CN109061581B - 一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置及方法，包括下变频单元、中频放大单元、延时单元，下变频单元由毫米波下变频器模块组成，将接收毫米波雷达信号转化为中频信号，便于后级处理；中频放大单元由PXI总线可编程放大器模块组成，对下变频后的中频信号幅度进行放大，根据不同的增益需求进行调节；延时单元由基带发生模块、I/Q调制器模块、功率控制模块组成，将基带信号调制到载波信号上，并对调制信号进行幅度控制。利用基带信号作为调制信号，接收的雷达线性调频信号作为载波信号进行调频，基带信号设置的频率信息反应目标的距离，实现方法上基于调频的思想，实现了雷达目标距离的模拟。

Description

一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置和方法

技术领域

本发明属于射频微波测试技术领域，具体涉及一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置和方法。

背景技术

传统的线性调频信号的雷达目标距离模拟装置主要由下变频单元、中频放大单元、延时单元、上变频等单元组成，首先需要将基于线性调频信号的雷达发送的信号进行下变频、中频放大处理，再对中频信号进行采集、数据存储、D/A转化、上变频处理，得到回波信号。

现有的对线性调频信号的雷达目标距离模拟装置和方法，存在以下不足：

1、由于采用高速数据采集和存储技术，采样精度和处理器处理速度相关，目前由于处理器速度跟不上采样速度，导致最终的模拟精度受限。

2、由于采用大容量的存储器进行数据缓存，存储器容量越大，模拟距离越长，目前即使采用最先进的DDR存储器，存储的数据容量也是有限的，最多只能模拟数十米的距离，所以这种办法只能进行近距离的模拟，而远距离模拟采用的光纤延迟线长度也会受限，导致最终的模拟距离受限。

3、现有的对线性调频信号的雷达目标距离模拟方法，目标距离模拟时往往采用大容量存储+延迟线的办法，最终导致模拟器体积大、成本高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置和方法，利用基带信号作为调制信号，接收的雷达线性调频信号作为载波信号进行调频，基带信号设置的频率信息反应目标的距离，实现方法上基于调频的思想，实现了雷达目标距离的模拟。

本发明采用如下技术方案：

一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，包括下变频单元、中频放大单元、延时单元，各单元之间通过射频电缆以及导线进行连接，

下变频单元包括毫米波下变频器模块，将接收的毫米波雷达信号转化为中频信号，便于后级处理；

中频放大单元包括PXI总线可编程放大器模块，对所述中频信号幅度进行放大，根据不同的增益需求进行调节；

延时单元包括基带发生模块、I/Q调制器模块、功率控制模块，将基带信号调制到载波信号上，并对调制信号进行幅度控制。

所述基带发生模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

FPGA处理单元，用于生成不同的数字数据格式；

模数转化单元，用于完成数字信号到模拟信号的转化；

信号调理单元，用于信号放大与滤波处理，输出4路正交的I/Q信号；

所述PXI总线接口单元、FPGA处理单元、模数转化单元和信号调理单元依次连接。

所述FPGA处理单元包括：

数据发生器，用于内部产生串行数据、下载一个用户文件，或者通过前面板串行口从外部输入串行数据；

码元发生器，用于把所述串行数据分组转换为码元，具体为将数据发生器产生的串行数据送入串/并变换电路，所述串/并变换电路将串行数据变为并行码元数据，然后定位到I/Q两路信号；

一对FIR数字预调制滤波器，用于提高抗干扰能力；

所述的数据发生器与码元发生器连接，所述码元发生器与一对FIR数字预调制滤波器连接。

所述每个FIR数字预调制滤波器包括：

FIR滤波器，用于限制输入到I/Q调制器模块的带宽，提高抗干扰能力；

数字重采样器，用于在FIR滤波器输出的值中插入新值使之平滑，减低所述I/Q两路信号的杂散信号；

DAC，用于转换数字信号到一个离散值；

重构滤波器，用于平滑DAC的数字步进并抑制DAC产生的取样寄生。

所述FIR滤波器、数字重采样器、DAC和重构滤波器依次连接。

所述I/Q调制器模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

I/Q调制单元，包括IQ调制器；

程控衰减单元，所述中频放大单元的输出信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制单元；

开关滤波单元，所述开关滤波单元的滤波器分为8段，每段的平坦度决定了最终IQ调制信号的带宽；

FPGA信号控制单元，用于对控制衰减单元、I/Q调制单元和开关滤波单元的控制；

所述PXI总线接口单元与FPGA信号控制单元连接，所述FPGA信号控制单元与I/Q调制单元、程控衰减单元和开关滤波单元分别连接，所述程控衰减单元、I/Q调制单元和开关滤波单元依次连接。

所述功率控制模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

功率控制单元，包括信号叠加、衰减放大、检波、ALC环路、级联衰减网络和信号合成电路，用于完成信号幅度控制以及平坦度控制；

FPGA信号控制单元，用于对功率控制单元的控制；

所述PXI总线接口单元、FPGA信号控制单元、功率控制单元依次连接。

一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：利用下变频单元将雷达发射的毫米波雷达信号，变成与雷达扫描宽度一致对应的带宽的中频信号送给中频放大单元；

步骤二：利用中频放大单元和延时单元将所述中频信号的功率放大后进行处理；

步骤三：利用上变频单元将所述延时单元处理后的信号上变频至雷达所需的频率的回波信号；

步骤四：所述回波信号经过发射天线发射给雷达解调。

步骤二中所述进行处理的过程为：利用所述延时单元的I/Q调制器模块接收功率放大后的所述中频信号，所述功率放大后的中频信号与利用基带发生模块产生的信号在I/Q调制器模块内部进行调制，调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制后送至上变频单元。

所述利用基带发生模块产生信号的过程为：

利用PXI总线接口单元接收数据，

利用数据发生器产生串行数据或者通过前面板串行口从外部输入数据；利用

码元发生器把所述串行数据分组转换为码元，然后定位到I/Q两路信号；

所述I/Q两路信号通过一对FIR数字预调制滤波器，进入数模转化单元，被

转化为模拟信号；

所述模拟信号由信号调理单元输出4路正交的I/Q信号。

所述功率放大后的中频信号与所述4路正交的I/Q信号在I/Q调制器模块内部进行调制的过程为；所述功率放大后的中频信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制器，所述4路正交的I/Q信号输入I/Q调制器；

在IQ调制器中，所述4路正交的I/Q信号调制到所述功率放大后的中频信号上，调制后的信号利用开关滤波单元分段滤波后输出。

所述调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制的方法为：

设置两级检波电路，在衰减放大电路后设置检波1，在级联衰减网络输出后设置检波2电路，两级检波电路输出后的一路进入ALC控制环路，ALC控制环路的输出接到功率控制器输入端，和所述调制输出的信号进行叠加，以达到信号功率稳幅控制的目的；另外一路作为最终的信号输出。

本发明的有益效果：

本发明的装置依PXI总线基带产生模块和PXI总线I/Q调制器模块为核心，利用调频的思想进行延时单元的设计，将信号的延时关系转化为频率变化的关系。并且通过PXI模块进行雷达目标距离模拟装置的构建，利用3种PXI模块化仪器有机组合，实现了延时单元的构建，体现了模块化、单元化设计思想，具有很强的通用性和维修性。

使用该装置对不同带宽的线性调频信号目标距离进行模拟时，只需要更换不同的下变频模块和上变频模块就可以完成模拟。

本发明的方法通过调频的方法实现了目标距离的模拟，通过在基带模块里生成任意波，而且生成的任意波连续可调、精度高，灵活性性强。

1、距离模拟精度高。由于基带模块输出的频率步进可达1Hz，对应的模拟距离分辨率为0.0026cm，理论值可达1cm。

2、模拟距离长。由于基带模块输出带宽可达80MHz，模拟装置最大可模拟的距离范围为2000m，采用延迟的办法模拟距离仅为250m，提高了距离模拟的范围。3、体积小、成本低。由于整个装置采用微波、光电等模块进行模块化设计，因此整个装置体积小、拆卸方便，测试装置便于集成。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1传统的线性调频信号的雷达目标距离模拟装置组成框图

图2本发明的线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置组成框图

图3基带发生模块组成框图

图4I/Q调制器模块组成框图

图5功率控制模块组成框图

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，传统的模拟装置和方法有以下不足1)模拟精度不高；2)模拟距离有限；3)体积大、成本高。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置和方法。

如图1所示，现有的线性调频信号的雷达目标距离模拟装置及方法，主要由下变频单元、中频放大单元、延时单元、上变频等单元组成。

本发明一种典型的实施例，如图2所示，一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，本发明通过对现有的对线性调频信号的雷达目标距离模拟装置和方法进行归纳，以矢量调制为核心，将回波信号的模拟方法由时间延迟模拟转化为回波信号频偏的模拟。主要分为下变频单元、中频放大单元、延时单元，各单元之间通过射频电缆以及导线进行连接，但是，整个延时单元实现方法发生了变化。

下变频单元包括毫米波下变频器模块，将接收毫米波雷达信号转化为中频信号，便于后级处理；中频放大单元由PXI总线可编程放大器模块组成，对下变频后的中频信号幅度进行放大，根据不同的增益需求进行调节；延时单元由基带发生模块、I/Q调制器模块、功率控制模块组成，主要将基带信号调制到载波信号上，并对调制信号进行幅度控制。

如图3所示，基带信号发生模块由PXI总线接口单元、FPGA处理单元、模数转化单元、信号调理单元等部分组成；其中FPGA处理单元由数据发生器、码元发生器、FIR滤波器、数字重采样器、DAC和重构滤波器组成，如图3虚线部分所示。

PXI总线接口单元由专用接口电路组成，主要完成数据交换功能；FPGA处理单元主要生成不同的数字数据格式；数模转化单元由专用的数模转化芯片组成，主要完成数字信号到模拟信号的转化；信号调理单元信号放大与滤波等处理输出4路正交的I/Q信号，便于和后级模块匹配。

FPGA处理单元的数据发生器用于内部产生串行数据、下载一个用户文件，或者通过前面板串行口从外部输入数据。输入的数据代表要产生的码元。码元发生器的功能是把串行数据分组转换为码元，将数据发生器产生的比特流(串行数据)送入串/并变换电路，不同的调制方式，每码元的比特位数是不同的，这个位数由3位控制信号来控制。串/并变换将串行数据变为并行码元数据，码元转换RAM的数据对应各种调制方式的电平数据信息或相位数据信息，然后定位到I/Q平面。这个基于RAM的工具最多支持8比特/码元，并且包括一个用户可定义的差分编码器。I和Q两路信号通过一对FIR数字预调制滤波器。FIR滤波器用于限制输入到I/Q调制器的带宽，提高抗干扰能力。信号的任何快速变化，无论幅度、相位还是频率，都需要占用很宽的带宽。FIR滤波器能够平滑这些变化，即降低了对带宽的占用。数字重采样器在FIR滤波器输出的值中插入新值使之平滑，减低I/Q输出的杂散信号。DAC转换数字信号到一个模拟信号。信号并不是真的模拟信号。重构滤波器平滑DAC，由于DAC只能输出离散的值，这些的数字步进并抑制DAC产生的取样寄生。

如图4所示，I/Q调制器模块由PXI总线接口单元、FPGA信号控制单元、程控衰减单元、I/Q调制单元、开关滤波单元等部分组成。其中开关滤波单元由两组一选8的开关组以及8组滤波器组成。

PXI总线接口单元由专用接口电路组成，主要完成数据交换功能；FPGA信号控制单元主要完成对控制衰减单元、I/Q调制单元、开关滤波单元的控制。

射频载波输入信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制单元，在IQ调制单元的IQ调制器中，外部输入的I+和I-两路差分信号，以及Q+和Q-两路差分信号调制到射频载波信号上，调制后的信号经过开关滤波单元分段滤波后输出，根据幅度功率和杂散指标要求，滤波器分为8段，每段的平坦度决定了最终IQ调制信号的带宽。

如图5所示，功率控制模块由PXI总线接口单元、FPGA信号控制单元、功率控制单元等部分组成。PXI总线接口单元由专用接口电路组成，主要完成数据交换功能；FPGA信号控制单元主要完成对功率控制单元的控制；功率控制单元主要由信号叠加、衰减放大、检波、ALC环路、级联衰减网络、信号合成等电路组成，主要完成信号幅度控制以及平坦度控制。

IQ调制信号首先进入功率控制单元的信号合成端口，同稳幅控制后的信号进行叠加，叠加后的信号进入衰减放大电路，衰减放大电路的作用使进入后面检波1电路的射频信号的功率合适。检波1输出的信号分为两路，1路送至ALC环路进行自动电平控制，另外一路送至级联衰减网络进行输出幅度的控制。

功率控制器实现250MHz～6GHz射频信号的功率幅度控制，功率控制单元实现最大功率+13dBm的射频信号输出，为达到这一输出功率值，衰减放大部分的放大器采用大功率射频放大器，可将射频信号功率放大至+17dBm，以满足模块指标要求。

功率控制单元能实现-120dBm～+13dBm大功率范围的射频信号输出，为使输出信号功率稳定，设置两级检波电路，在衰减放大电路后设置检波1，在级联衰减网络输出后设置检波2电路，两级检波电路后的输出一路进入ALC控制环路，ALC控制环路的输出接到功率控制器的射频信号输入端，和初始的输入射频信号进行叠加，以达到信号功率稳幅控制的目的；另外一路作为最终的信号输出。

级联衰减网络由四级衰减电路组成，每级衰减电路对射频信号均可实现步进0.25dB、总量-31.75dB的衰减控制，由上位机控制不同衰减器组合，可实现0～127dB的衰减，完全全可以满足功率控制控制模块输出功率低至-120dBm的指标。

本发明又一种典型的实施例，一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：利用下变频单元将雷达发射的毫米波雷达信号，变成与雷达扫描宽度一致对应的带宽的中频信号送给中频放大单元；

步骤二：利用中频放大单元和延时单元将所述中频信号的功率放大后进行处理；

步骤三：利用上变频单元将所述延时单元处理后的信号上变频至雷达所需的频率的回波信号；

步骤四：所述回波信号经过发射天线发射给雷达解调。

步骤二中所述进行处理的过程为：利用所述延时单元的I/Q调制器模块接收功率放大后的所述中频信号，所述功率放大后的中频信号与利用基带发生模块产生的信号在I/Q调制器模块内部进行调制，调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制后送至上变频单元。

所述利用基带发生模块产生信号的过程为：

利用PXI总线接口单元接收数据，

利用数据发生器产生串行数据或者通过前面板串行口从外部输入数据；利用

码元发生器把所述串行数据分组转换为码元，然后定位到I/Q两路信号；

所述I/Q两路信号通过一对FIR数字预调制滤波器，进入数模转化单元，被

转化为模拟信号；

所述模拟信号由信号调理单元输出4路正交的I/Q信号。

所述功率放大后的中频信号与所述4路正交的I/Q信号在I/Q调制器模块内部进行调制的过程为；所述功率放大后的中频信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制器，所述4路正交的I/Q信号输入I/Q调制器；

在IQ调制器中，所述4路正交的I/Q信号调制到所述功率放大后的中频信号上，调制后的信号利用开关滤波单元分段滤波后输出。

所述调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制的方法为：

设置两级检波电路，在衰减放大电路后设置检波1，在级联衰减网络输出后设置检波2电路，两级检波电路输出后的一路进入ALC控制环路，ALC控制环路的输出接到功率控制器输入端，和所述调制输出的信号进行叠加，以达到信号功率稳幅控制的目的；另外一路作为最终的信号输出。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，包括下变频单元、中频放大单元、延时单元，各单元之间通过射频电缆以及导线进行连接，其特征在于，

下变频单元包括毫米波下变频器模块，将接收的毫米波雷达信号转化为中频信号；

中频放大单元包括PXI总线可编程放大器模块，对所述中频信号幅度进行放大，根据不同的增益需求进行调节；

延时单元包括依次连接的基带发生模块、I/Q调制器模块和功率控制模块，用于将基带信号调制到载波信号上，并对调制信号进行幅度控制；

所述延时单元利用调频的思想进行设计，将信号的延时关系转化为频率变化的关系；

所述模拟装置利用PXI总线基带产生模块和PXI总线I/Q调制器模块为核心，通过PXI模块进行雷达目标距离模拟装置的构建，通过PXI模块化仪器的有机组合，实现延时单元的构建。

2.如权利要求1所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，其特征在于，所述基带发生模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

FPGA处理单元，用于生成不同的数字数据格式；

模数转化单元，用于完成数字信号到模拟信号的转化；

信号调理单元，用于信号放大与滤波处理，输出4路正交的I/Q信号；

所述PXI总线接口单元、FPGA处理单元、模数转化单元和信号调理单元依次连接。

3.如权利要求2所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，其特征在于，所述FPGA处理单元包括：

数据发生器，用于内部产生串行数据、下载一个用户文件，或者通过前面板串行口从外部输入串行数据；

码元发生器，用于把所述串行数据分组转换为码元，具体为将数据发生器产生的串行数据送入串/并变换电路，所述串/并变换电路将串行数据变为并行码元数据，然后定位到I/Q两路信号；

一对FIR数字预调制滤波器，用于提高抗干扰能力；

所述的数据发生器与码元发生器连接，所述码元发生器与一对FIR数字预调制滤波器连接。

4.如权利要求3所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，其特征在于，所述每个FIR数字预调制滤波器包括：

FIR滤波器，用于限制输入到I/Q调制器模块的带宽，提高抗干扰能力；

数字重采样器，用于在FIR滤波器输出的值中插入新值使之平滑，减低所述I/Q两路信号的杂散信号；

DAC，用于转换数字信号到一个离散值；

重构滤波器，用于平滑DAC的数字步进并抑制DAC产生的取样寄生；

所述FIR滤波器、数字重采样器、DAC和重构滤波器依次连接。

5.如权利要求1所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，其特征在于，所述I/Q调制器模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

I/Q调制单元，包括IQ调制器；

程控衰减单元，所述中频放大单元的输出信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制单元；

开关滤波单元，所述开关滤波单元的滤波器分为8段，每段的平坦度决定了最终IQ调制信号的带宽；

FPGA信号控制单元，用于对控制衰减单元、I/Q调制单元和开关滤波单元的控制；

所述PXI总线接口单元与FPGA信号控制单元连接，所述FPGA信号控制单元与I/Q调制单元、程控衰减单元和开关滤波单元分别连接，所述程控衰减单元、I/Q调制单元和开关滤波单元依次连接。

6.如权利要求1所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟装置，其特征在于，所述功率控制模块包括：

PXI总线接口单元，用于完成数据交换；

功率控制单元，包括信号叠加、衰减放大、检波、ALC环路、级联衰减网络和信号合成电路，用于完成信号幅度控制以及平坦度控制；

FPGA信号控制单元，用于对功率控制单元的控制；

所述PXI总线接口单元、FPGA信号控制单元、功率控制单元依次连接。

7.一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用下变频单元将雷达发射的毫米波雷达信号，变成与雷达扫描宽度一致对应的带宽的中频信号送给中频放大单元；

步骤二：利用中频放大单元和延时单元将所述中频信号的功率放大后进行处理；

步骤三：利用上变频单元将所述延时单元处理后的信号上变频至雷达所需的频率的回波信号；

步骤四：所述回波信号经过发射天线发射给雷达解调；

步骤二中所述进行处理的过程为：利用所述延时单元的I/Q调制器模块接收功率放大后的所述中频信号，所述功率放大后的中频信号与利用基带发生模块产生的信号在I/Q调制器模块内部进行调制，调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制后送至上变频单元；

所述模拟方法利用调频的思想进行延时单元的设计，将信号的延时关系转化为频率变化的关系；

所述模拟方法利用PXI总线基带产生模块和PXI总线I/Q调制器模块为核心，通过PXI模块进行雷达目标距离模拟装置的构建，通过PXI模块化仪器的有机组合，实现延时单元的构建。

8.如权利要求7所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，其特征在于，所述利用基带发生模块产生信号的过程为：

利用PXI总线接口单元接收数据，

利用数据发生器产生串行数据或者通过前面板串行口从外部输入数据；利用码元发生器把所述串行数据分组转换为码元，然后定位到I/Q两路信号；

所述I/Q两路信号通过一对FIR数字预调制滤波器，进入数模转化单元，被转化为模拟信号；

所述模拟信号由信号调理单元输出4路正交的I/Q信号。

9.如权利要求8所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，其特征在于，所述功率放大后的中频信号与所述4路正交的I/Q信号在I/Q调制器模块内部进行调制的过程为；所述功率放大后的中频信号经过程控衰减单元后送入I/Q调制器，所述4路正交的I/Q信号输入I/Q调制器；

在IQ调制器中，所述4路正交的I/Q信号调制到所述功率放大后的中频信号上，调制后的信号利用开关滤波单元分段滤波后输出。

10.如权利要求7所述的一种线性调频信号的雷达目标距离精确模拟方法，其特征在于，所述调制输出的信号经过功率控制模块进行幅度控制的方法为：

设置两级检波电路，在衰减放大电路后设置检波1，在级联衰减网络输出后设置检波2电路，两级检波电路输出后的一路进入ALC控制环路，ALC控制环路的输出接到功率控制器输入端，和所述调制输出的信号进行叠加，以达到信号功率稳幅控制的目的；另外一路作为最终的信号输出。

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