CN108627809A

CN108627809A - 一种基于fpga实时性雷达信号发生装置及调制方法

Info

Publication number: CN108627809A
Application number: CN201711294764.6A
Authority: CN
Inventors: 江浩洋; 黄维; 张明利; 张金林; 冯战奎
Original assignee: Wuhan Yu Hang Science And Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Yu Hang Science And Technology Co Ltd
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-10-09

Abstract

本发明涉及雷达数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA雷达信号发生装置、及调制方法，其不同之处在于：基于FPGA雷达信号发生装置包括用户设置界面、嵌入式模块、调制源产生模块、雷达信号模式模块、射频发射模块；基于FPGA雷达信号调制方法包括：A．获取多种调制源；B．对调制源进行调制产生多种模式的调制信号，其具体包括：脉宽调制信号的产生；重复周期调制信号的产生；线性调频调制信号的产生；非线性调频调制信号的产生；BPSK编码调制信号的产生；QPSK编码调制信号的产生。本发明产生的雷达调制源及雷达调制信号模式多样且实时性高。

Description

一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置及调制方法

技术领域

本发明涉及雷达数字信号处理技术领域，尤其涉及一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置及调制方法。

背景技术

目前，雷达的主要任务是探测和识别目标，当雷达发射波束触及到目标后，这个信号就会被反射回来，反射调制回来的信号简称回波信号，其实是对发射信号的调制，这时包含了目标的有用信息，最后对其信号处理可以得到目标信息；

雷达信号源的产生成为雷达研究领域的一个重要方面，现代雷达面临着综合电子干扰，反辐射导弹，低空和超低空突防和目标隐身技术等四大威胁，这就要求雷达有反地物，抗积极和消极干扰，反隐身和自身生存的能力，且要求发射不同带宽，脉宽，波形参数的信号；因此雷达信号产生器也相应具有宽频带，高稳定，便捷的可重复性和输出任意波形的能力。

宽带，稳定，多形式雷达信号对提高现有雷达的性能以及研制新一代高性能的雷达都具有十分重要的意义，不但增强雷达的抗干扰能力，能有效对付反辐射导弹，因此具有广泛地军事应用和民用前景；

鉴于此，为解决上述需求，提供一种新的基于FPGA实时性雷达信号发生装置及调制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置及调制方法，产生的雷达调制源及雷达调制信号模式多样且实时性高。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其不同之处在于，其包括：用于产生多种调制源的调制源产生模块；用于对调制源进行调制产生多种模式调制信号的雷达信号模式模块，所述雷达信号模式模块包括脉宽调制子模块、重复周期调制子模块、线性调频调制子模块、非线性调频调制子模块、BPSK编码调制子模块和QPSK编码调制子模块；和用于发射调制信号的射频发射模块。

按以上方案，所述装置还包括用于设置雷达信号相关参数的参数设置单元；用于实现人机交互、监控、管理的嵌入式模块。

本发明的技术方案为：一种基于FPGA实时性雷达信号调制方法，其不同之处在于，该方法包括：A．获取多种调制源；

B．对调制源进行调制产生多种模式的调制信号，其具体包括：脉宽调制信号的产生；重复周期调制信号的产生；线性调频调制信号的产生；非线性调频调制信号的产生；BPSK编码调制信号的产生；QPSK编码调制信号的产生。

按以上方案，所述步骤A中的调制源包括正弦波、三角波、锯齿波、方波，其中，正弦波通过FPGA中直接频率合成器DDS产生，三角波、锯齿波、方波通过计数器产生。

按以上方案，所述步骤B中产生脉宽调制信号的具体步骤为：在ARM中产生脉宽所需计数值N_pw= pw/T_Clk和调制周期所需计数值N_T= T/T_Clk，其中，pw为调制脉宽，T为调制周期，T_Clk为FPGA系统时钟周期；将N_pw、N_T配置给FPGA，FPGA产生一个计数器，在1~N_pw内释放相应调制信号，N_pw~N_T关闭释放信号，输出信号赋予0。

按以上方案，所述步骤B中的重复周期调制信号包括：重频参差、重频滑变、重频抖动；所述的重频参差、重频滑变及重频抖动三种方式的脉冲不变，重复周期变化；其中，对于重频参差：脉宽不变，重复周期在用户设定的几组重复周期内进行变化；对于重频滑变：脉宽不变，设定重复周期变化范围以及步进值T_step，在重复周期基础上按步进值T_step累加；对于重频抖动：脉宽不变，重复周期在用户设定的抖动范围内随机变化。

按以上方案，所述步骤B中线性调频调制信号包括连续波线性调频调制信号和脉内线性调频调制信号，产生线性调频调制信号具体步骤为：根据用户设定的中心频率Fc、调频带宽Fbw获得起始频点Fstart = Fc – Fbw/2，结束频点Fend = Fc + Fbw/2；将起始频点Fstart、结束频点Fend及用户设置的调频斜率Fk代入频率控制字=(F/DDS_clk)*2^32获得相应的频率控制字Fs_cw，Fe_cw，Fstep_cw并配置给FPGA，使用DDS来改变调制频率，以Fs_cw为起点，每个时钟周期步进 Fstep_cw，得到当前的频率控制字配置给FPGA的DDS，当频率控制达到Fe_cw后在回到Fs_cw重新开始，产生连续波线性调频调制信号；产生脉内线性调频调制信号与产生连续波线性调频调制信号原理相同，脉内线性调频调制信号在每个脉冲内频率进行线性变化。

按以上方案，所述步骤B中非线性调频调制信号包括连续波非线性调频调制信号和脉内非线性调频调制信号，非线性调频是将用户设定的中心频点Fc、调频带宽Fbw、脉冲宽度Ft代入窗函数得到相应的频点，转化成相应的频率控制字并写到FPGA的DPRAM中，在FPGA中依次循环重复读取DPRAM的相应频点信息并配置给DDS，产生连续波非线性调频调制信号；产生脉内非线性调频调制信号与产生连续波非线性调频调制信号原理相同。

按以上方案，所述步骤B中BPSK编码调制信号包括连续二相码调制信号、脉内二相码调制信号；BPSK编码是根据用户设定的码元宽度获取BPSK编码信号所对应的相位，所述相位包括0、pi，在DDS中对相位进行控制，产生连续二相码调制信号；产生连续二相码调制信号与产生脉内二相码调制信号的原理相同。

按以上方案，所述步骤B中QPSK编码调制信号包括连续四相码调制信号、脉内四相码调制信号；QPSK编码是根据用户设定的码元宽度获取QPSK编码信号所对应的相位，所述相位包括0、pi/2、pi、3*pi/2，在DDS中对相位进行控制产生连续四相码调制信号；产生连续四相码调制信号与产生脉内四相码调制信号原理相同。

由上述方案可知，本发明能支持多种调制源：正弦波、三角波、锯齿波、方波，支持多种雷达信号模式：常规脉宽调制、重复周期调制、调频（连续波线性调频、脉内线性调频、连续波非线性调频、脉内非线性调频）、调相（连续波二相码，脉内二相码，连续波四相码，脉内四相码），支持的调制源及雷达信号模式丰富多样，可以适应不同的需求和场景；同时，调制源和多种模式调制信号的产生均在FPGA中产生，并行运算，实时性高；进一步的，用户可以灵活的选择雷达调制源、雷达信号模式、以及各种参数，灵活性强。

附图说明

图1是本发明实施例中FPGA实现雷达信号编码调制的软件总体框图；

图2是本发明实施例中常规脉宽信号时域图；

图3是本发明实施例中LFSR编码结构图；

图4是本发明实施例中线性调频时域图；

图5是本发明实施例中非线性调频f(t)函数图；

图6是本发明实施例中相位编码时域图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的技术方案为一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置及一种基于FPGA实时性雷达信号调制方法；图1是本发明实施例中FPGA实现雷达信号编码调制的软件总体框图，基于FPGA实时性雷达信号发生装置主要由下面几个部分构成：参数设置单元，用户可以通过用户终端设置雷达信号源相关参数；嵌入式模块ARM，主要实现的功能有人机交互、和用户终端进行交互、监控和管理外围设备，包括FPGA；FPGA，FPGA实现雷达信号源编码，主要产生各种雷达信号调制源以及各种雷达信号模式；所述FPGA包括用于产生多种调制源的调制源产生模块，用于对调制源进行调制产生多种模式调制信号的雷达信号模式模块，和用于发射调制信号的射频发射模块；所述调制源产生模块产生的调制源包括正弦波、三角波、锯齿波、方波，具体选择哪一种可以通过用户界面设置；所述雷达信号模式模块，包括脉宽调制、调频调制、调相调制，其具体包括脉宽调制子模块、重复周期调制子模块、线性调频调制子模块、非线性调频调制子模块、BPSK编码调制子模块和QPSK编码调制子模块，具体选择哪种方式也是通过用户界面设置；产生的调制源送给雷达信号模式模块进行各种调制，进行调制后送给DAC转化成模拟信号，然后在经过射频发射模块的发送链路发射出去。

本方案方法主要讲的是FPGA实现雷达信号源编码部分，主要包括雷达调制源的产生、各种雷达信号模式的产生；

所述基于FPGA实时性雷达信号调制方法，其具体包括：A．获取多种调制源；B．对调制源进行调制产生多种模式的调制信号，其具体包括：脉宽调制信号的产生；重复周期调制信号的产生；线性调频调制信号的产生；非线性调频调制信号的产生；BPSK编码调制信号的产生；QPSK编码调制信号的产生；

所述步骤A中在FPGA调制源产生模块中产生的调制源包括正弦波、三角波、锯齿波、方波，正弦使用FPGA中直接频率合成器DDS来产生，中心频率通过ARM来配置给FPGA，ARM和FPGA之间通过Local Bus总线来实现通信；三角波、锯齿波、方波通过一个计数器来产生；请参考图2，本发明实施例中选择的调制源为正弦波。

所述步骤B对产生的调制源送给雷达信号模式模块进行各种调制，图2~图6是产生各种雷达信号模式的具体框图。

常规脉宽调制信号的产生步骤为：获取调制脉宽pw以及调制周期T通过用户终端设置下发给ARM，调制脉宽pw以及调制周期T能够自定义调整，调制周期也可称为重复间隔；在ARM中产生脉宽所需计数值N_pw= pw/T_Clk和调制周期所需计数值N_T= T/T_Clk，其中，T_Clk为FPGA系统时钟周期；将N_pw、N_T配置给FPGA，在FPGA内产生一个计数器，从1开始计数计到最大值N_T后再返回，在1~N_pw内释放相应调制信号，在发明实施例中，1~N_pw 等于正弦调制源，N_pw~N_T关闭释放信号，输出信号赋予0；重复进行最终得到图2所示常规脉宽信号时域图。

重复周期调制信号的产生步骤为：重复周期调制信号主要包括重频参差，重频滑变，重频抖动，三种方式都是脉宽不变，只是重复周期变化；1）对于重频参差：脉宽不变，用户终端会设置几组重复周期，重复周期在用户设定的几组重复周期内进行变化；例如设定脉宽为pw，重复周期设为5组分别为T0，T1，T2，T3，T4，按步骤2方法分别在ARM中计算出脉宽计数值N_pw，重复周期计数值为N_T0，N_T1，N_T2，N_T3，N_T4，这些参数下发给FPGA，在FPGA中按照脉宽调制信号周期N_T0到N_T4循环变化。2）对于重频滑变：脉宽不变，设定重复周期变化范围以及步进值T_step，重复周期从最小值开始每次增加T_step直到最大值，到达最大值返回到最小值继续从头开始，重复周期的变化范围以及步进值在ARM中计算完成后下发给FPGA。3）对于重频抖动：脉宽不变，重复周期T在用户设定的抖动范围Jitter内随机变化，产生抖动的方法有多种，如高斯抖动，随机抖动等；本发明实施例中选取了16位线性反馈移位寄存器LFSR来产生随机序列，它是由n个D触发器和若干个异或门组成的，图3是LFSR的结构图，其中，gn为反馈系数，取值只能为0或1，取为0时表明不存在该反馈支路，取为1时表明存在该反馈支路，在FPGA中实现16位LFSR，给它一个初始非零的种子如16’b1000_0110_1010_1001，生成的伪随机数在-32767~32768之间，在ARM中计算抖动步进Jitter_step =( (T/T_clk)*Jitter)/2^15并配置给FPGA，在FPGA中把LFSR输出的数据和Jitter_step相乘，相乘后的结果再和(T/T_clk)进行带符号相加，得到当前的重复周期值，然后按照此重复周期值产生重频抖动脉冲信号。

线性调频调制信号的产生步骤为：用户设定的参数有中心频率Fc，调频带宽Fbw，调频斜率Fk，下发给ARM，在ARM中根据中心频率Fc和调频带宽Fbw可以求得起始频点Fstart= Fc – Fbw/2，结束频点Fend = Fc + Fbw/2，Fk，Fstart，Fend在转化成相应的DDS频率控制字，频率控制字=(F/DDS_clk)*2^32，此处DDS_clk=300MHz，把Fk，Fstart，Fend带入公式中F求得相应频率控制字Fs_cw，Fe_cw，Fstep_cw下发给FPGA，在FPGA中使用DDS来改变调制频率，以Fs_cw为起点，每个时钟周期步进 Fstep_cw，得到当前的频率控制字配置给FPGA的DDS，当频率控制达到Fe_cw后在回到Fs_cw重新开始，这产生的是连续波线性调频；图4是产生的线性调频时域波形，每个码元内时域波形有密集变得稀疏，说明频率逐渐在增加；如果要产生脉内线性调频原理是一样的，在每个脉冲内频率进行线性变化。

非线性调频调制信号的产生步骤为：非线性调频它的频点是非线性变化的，它的时频曲线f(t)满足反“S”形，所以可以根据窗函数来产生非线性调频的f(t)，窗函数有很多种，本发明实施例中选择其中一种，选用的是汉明hamming窗，如图5就是采用hamming窗生成的非线性调频的f(t)函数，横轴是时间，纵轴是调频带宽，图中码元宽度是τ=2us，调频带宽是Fbw=10MHz，调频中心频率Fc，脉冲宽度Ft，在ARM中根据这三个参数带入窗函数得到相应的频点，FPGA处理时钟周期为T_clk=3.3ns，所以横轴可以等分成n= τ /T_clk段，每一时间点对应纵轴一个频率f1=f(t)，{t=1…n}，所以非线性调频频率函数fout(i) = Fc-(Fbw/2)+f(t)，{t=1…n}，此处n=600，所以会得到600个频率值，这些点连接起来就近似等价于非线性调频反“s”曲线，把这些频率值在ARM中转化为频率控制字，通过LocaBus总线写入到FPGA的DPRAM中，FPGA中依次循环重复读取DPRAM的相应频率控制字并配置给DDS，通过DDS对调制源进行频率调制，这时产生连续波非线性调频信号；产生连续波非线性调频调制信号；产生脉内非线性调频调制信号与产生连续波非线性调频调制信号原理相同。

BPSK编码调制信号的产生步骤为：BPSK编码方式有多种如M序列，L序列等，本发明实施例中选择的是13位的巴克码BKM = 13'b1110011010100，‘1’对应的相位是pi，‘0’对应的相位是0，按照用户设定码元宽度，第一个码元宽度内信号调制时取BKM[12]所对应的相位，第十三个码元宽度内信号调制时取BKM[0]所对应的相位，依此循环操作，对相位的控制也是在DDS中完成的，P_offset = (Phase / 2*pi) * 2^32，pi对应的P_offset = 32’h8000_0000，0对应的P_offset = 32’h0000_0000，如图6中是BSPK编码调制时域图，图中红线表示的是同相分量I，蓝线表示的是正交分量Q，从图中可以看出前后两个码元相位发生了180°变化，这产生的是连续二相码调制信号，脉内二相码调制信号产生方法也是一样。

QPSK编码调制信号的产生步骤为：QPSK编码方式有多种，本发明实施例选择的是16位的弗兰克码，FLK = 32’b 00_00_00_00_00_01_10_11_00_01_00_01_00_11_10_01，每2bit表示一个相位，“00”表示相位是0，“01”表示相位是pi/2，“10”表示相位是pi，“11”表示相位是3*pi/2，按照用户设定给定的码元宽度，第一个码元宽度内信号调制时取FLK[31：30]所对应的相位，第十六个码元宽度内信号调制时取FLK[1：0]所对应的相位，依此循环操作，对相位的控制也是在DDS中完成的，P_offset = (Phase / 2*pi) * 2^32，3*pi/2对应的P_offset=32’hc000_0000，pi/2对应P_offset=32’h8000_0000，pi/2对应P_offset=32’h4000_0000，0对应P_offset = 32’h0000_0000，这产生的是连续四相码调制信号，脉内四相码调制信号产生方法也是一样。

本发明实施例中，用户操作界面设置参数给ARM，在ARM中对设置的参数进行转化在下发给FPGA，在FPGA中进行调频调相等实时处理；具体来说本发明有以下优点：

1）实时性高

本发明的调制源的产生，多种信号模式的产生全部是放在FPGA中实现，FPGA的特点是并行运算，所以在实时性上有很大的优势；

2）产生的雷达调制源及雷达调制信号模式多样

本发明支持的调制源有正弦波、三角波、锯齿波、方波；支持常规脉宽调制，重复周期调制(包括重频参差、重频滑变、重频抖动)，调频(连续波线性调频，脉内线性调频，连续波非线性调频，脉内非线性调频)，调相(连续波二项码，脉内二相码，连续波四相码，脉内四相码)，可以发射不同带宽、脉宽、波形参数的多形式雷达信号，能适应不同的需求和场景；

3）灵活性强

采用ARM对用户输入参数进行解析和变换，然后在发给FPGA，因此具有很强的灵活性，用户可以灵活的选择雷达调制源，雷达信号模式，以及各种参数，如脉宽，重频，重频滑变步进，抖动范围，调频带宽，调频步进，调频斜率，码元宽度等参数。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于，其包括：

用于产生多种调制源的调制源产生模块；

用于对调制源进行调制产生多种模式调制信号的雷达信号模式模块，所述雷达信号模式模块包括脉宽调制子模块、重复周期调制子模块、线性调频调制子模块、非线性调频调制子模块、BPSK编码调制子模块和QPSK编码调制子模块；和

用于发射调制信号的射频发射模块。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述装置还包括用于设置雷达信号相关参数的参数设置单元；用于实现人机交互、监控、管理的嵌入式模块。

3.一种基于FPGA实时性雷达信号调制方法，其特征在于，该方法包括：

A．获取多种调制源；

B．对调制源进行调制产生多种模式的调制信号，其具体包括：

脉宽调制信号的产生；

重复周期调制信号的产生；

线性调频调制信号的产生；

非线性调频调制信号的产生；

BPSK编码调制信号的产生；

QPSK编码调制信号的产生。

4.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤A中的调制源包括正弦波、三角波、锯齿波、方波，其中，正弦波通过FPGA中直接频率合成器DDS产生，三角波、锯齿波、方波通过计数器产生。

5.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中产生脉宽调制信号的具体步骤为：在ARM中产生脉宽所需计数值N_pw= pw/T_Clk和调制周期所需计数值N_T= T/T_Clk，其中，pw为调制脉宽，T为调制周期，T_Clk为FPGA系统时钟周期；将N_pw、N_T配置给FPGA，FPGA产生一个计数器，在1~N_pw内释放相应调制信号，N_pw~N_T关闭释放信号，输出信号赋予0。

6.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中的重复周期调制信号包括：重频参差、重频滑变、重频抖动；所述的重频参差、重频滑变及重频抖动三种方式的脉冲不变，重复周期变化；其中，对于重频参差：脉宽不变，重复周期在用户设定的几组重复周期内进行变化；对于重频滑变：脉宽不变，设定重复周期变化范围以及步进值T_step，在重复周期基础上按步进值T_step累加；对于重频抖动：脉宽不变，重复周期在用户设定的抖动范围内随机变化。

7.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中线性调频调制信号包括连续波线性调频调制信号和脉内线性调频调制信号，产生线性调频调制信号具体步骤为：根据用户设定的中心频率Fc、调频带宽Fbw获得起始频点Fstart =Fc – Fbw/2，结束频点Fend = Fc + Fbw/2；将起始频点Fstart、结束频点Fend及用户设置的调频斜率Fk代入频率控制字=(F/DDS_clk)*2^32获得相应的频率控制字Fs_cw，Fe_cw，Fstep_cw并配置给FPGA，使用DDS来改变调制频率，以Fs_cw为起点，每个时钟周期步进Fstep_cw，得到当前的频率控制字配置给FPGA的DDS，当频率控制达到Fe_cw后在回到Fs_cw重新开始，产生连续波线性调频调制信号；产生脉内线性调频调制信号与产生连续波线性调频调制信号原理相同，脉内线性调频调制信号在每个脉冲内频率进行线性变化。

8.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中非线性调频调制信号包括连续波非线性调频调制信号和脉内非线性调频调制信号，非线性调频是将用户设定的中心频点Fc、调频带宽Fbw、脉冲宽度Ft代入窗函数得到相应的频点，转化成相应的频率控制字并写到FPGA的DPRAM中，在FPGA中依次循环重复读取DPRAM的相应频点信息并配置给DDS，产生连续波非线性调频调制信号；产生脉内非线性调频调制信号与产生连续波非线性调频调制信号原理相同。

9.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中BPSK编码调制信号包括连续二相码调制信号、脉内二相码调制信号；BPSK编码是根据用户设定的码元宽度获取BPSK编码信号所对应的相位，所述相位包括0、pi，在DDS中对相位进行控制，产生连续二相码调制信号；产生连续二相码调制信号与产生脉内二相码调制信号的原理相同。

10.根据权利要求3所述的基于FPGA实时性雷达信号发生装置，其特征在于：所述步骤B中QPSK编码调制信号包括连续四相码调制信号、脉内四相码调制信号；QPSK编码是根据用户设定的码元宽度获取QPSK编码信号所对应的相位，所述相位包括0、pi/2、pi、3*pi/2，在DDS中对相位进行控制产生连续四相码调制信号；产生连续四相码调制信号与产生脉内四相码调制信号原理相同。