CN106501779B - 一种基于sca的软件化lpi雷达信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法，X86上位机系统对LPI雷达产生信号参数进行设置，将控制命令下发至DRFM板卡和基带处理板卡；DRFM板卡和基带处理板卡进行分解，由DSP将参数信息传送至FPGA1，再由FPGA1解串后传送至FPGA2中；根据配置的参数，在FPGA2中生成参数可配置的DDS模块，通过更改参数控制字使DDS模块输出满足X86上位机配置参数的中频信号数字量去驱动DRFM板卡上的DAC1和DAC2，从而输出LPI雷达中频300MHz模拟信号；将DRFM板卡输出的中频300MHz模拟信号经过微波前端后上变频至8‑18GHz频段中设定的射频，并由发射天线将LPI雷达射频信号辐射出去。本发明在无需关机掉电的情况下即可实现不同系统功能之间的切换与加载，满足可重构系统功能的需求。

Description

一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法

技术领域

本发明涉及的是一种雷达信号产生方法。

背景技术

雷达作为现代军用、民用生活不可或缺的设备，主要完成对目标的距离、速度、角度等信息的检测与测量。低截获概率(Low probability of interception，LPI)雷达是指雷达在一定距离上可以发现目标，而目标的截获接收机不能发现或者发现雷达的概率很低的雷达。LPI雷达往往在保证作用距离情况下，降低发射机发射的峰值功率，采用大时宽、带宽积信号，典型的LPI雷达信号包括了线性调频信号、相位编码信号等。

软件通信构架(Software Communication Architecture)为软件定义无线电提供了一种规范，是软件无线电技术实现的标准化。目前软件化雷达逐步成为雷达技术领域的研究热点，将LPI雷达信号产生方法按照SCA标准进行设计是解决软件化雷达相关技术领域的有效方法。

在LPI雷达信号产生技术方面，文献《基于DDS的宽带雷达信号产生技术研究》和《基于DDS+倍频的宽带LFMCW雷达信号产生设计》均是基于DDS技术实现了宽带雷达信号产生方面的研究，其设计理念依然围绕FPGA实现开展，不满足SCA标准的软件化可重构配置的功能特点；专利《一种超宽带雷达信号产生合成装置》和《一种超宽带多模式雷达信号产生方法及装置》，亦不具备软件化可重构配置的特点。专利《基于SCA架构的软件无线电设计方法与综合业务处理平台》尽管采用了SCA设计思路，但不涉及LPI雷达信号产生装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供更具功能可重构性和设计灵活性的一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法，其特征是：

(1)X86上位机系统对LPI雷达产生信号参数进行设置，将控制命令通过PowerPC板卡下发至DRFM板卡和基带处理板卡；

(2)DRFM板卡和基带处理板卡根据接收到的LPI雷达信号参数进行分解，由DSP将参数信息传送至FPGA1，再由FPGA1解串后传送至FPGA2中，完成LPI雷达信号产生模块的参数配置；

(3)根据配置的参数，在FPGA2中生成参数可配置的DDS模块，通过更改参数控制字使DDS模块输出满足X86上位机配置参数的中频信号数字量去驱动DRFM板卡上的DAC1和DAC2，从而输出LPI雷达中频300MHz模拟信号；

(4)根据X86上位机配置的射频参数去控制微波前端，将DRFM板卡输出的中频300MHz模拟信号经过微波前端后上变频至8-18GHz频段中设定的射频，并由发射天线将LPI雷达射频信号辐射出去。

本发明还可以包括：

1、步骤(2)中DSP作为主控CPU将X86上位机下达的参数分解后送到FPGA1中，并由FPGA1通过CPCI接口传至FPGA2中，在FPGA2中完成LPI雷达信号产生模块的数字化处理，具体处理过程如下：

(a)根据FPGA2接收到的配置参数信息，产生M路并行数字信号

(b)对产生的M路并行数字信号进行M点复数IDFT运算，输入信号与输出信号对应关系：

(c)对M点复数DFT模块输出的M路信号Y₀(Z)，Y₁(Z)，……Y_M-1(Z)进行多相滤波，M路多相滤波器传递函数分别为其中D为内插因子，输入信号与输出信号对应关系：

(d)对多相滤波输出的M路信号Y’₀(Z)，Y’₁(Z)，……，Y’_M-1(Z)进行D倍内插，得到内插后M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)，输入信号与输出信号对应关系：

(e)对内插后M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)分别进行时延处理，其M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)对应的时延分别为Z^-0，Z^-1，……，Z^-(M-1)，得到M路时延后输出信号输入信号与输出信号对应关系：

(f)对时延后的M路信号进行叠加合成得到最终的输出信号Y(Z)，

2、当M＝2ⁿ时，M点复数DFT运算用M点FFT运算替代，n为正整数。

本发明的优势在于：本发明采用了符合SCA标准的软件化设计思路，全部LPI雷达信号产生软件化功能模块在FPGA内部实现，以全数字化方法实现了大瞬时带宽LPI雷达信号产生。满足SCA标准的软件化LPI雷达信号产生方法，在不同系统功能及技术指标改变的基础上，只需要更改PowerPC软件化波形建模即可在不掉电的情况下动态加载FPGA和DSP的可执行文件，适应不同系统需求。本发明具有符合软件通信体系构架标准、系统功能可重构性强的特点，并具有较强的通用性，适用于软件化雷达系统应用。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明的基带处理板卡+DRFM板卡结构示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明FPGA内部LPI雷达信号产生模块实现框图；

图5为本发明DRFM板卡输出中频300MHz的线性调频信号；

图6为本发明微波前端输出射频13.5GHz的线性调频信号。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-6，基于SCA的软件化LPI雷达信号产生装置包括：发射天线101、微波前端102、DRFM板卡103、基带处理板卡104、PowerPC板卡105、X86上位机系统106和CPCI母板107。其中，发射天线101、微波前端102、DRFM板卡103、基带处理板卡104、PowerPC板卡105、X86上位机系统106通过CPCI母板107进行数据通信、指令传达。

发射天线101覆盖频率范围为8-18GHz。

微波前端102为一通道发射微波前端，内部采用了超外差结构三次上变频。其中，第一级输入信号中频300MHz(带宽500MHz)与2.3GHz固定本振信号进行混频、滤波后得到2GHz信号(带宽500MHz)；第二级2GHz信号与10-16GHz的本振信号混频到8-18GHz信号(带宽500MHz)。

DRFM板卡103上的FPGA作为主要的数字处理单元，完成LPI雷达信号产生模块，输出中频300MHz信号给微波前端102。

基带处理板卡104上的DSP作为主要的数字处理单元，采用TI公司TMS320C6678D多核处理器，完成上位机指令的传达与FPGA参数的主控。

PowerPC板卡105采用了Freescale公司MPC8572双核处理器，用于信号处理和总线控制管理，PowerPC实时控制单元是SCA平台的控制核心，其上运行SCA操作环境。

X86上位机系统106主要实现人机交互界面，通过千兆以太网和PowerPC主控板通信，用于命令字和数据传输；同时运行SCA建模环境，负责LPI雷达信号产生系统的SCA建模、管理、调度、资源分配、波形部署和参数配置等。

CPCI母板107遵循64bit/33MHz CPCI总线规范，实现机箱内基带板卡间的数据传输等。

图2给出了本发明的基带处理板卡+DRFM板卡结构框图，LPI雷达信号产生相关信号处理主要在基带处理板卡+DRFM板卡上完成。

基带处理板卡主要包括了Xilinx公司的XC6VLX240T FPGA1和TI公司的TMS320C6678D多核DSP处理器，XC6VLX240T和TMS320C6678D之间采用RapidIO接口进行数据通信，采用GPIO接口实现信号控制；TMS320C6678D与外界的通信接口方式为PCIE接口；XC6VLX240T FPGA1与DRFM板卡FPGA2之间采用CPCI接口。

DRFM板卡主要包括了一片Xilinx Virtex-6FPGA2、两片DAC芯片AD9736、一个50MHz时钟晶振、一个时钟锁相环芯片AD9516。其中，FPGA2通过CPCI接口接收基带处理板卡输入的LPI雷达信号配置参数信息，在FPGA2内部完成LPI雷达信号产生模块，输出14bit数字信号及控制信号给DAC1和DAC2使其输出端口A和输出端口B分别输出两路模拟300MHz中频信号；一个CLOCK50MHz晶振为FPGA2提供参考时钟输入；FPGA2通过SPI接口去配置一个时钟锁相环芯片AD9516，使其提供一个1.2GHz的采样时钟给DAC1和DAC2，AD9516的参考时钟来自外部时钟输入SYS_CLK。

结合图3，一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生装置及方法，其LPI雷达信号产生方法的具体步骤如下：

步骤1：X86上位机系统对LPI雷达产生信号参数进行设置，将控制命令通过PowerPC板卡下发至DRFM板卡和基带处理板卡。其中，以线性调频信号为例，X86上位机系统进行参数设置时，发射参数包括了线性调频斜率、起始频率、脉冲宽度、脉冲重复周期等，微波前端控制参数包括了射频输出频率、最大输出功率等。

步骤2：DRFM板卡和基带处理板卡根据接收到的LPI雷达信号参数进行分解，由DSP将参数信息传送至FPGA1，再由FPGA1解串后传送至FPGA2中，完成LPI雷达信号产生模块的参数配置；

步骤3：根据配置的具体参数，在FPGA2中生成参数可配置的DDS模块，通过更改参数控制字使DDS模块输出满足X86上位机配置参数的中频信号数字量去驱动DRFM板卡上的DAC1和DAC2，从而输出LPI雷达中频300MHz模拟信号；

步骤4：根据X86上位机配置的射频参数去控制微波前端，将DRFM板卡输出的中频300MHz模拟信号经过微波前端后上变频至8-18GHz频段中设定的射频，并由发射天线将LPI雷达射频信号辐射出去。

结合图4，一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生装置及方法，其核心处理单元是利用了DRFM板卡上的FPGA2和基带处理板卡上的DSP，其中DSP作为主控CPU将X86上位机下达的参数分解后送到FPGA1中，并由FPGA1通过CPCI接口传至FPGA2中，在FPGA2中完成LPI雷达信号产生模块的数字化处理，具体处理过程如下：

步骤1：根据FPGA2接收到的配置参数信息，产生M路并行数字信号

步骤2：对产生的M路并行数字信号进行M点复数IDFT运算，其中当M＝2ⁿ(n为正整数)时，M点复数IDFT运算可以用M点IFFT运算替代，提高了运算速度；输入信号与输出信号对应关系：

步骤3：对M点复数DFT模块输出的M路信号Y₀(Z)，Y₁(Z)，……Y_M-1(Z)进行多相滤波，M路多相滤波器传递函数分别为其中D为内插因子，输入信号与输出信号对应关系：

步骤4：对多相滤波输出的M路信号Y’₀(Z)，Y’₁(Z)，……，Y’_M-1(Z)进行D倍内插，得到内插后M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)，输入信号与输出信号对应关系：

步骤5：对内插后M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)分别进行时延处理，其M路信号Y″₀(Z)，Y″₁(Z)，……，Y″_M-1(Z)对应的时延分别为Z^-0，Z^-1，……，Z^-(M-1)，得到M路时延后输出信号输入信号与输出信号对应关系：

步骤6：对时延后的M路信号进行叠加合成得到最终的输出信号Y(Z)_，

图5为本发明的DRFM板卡输出中频300MHz的线性调频信号，通过对X86上位机系统进行发射参数设置，可以对本发明中具体实施的内容进行测试，其中发射信号类型为线性调频信号，调制斜率为16MHz/us，起始频率为260MHz，脉冲宽度5us，脉冲重复周期200us；

图6为本发明的微波前端输出射频13.5GHz的线性调频信号，通过对X86上位机系统进行微波通道参数设置，可以对本发明中具体实施的内容进行测试，其中射频输出频率为13.5GHz，输出功率为-20dBm。

本发明突出了SCA的软件化设计思想，用户可以针对不同系统功能、参数要求的改变，提前完成底层功能软件的设计，在无需关机掉电的情况下即可实现不同系统功能之间的切换与加载，满足可重构系统功能的需求。

Claims (3)

1.一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法，其特征是：

(1)X86上位机系统对LPI雷达产生信号参数进行设置，将控制命令通过PowerPC板卡下发至DRFM板卡和基带处理板卡；

(2)DRFM板卡和基带处理板卡根据接收到的LPI雷达信号参数进行分解，由DSP将参数信息传送至FPGA1，再由FPGA1解串后传送至FPGA2中，完成LPI雷达信号产生模块的参数配置；

(3)根据配置的参数，在FPGA2中生成参数可配置的DDS模块，通过更改参数控制字使DDS模块输出满足X86上位机配置参数的中频信号数字量去驱动DRFM板卡上的DAC1和DAC2，从而输出LPI雷达中频300MHz模拟信号；

(4)根据X86上位机配置的射频参数去控制微波前端，将DRFM板卡输出的中频300MHz模拟信号经过微波前端后上变频至8-18GHz频段中设定的射频，并由发射天线将LPI雷达射频信号辐射出去。

2.根据权利要求1所述的一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法，其特征是：

步骤(2)中DSP作为主控CPU将X86上位机下达的参数分解后送到FPGA1中，并由FPGA1通过CPCI接口传至FPGA2中，在FPGA2中完成LPI雷达信号产生模块的数字化处理，具体处理过程如下：

(a)根据FPGA2接收到的配置参数信息，产生M路并行数字信号

(b)对产生的M路并行数字信号进行M点复数IDFT运算，输入信号与输出信号对应关系：

(c)对M点复数DFT模块输出的M路信号Y₀(Z)，Y₁(Z)，……Y_M-1(Z)进行多相滤波，M路多相滤波器传递函数分别为其中D为内插因子，输入信号与输出信号对应关系：

(d)对多相滤波输出的M路信号Y₀'(Z)，Y₁'(Z)，……，Y'_M-1(Z)进行D倍内插，得到内插后M路信号Y"₀(Z)，Y"₁(Z)，……，Y"_M-1(Z)，输入信号与输出信号对应关系：

(e)对内插后M路信号Y"₀(Z)，Y"₁(Z)，……，Y"_M-1(Z)分别进行时延处理，其M路信号Y₀"(Z)，Y₁"(Z)，……，Y"_M-1(Z)对应的时延分别为Z^-0，Z^-1，……，Z^-(M-1)，得到M路时延后输出信号输入信号与输出信号对应关系：

(f)对时延后的M路信号进行叠加合成得到最终的输出信号Y(Z)，

3.根据权利要求2所述的一种基于SCA的软件化LPI雷达信号产生方法，其特征是：当M＝2ⁿ时，M点复数DFT运算用M点FFT运算替代，n为正整数。