CN108089164A

CN108089164A - 一种宽带目标模拟器信号处理单元

Info

Publication number: CN108089164A
Application number: CN201711029950.7A
Authority: CN
Inventors: 吕昊
Original assignee: BEIJING AEROSPACE FUDAO HIGH-TECH CO LTD
Current assignee: BEIJING AEROSPACE FUDAO HIGH-TECH CO LTD
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2018-05-29

Abstract

本发明属于雷达射频仿真和雷达目标信号模拟测试技术领域，具体涉及一种提高了信号处理单元工作带宽的宽带目标模拟器信号处理单元。本发明包括模拟数字转换器、测频通道、直接数字控制器、延时模块、数字上变频器和数字模拟转换器，所述的模拟数字转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，测频通道测量数字中频信号的载频。本发明通过直接数字控制器对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取，将数字中频信号转换为数字基带信号即I/Q复信号，数字基带信号经延时模块进行主延时后，经数字上变频器DUC进行插值、滤波和正交混频，将数字基带信号转换为数字中频信号，提高了信号处理单元的工作带宽，并且可以生成多种体制雷达信号的模拟回波。

Description

一种宽带目标模拟器信号处理单元

技术领域

本发明属于雷达射频仿真和雷达目标信号模拟测试技术领域，具体涉及一种提高了信号处理单元工作带宽的宽带目标模拟器信号处理单元。

背景技术

随着雷达系统在各个领域的迅猛发展，所需处理的数据量也越来越大，而数据量增加的同时就必然会给硬件系统的存储、传输和处理效率带来很大负担，所以在进行处理之前首先需要对数据进行压缩，而进行数据压缩，就要在不丢失信息的前提下，缩减数据量以减少存储空间，提高其传输、存储和处理的效率，或者按照一定的算法对数据进行重新组织，减少数据的冗余和存储的空间。

宽带雷达目标模拟系统数字单元，主要由两通道宽带ADC(也可以合并为一个通道、构成一个更宽带的ADC)，一通道宽带DAC，两个高速大容量的FPGA，一个高速的DSP，大容量的SDRAM存储器(256Mbytes)和四个高速的外部LVDS扩展接口PCI或CPCI或HPI、1个McBSP接口、2路自定义接口(根据实际情况定义或选用)组成。数字单元中处理的雷达发射信号为一宽带线性调频信号，带宽设定为500MHZ，工控机中预先存储大量的目标特性参数，其数据量大于256MB，整个数字单元所要完成的功能是：

(1)将存储于工控机中的目标特性参数通过PCI接口传送到DSP中，由于PCI接口拥有33MHz的时钟速率，且数据总线为32位，因此在理论上二者间的数据传输速率最高可以为132MB/s，但在实际应用中这个速率并不可能达到，所以本次系统设计中工控机与DSP间的数据传输速率指标设定为100MB/s；

(2)由于DSP内存空间有限，不能存储大量的数据，因此在DSP片外扩展了一个容量为256MB的同步动态存储器(SDRAM)，当工控机中的数据传送到DSP中时，DSP将通过EMIF接口将这些数据传输到片外SDRAM中暂存，由于工控机是以100MB/s的速度传输到DSP中的，因此对于DSP向SDRAM中传输数据的速度至少要大于100MB/s；

(3)雷达发射信号经过A/D通道进行采样后通过四条并行总线发送到FPGA1中，为产生回波数据做准备；

(4)在雷达发射信号的采样数据进入FPGA1中时，其将与事先从SDRAM中传输过来的目标特性参数结合，并在FPFA1中进行一系列的复杂运算，得出含有发射信号频率信息的回波数据，并且传输到FPGA2中，其中SDRAM与FPGA1间的数据传输采用分段传输，当一次传输过来的数据处理完成之后再进行下一次的传输，针对SDRAM与FPGA1的连接方式以及两个器件本身的性质进行综合考虑，将二者的传输速率指标设定为200MB/s；

(5)由于实际中雷达与目标会有相对运动，因此会产生一个多普勒频移，FPGA2就完成将FPGA1传输过来的回波数据进行多普勒频率调制，从而得出含有多普勒频率的最终的回波数据；

(6)FPGA2将计算出来的含有多普勒频率的回波数据送入D/A通道中转化为模拟数据输出，实现目标模拟的目的。

通过上述分析可知，在雷达目标模拟器中，最核心的部分就是信号处理单元。随着现代高分辨雷达的输出带宽越来越大，雷达接收到的目标回波已经不再是点目标了，而是沿距离展开的距离像，因此宽带目标模拟器技术也需要进一步研究，特别是信号处理单元，需要具备模拟高分辨雷达目标回波信号的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高了信号处理单元工作带宽的宽带目标模拟器信号处理单元。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

一种宽带目标模拟器信号处理单元，模拟数字转换器(ADC)将模拟中频信号转换为数字中频信号，测频通道测量数字中频信号的载频，并根据数字中频信号的载频，设置直接数字控制器(DDC)的本振频率，直接数字控制器对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取，将数字中频信号转换为数字基带信号即I/Q复信号；数字基带信号经延时模块进行主延时后，被分为最多N+1个路径，其中N个路径用于模拟多散射点或多目标信号，另一个路径用于产生拖引信号；N个路径的多散射点或多目标信号进行叠加后，经数字上变频器DUC进行插值、滤波和正交混频，将数字基带信号转换为数字中频信号，数字中频信号经数字模拟转换器(DAC)转换为模拟中频信号进行输出。

所述的对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取的具体步骤包括：

设数字中频信号的时域表达式为：

将数字中频信号s(t)与复信号相乘，得到：

I路为同相分量，将s(t)与cos(ω₀t)相乘，低通滤波后输出为Q路为正交分量，将s(t)与sin(ω₀t)相乘，低通滤波后输出为

其中a(t)为数字中频信号的平稳信号，ω₀为数字中频信号的频率，t为数字中频信号的时域，为数字中频信号的相位信号。

所述的测频通道把瞬时带宽不大于50MHz的数字中频信号引导到窄带通道；计算步进频和捷变频信号的多普勒频率；设置脉内线性调频、脉间步进频信号的初相；所述的测频通道采用信道化测频接收机对落入1GHz通带内的数字中频信号测频，信道数M＝32，信道带宽为78.125MHz，对每个信道做1024点快速傅氏变换进行精测频，频率分辨率为76.3kHz，测频通道响应时间为250ns。

所述的模拟多散射点的具体步骤包括：

所述的N路信号，每一路都独立设置延时、衰减、多普勒频率和相移；用存储器进行延时，延时分辨率为6.4ns，最大延时为200μs；用乘法器实现衰减功能，衰减值的范围为0～1，步进为1/1024；把每路数据与多普勒频率发生器NCO做复数乘法，即多普勒频率的设置，多普勒频率发生器的频率调谐字为32位，工作时钟为156.25MHz，频率分辨率为156.25MHz/2^32＝0.036Hz；用数字射频存储器DRFM模拟每个回波脉冲的载波相位，计算每个脉冲的载波初始相位补偿值，把计算出的初始相位补偿值送给多普勒频率发生器的初始相位控制端，在多普勒频率发生器输出信号上附加了一个初始相位，经过多普勒调制，将多普勒频率和初始相位补偿值调制到数字基带信号上，完成相移。

所述的产生拖引信号的具体步骤包括：

对主延时后的数字基带信号加延迟和衰减，模拟距离拖引，经多普勒调制加入多普勒频率，模拟速度拖引；通过参数装定，完成前拖、后拖、线性拖引以及抛物线拖引；对于距离拖引和速度拖引，设计拖引时间计数器、停拖时间计数器和保持时间计数器；拖引时间计数器以拖引下界寄存器的值为初值开始计数，每次计数步进为拖引步进寄存器中的值，计到拖引上界寄存器的值时停止计数时，启动保持时间计数器，在保持时间内，拖引值保持在最后一刻的拖引计数器的计数值上；保持时间计数器计到保持时间寄存器的值时，将拖引值设为0，即为不拖引，同时启动停拖时间计数器，在停拖时间内，无拖引信号；拖引时间计数器、停拖时间计数器和保持时间计数器均为32位，计数时钟频率为156.25MHz，计数时钟周期为6.4ns，32位计数器计满的时间为27.49s。

本发明的有益效果在于：通过直接数字控制器对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取，将数字中频信号转换为数字基带信号即I/Q复信号，数字基带信号经延时模块进行主延时后，经数字上变频器DUC进行插值、滤波和正交混频，将数字基带信号转换为数字中频信号，提高了信号处理单元的工作带宽，并且可以生成多种体制雷达信号的模拟回波。

附图说明

图1为信号处理单元信号流图。

图2为IQ正交解调框图。

图3为测频通道原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明做进一步描述。

图1所示为所述信号处理单元的信号流图。本发明的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其数据处理步骤包括：ADC将模拟中频信号转换为数字中频信号。测频通道测量数字中频信号的载频，并利用测量结果，设置数字下变频器(DDC)的本振频率，对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取，将数字中频信号转换为数字基带信号(即I/Q复信号)。数字基带信号经延时模块进行主延时后，分成最多N+1个路径(本方案N＝8)，其中N个路径用于模拟多散射点或多目标信号，另一个路径用于产生拖引信号。每个路径均可独立设置延迟、衰减、多普勒频率和初相，N个路径叠加起来的信号，经数字上变频器(DUC)进行插值、滤波和正交混频，将基带信号转换为中频信号，数字中频信号经DAC转换为模拟中频信号输出。

下面详细介绍算法中各模块的设计。

正交混频

正交变频处理可以区分目标运动方向，如果回波信号仅通过一路解调得出的结果，其幅频谱是双边谱，双边谱不能区分正负频率，而正交解调后，可构成I+jQ的数据，此后再做得出的是单边谱，故能够区分正负频率。

设中频实信号的时域表达式如下：

将信号s(t)与复信号相乘，得到：

图2所示为IQ正交解调框图。

抽取和插值多相滤波

由于雷达信号的频率较高，系统的芯片采样率一般很高。而我们在中进行数字信号处理时，常常进行抽取或插值滤波处理，以便在系统技术指标允许的情况下，视其处理的需要及其自身的特征来降低或提高数据率。

测频模块

测频通道原理框图见图3。采用信道化测频接收机对落入1GHz通带内的信号测频，信道数M＝32，信道带宽为78.125MHz，对每个信道做N＝1024点FFT来精测频，频率分辨率为76.3kHz，满足测频精度要求。测频通道响应时间约为250ns。

测频通道也设计了一个脉冲包络检波电路，作为FPGA内步同步脉冲。

测频结果有如下3种用途：

用于把瞬时带宽不大于50MHz的中频信号引导到窄带通道；

用于步进频和捷变频信号的多普勒频率计算；

用于脉内线性调频、脉间步进频信号的初相设置。

多散射点模拟

N路信号，每一路都可以独立设置延时、衰减、多普勒频率和相移。用存储器实现延时，延时分辨率为6.4ns，最大延时为200μs。用乘法器实现衰减功能，衰减值的范围为0～1，步进为1/1024。把每路数据与多普勒频率发生器(复数多普勒NCO)做复数乘法，即实现多普勒频率调制。

多普勒NCO的频率调谐字为32位，工作时钟为156.25MHz，频率分辨率为156.25MHz/2^32＝0.036Hz。

当雷达信号波形为脉内线性调频、脉间步进频的合成高分辨信号时，辐射源与目标之间的距离产生回波延迟，由于每个脉冲的载频不同，回波延迟导致每个回波脉冲的载波相位不同，因此，需要数字射频存储器DRFM模拟每个回波脉冲的载波相位，模拟的方法是：计算每个脉冲的载波初始相位补偿值，把计算出的初始相位补偿值送给多普勒频率NCO的初始相位控制端，NCO输出信号就附加了一个初始相位，经过多普勒调制，即可将多普勒频率和初始相位补偿值调制到基带I/Q信号上。

在多散射点模拟时，可根据每个散射点的延迟，来计算每个散射点对应每个脉冲的载波初相。

拖引干扰

对主延时后的信号加延迟和衰减，用于模拟距离拖引信号，经多普勒调制加入多普勒频率，用于模拟速度拖引。

通过参数装定，可实现前拖、后拖、线性拖引以及抛物线拖引。

针对距离拖引和速度拖引，设计拖引时间计数器、停拖时间计数器和保持时间计数器。拖引时间计数器以拖引下界寄存器的值为初值开始计数，每次计数步进为拖引步进寄存器中的值，计到拖引上界寄存器的值时停止计数，此刻启动保持时间计数器，在保持时间内，拖引值保持在最后一刻的拖引计数器的计数值上。保持时间计数器计到保持时间寄存器的值时，将拖引值设为0，即为不拖引，同时启动停拖时间计数器，在停拖时间内，无拖引信号。3个计数器均为32位，计数时钟频率为156.25MHz，计数时钟周期为6.4ns，32位计数器计满的时间为27.49s，满足技术要求。

噪声干扰

噪声干扰发生器产生干扰带宽和干扰功率可控的噪声调频信号。PRN发生器采用循环移寄存器技术或查表方法产生伪随机噪声，用产生的伪随机噪声加中频载频的输出去控制干扰NCO的频率调谐字，伪随机噪声的幅度决定干扰带宽，NCO输出幅度决定干扰功率，这两个幅度均可配置，从而实现干扰带宽和干扰功率的控制。

干扰NCO的频率调谐字为32位，工作时钟为156.25MHz，频率分辨率为156.25MHz/2^32＝0.036Hz，频率设置范围可覆盖10～60MHz。

用乘法器实现衰减功能，衰减值的范围为0～1，步进为1/1024。

Claims

1.一种宽带目标模拟器信号处理单元，包括模拟数字转换器、测频通道、直接数字控制器、延时模块、数字上变频器和数字模拟转换器，其特征在于：所述的模拟数字转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，测频通道测量数字中频信号的载频，并根据数字中频信号的载频，设置直接数字控制器的本振频率，直接数字控制器对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取，将数字中频信号转换为数字基带信号即I/Q复信号；数字基带信号经延时模块进行主延时后，被分为最多N+1个路径，其中N个路径用于模拟多散射点或多目标信号，另一个路径用于产生拖引信号；N个路径的多散射点或多目标信号进行叠加后，经数字上变频器进行插值、滤波和正交混频，将数字基带信号转换为数字中频信号，数字中频信号经数字模拟转换器转换为模拟中频信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其特征在于，所述的对数字中频信号进行正交混频、滤波和抽取的具体步骤包括：

设数字中频信号的时域表达式为：

将数字中频信号s(t)与复信号相乘，得到：

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3.根据权利要求1所述的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其特征在于：所述的测频通道把瞬时带宽不大于50MHz的数字中频信号引导到窄带通道；计算步进频和捷变频信号的多普勒频率；设置脉内线性调频、脉间步进频信号的初相；所述的测频通道采用信道化测频接收机对落入1GHz通带内的数字中频信号测频，信道数M＝32，信道带宽为78.125MHz，对每个信道做1024点快速傅氏变换进行精测频，频率分辨率为76.3kHz，测频通道响应时间为250ns。

4.根据权利要求1所述的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其特征在于，所述的模拟多散射点的具体步骤包括：

所述的N路信号，每一路都独立设置延时、衰减、多普勒频率和相移；用存储器进行延时，延时分辨率为6.4ns，最大延时为200μs；用乘法器继续实现衰减功能，衰减值的范围为0～1，步进为1/1024；把每路数据与多普勒频率发生器NCO做复数乘法，即多普勒频率的设置，多普勒频率发生器的频率调谐字为32位，工作时钟为156.25MHz，频率分辨率为156.25MHz/2^32＝0.036Hz；用数字射频存储器DRFM模拟每个回波脉冲的载波相位，计算每个脉冲的载波初始相位补偿值，把计算出的初始相位补偿值送给多普勒频率发生器的初始相位控制端，在多普勒频率发生器输出信号上附加了一个初始相位，经过多普勒调制，将多普勒频率和初始相位补偿值调制到数字基带信号上，完成相移。

5.根据权利要求1所述的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其特征在于，所述的产生拖引信号的具体步骤包括：

6.根据权利要求4所述的一种宽带目标模拟器信号处理单元，其特征在于，所述的用乘法器继续实现衰减功能还包括：

用噪声干扰发生器产生干扰带宽和干扰功率可控的噪声调频信号；伪随机噪声发生器采用循环移寄存器技术或查表方法产生伪随机噪声，用产生的伪随机噪声加中频载频的输出控制干扰数字控制振荡器的频率调谐字，伪随机噪声的幅度确定频率调谐字的干扰带宽，数字控制振荡器输出幅度确定频率调谐字的干扰功率，伪随机噪声的幅度和数字控制振荡器输出幅度进行配置，完成干扰带宽和干扰功率的控制；干扰数字控制振荡器的频率调谐字为32位，工作时钟为156.25MHz，频率分辨率为156.25MHz/2^32＝0.036Hz，频率设置范围可覆盖10～60MHz；用乘法器将频率调谐字与N路信号的每一路进行融合实现衰减功能，衰减值的范围为0～1，步进为1/1024。