系数相乘形成。二者的输出再做一次相乘叠加的处理，输出经DA、滤波即得到调制后的波形。算法流程图如图2所示。

3、DDS的设计

DDS(Direct Digital Synthesizer直接数字式频率合成器)的设计是产生调制信号、载波信号及同步脉冲信号的基础，DDS设计过程为：

从顶层设计分频/倍频模块、计数模块和ROM(固化的软件)。分频/倍频模块根据系统参数分频或倍频提供电路的工作时钟；计数模块通过计数并设置溢出值控制地址的偏移；定制ROM，用来调用波形数据的查找表，其输出就是DDS的输出波形；

设计Rom查找表，即波形的存储文件，点数根据所需频率或其他参数决定，点数少时可直接做表格输入幅值，点数多时可采用软件对事先生成的波形采点，将每一点的幅值进行表格形式的存储；

配置ROM对查找表文件的调用。调用过程为：以计数模块做相位累加，相位累加器中的寄存器在分频后的每个脉冲到来时会有一个输出，利用该输出作为波形存储文件的地址值，进行相应地址下余弦波幅值的查找。相位累加器中的寄存器溢出一次，则表示完成了一个周期余弦波的输出。

DDS设计过程的原理图如图3所示。

4、载波信号的设计

载波模型可表示为：

c(t)＝A₀(1+cosω_ct)

在DDS的设计过程(2)中，对正弦信号cosω_ct的波形进行N点采样，取各点幅值列表存储为查找表文件，则ROM调用查找表文件后，再经DA、滤波输出即为所需的正弦波。以这一输出作为中频载波。在这一步可以对载波频率ω_c进行调整，实现频率可调。频率调整可以通过改变图3中的时钟CLK或者改变点数N实现。

5、调制信号的设计

调制信号模型可表示为：

m(t)＝sinc(x)

在DDS的设计过程(2)中，对调制信号sinc函数波形进行N点采样，取各点幅值列表存储为查找表文件，则ROM调用查找表文件后再经DA、滤波输出钟形波。对钟形波作坐标变换以这一输出作为调制信号。在这一步可以对信号幅值m(t)进行调整，实际上即完成了波形可调。幅值调整可以通过改变m(t)的系数或者对第二层乘法运算的输出结果进行左移右移实现；波形变换可以通过改变DDS的波形实现。

6、模拟雷达中频回波信号的产生

将4、5的结果嵌入1的模型，即以4和5的输出分别作为2中FPGA第一层的相乘叠加跟求和叠加的输入，经FPGA输出、DA、滤波最终输出经调制的钟形波，输出结果可用示波器测量，波形如图4所示。

调整调制信号的频率ω_m，方法为对ω_m进行p分频，使之满足

T_s是雷达扫描周期，p是一个扫描周期所要求包含的钟形波个数。保留每段时间间隔T_s里的第一个钟形调制波，去掉后面p-1个钟形波，最终输出时间间隔为秒、每个间隔里只包含一个钟形调制波的模拟雷达中频回波信号，如图5所示。这就是雷达接收机信号处理模块所需要的信号，可用于信号处理、测距等等，最后转化为雷达扫描结果。

7：同步脉冲的设计及中频回波信号的同步

可用硬件语言直接程序输出经DA、滤波生成方波信号波形，也同样可以用软件对方波各点幅值采样后列表存储为查找表文件再由ROM调用输出。这一输出与步骤6的信号并行输出以作为其参考信号。改变同步脉冲与回波信号的相对间隔R₀，可调整雷达信号处理板测试的目标距离，实现中频回波信号的同步。设计原理如图6所示。

图6中，τ为信号处理机发送的方波脉冲脉宽；A为回波信号幅度；t₀表示第一个回波信号的峰值时刻，R₀可通过计算表征回波距离，计算模型为

L＝c×R₀/2

其中L为被测目标距离，c为光速。

优选方案：

步骤1采用AM调制方式并不是唯一的，根据特定需要当然可以选择比如FM、线性调频、4QPSK等更复杂的调制方式；

步骤1选用的通用调制模型是易于实现的，但是若限定其中的载波为中频信号，调制信号为钟形波，则最终得到的中频调幅钟形波为特有的针对雷达信号处理的设计，这一点是现有的固定设备都做不到的；

步骤4现已可以采用软件自带的IP核做NCO，区别就在于后者实现简便，但前者能做到对波形的任意定制，这对于本发明是特别针对雷达信号处理的应用是有实际意义的。

本发明可在任选适合的雷达信号处理开发板上实现，具体实现中参数以至波形均可依据开发测试需要来调整，并不局限为以下的某些典型实现过程：

实施1：之所以采用AM调制这样的顶层模型，主要是所生成的波形更接近雷达信号处理对于信号源波形的特定需要。以载波与调制信号分别取为普通正弦波跟sinc函数为例，最终得到的就是所希望的首选波形。

实施2：整个算法采用FPGA来实现。在本发明中硬件选择的是FPGA信号处理开发板GN0204，但整套设计方法是具有广泛的适用性跟兼容性的，而并不仅局限于某一种硬件平台，基本上只需要满足图2所具备的基本架构，本方法都可实现。软件版本采用的是Altera公司的quartus II 10.1，程序采用verilog硬件编程语言编写。

实施3：DDS在FPGA中的具体设计过程如下。

step1：创建工程，建立sin_verilog.v文件，作为主文件。做顶层程序设计，向下分成分频、计数和ROM几个模块。前两者可用verilog程序编写，后者可以在quartusII软件中定制。

Step2：建立一个正弦波幅值存储文件sin_verilog.mif文件，以一个周期取1024个点为例，定义为1024*10bits大小。matlab中的一个余弦采样1024个样点，由于产生的1024个幅值点为有符号的小数，因此需要进行转换：首先，将1024个(-1,1)的幅值加1，转换为正数；另外，将第一步的结果乘以1023后取整，得到范围在(0,1023)的1024个幅值点。将1024个cos幅值点存入波形存储ROM中，并由.mif文件产生相应的数据文件，以便于元件例化。这里点数多时可采用matlab采点，点数少也可以在quartusII软件中直接生成。点数取得越多波形越平滑，但是适当减少点数可以提高频率。

Step3：配置ROM对mif的调用。配置过程如下。

频率控制字k为N＝10bits；相位累加器中的加法器，执行N比特加法；相位累加器中的寄存器，完成N比特数据的寄存。相位累加器中的寄存器在每个脉冲到来时会有一个输出，利用该输出作为step2中波形存储文件的地址值，进行相应地址下余弦波幅值的查找。相位累加器中的寄存器每溢出一次，则表示完成了一个周期余弦波的输出。图7为DDS实现后的RTL电路图。

实施4：用matlab对正弦信号cosω₀t的波形采1024个点，具体算法同实施2的step2，取各点幅值列表存储为.mif文件，ROM调用.mif文件后再经DA、滤波输出。在这一步可以对载波频率ω₀进行设置，例如通过改变点数使载波频率ω₀＝10MHz，即得到一个中频信号。

实施5：用matlab对sinc函数波形采1024个点，具体算法同实施2的step2，取各点幅值列表存储为.mif文件，则ROM调用.mif文件后再经DA、滤波输出。在这一步可以在程序中通过右移或左移对幅值A(t)进行2倍率的放缩。

实施6：将输出载波输入FPGA第一层的加法器，加法器的另一个输入设为常数1，保证幅值恒正；将输出调制信号输入FPGA第一层的乘法器，可通过设置乘法器的系数控制最终波形的幅值。整个调制电路的RTL电路图即图7所示。

实施7：图6中，A为回波信号幅度，可分四级，用于表示不同信号强度；t₀表示第一个回波信号的峰值时刻，R表征回波距离。例如，设定R₀＝200us，则代表回波距离为30km。若改为R₁＝100us，即表示目标距离变为15km；如幅值调为第二档，就说明此时测得的目标强度(比如降雨雨速)为第二级。

Claims (3)

1.一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、产生载波信号和调制信号：

产生载波信号：将正弦函数波形的N个幅值存成列表，将列表转化为直接数字式频率合成器DDS中ROM调用的查找表文件，ROM调用查找表文件后再经数字模拟转化DA、滤波输出正弦信号：

u(t)＝cos(2πf_ct)

载波信号的频率ω_c＝2πf_c，通过改变幅值点数N对载波频率ω_c进行调整：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>l</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>n</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </mrow>

其中f_clk为时钟频率，n为倍频数；

将正弦波与一恒定直流相加并设置初始幅值A₀得到载波信号：

c(t)＝A₀(1+cosω_ct)

产生调制信号：将sinc函数波形的M个幅值存成列表，将列表转化为直接数字式频率合成器DDS中ROM调用的查找表文件，ROM调用查找表文件后再经数字模拟转化DA、滤波输出调制信号：

m(t)＝sinc(x)

调制信号的频率ω_m根据下式计算：

<mrow> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>p</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>s</mi> </msub> </mrow>

其中，T_s是雷达扫描周期，p是一个扫描周期所要求包含的调制信号个数；

步骤2：将调制信号和载波信号相乘后经数字模拟转化DA、滤波得到波形S(t)：

S(t)＝A(t)(1+cosω_ct)

其中A(t)＝A₀m(t)，通过改变其中m(t)的系数A₀或者对S(t)进行逻辑移位实现幅值调整；

步骤3：每个T_s保留第一个钟形调制波，去掉后面p-1个钟形波，得到雷达回波中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，其特征在于所述的N为1024。

3.根据权利要求1所述的一种模拟雷达回波中频信号的产生方法，其特征在于所述的M为1024。