CN110095761B - 基于MicroBlaze的MIMO雷达回波生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MicroBlaze的MIMO雷达回波生成方法，主要解决现有技术MIMO雷达回波模拟信号生成系统实时性差及系统复杂的问题，其实现方案为：通过MicroBlaze软核调用软件工具开发包SDK模块配置雷达信号参数，产生MIMO雷达回波数据流；在FPGA内部对数据流进行数字正交下变频形成两路数据；将这两路数据作相位补偿并整合复用，并传递至多通道DAC芯片；在该芯片中对数据流进行数模转换，产生MIMO雷达回波模拟信号。本发明提高了数据传输稳定性，简化了系统复杂结构，提高了MIMO雷达回波信号生成的实时性，可用于包含FPGA和多通道DAC芯片组成的MIMO雷达回波模拟信号生成系统。

Description

基于MicroBlaze的MIMO雷达回波生成方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种MIMO雷达回波模拟信号生成方法，可用于包含FPGA和多通道DAC芯片组成的MIMO雷达回波模拟信号生成系统。

背景技术

在雷达信号处理机研制过程中，雷达回波模拟器起着至关重要的地位。由于雷达信号处理机在研发时需要进行系统测试、内场测试、外场测试等一系列关键的步骤，以此来验证雷达信号处理机的性能和指标。且目前存在各式各样体制的雷达，各雷达之间体制、功能以及发射信号存在明显的差异，因此雷达回波模拟器需要尽可能的适应多种雷达机制，即可以产生多种雷达回波信号。

目前常用的雷达模拟器回波信号数据生成是基于MATLAB实现的。利用UDP协议以及SRIO协议，数据通过网口传至DSP，进而传至FPGA，DAC芯片在FPGA的控制下产生各种MIMO雷达目标、杂波、干扰回波信号。得益于MATLAB在信号处理方面的优势，该方式可以获得较好的雷达回波模拟性能，但是也存在以下几个方面的弊端：

一、系统灵活度较差，回波信号的实时性得不到保证，且该方式下所需要实现多种外部通信，数据传输稳定性以及实时性能得不到保证。

二、由于MIMO雷达回波模拟器由多种分立软硬件搭建而成，这样不可避免的加大了整个系统之间的复杂性，在系统调试阶段，会造成系统的不稳定性。在要求功能多样且小型化的今天，模拟器体积过于庞大会限制雷达系统时空条件的指标，制约了雷达模拟系统的发展。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种基于MicroBlaze的MIMO雷达回波模拟实现方法，以实时性的产生雷达回波信号，降低系统的延时，使数据稳定输出，提高模拟雷达回波信号的真实准确性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：通过MicroBlaze和多通道DAC芯片实现，该MicroBlaze是FPGA中的一个嵌入器软核，其包括软件开发工具包SDK模块和嵌入式开发套件EDK模块，其特征在于，实现步骤包括如下：

(1)通过MicroBlaze软核，调用软件开发工具包SDK模块，配置雷达回波信号的参数，产生MIMO雷达回波信号数据流；

(2)将(1)产生的MIMO雷达回波信号数据流存入到FPGA的RAM中，在FPGA芯片内部对数据流进行数字下变频，形成I、Q两路数据；

(3)通过FPGA内部计数器产生脉冲重频信号，在脉冲重频信号高电平期间对(2)中产生的I、Q两路数据进行相位补偿并整合复用，以降低信号幅度的峰值比；

(4)通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块，对多通道DAC芯片进行参数的配置；

(5)在FPGA的控制下将(3)中整合复用的数据流传递至多通道DAC芯片中；

(6)多通道DAC芯片对整合复用的数据流进行数模转换，并在脉冲重频信号的控制下，实时生成MIMO雷达回波模拟信号。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，本发明的部分硬件配置由MicroBlaze嵌入处理器软核调用嵌入式开发套件EDK模块完成，相比于传统的MIMO雷达回波生成方法，将构建回波信号的多个步骤如：配置时钟管理芯片AD9516-1、CDCM6208，配置DSP芯片、网口芯片及多通道DAC芯片都由MicroBlaze嵌入处理器软核完成，节省了FPGA片内资源，便于FPGA进行其他的程序开发和设计。

第二，本发明通过MicroBlaze软核代替完成现有技术中需要FPGA进行的工作，且由于MicroBlaze软核是嵌入在FPGA内部的，可以提高系统的有效性，减少芯片的数量、减少电路之间的连线、缩小电路板的体积，便于实现集成化的单片系统开发，在功耗、成本、重量、体积方面均具有巨大的优势。

第三，传统的MIMO雷达回波数据生成方法是由MATLAB实现的，相比于MATLAB，MicroBlaze嵌入处理器软核具有高速的信号处理能力，其使用C语言进行回波数据生成程序的编写，从而产生MIMO雷达回波数据，所使用的C语言具有可读性能好、可移植、便于调试的优点。

第四，MATLAB生成的MIMO雷达回波数据需要通过上位机网口及DSP芯片传递至FPGA，该方法实时性能较差；本发明生成回波数据的软件设计由MicroBlaze嵌入处理器软核调用软件开发工具包SDK模块完成，对MIMO雷达回波生成设计的各个步骤，如对信号进行提取、变换、分析、综合进行操作，产生的回波数据不需要通过上位机网口及DSP芯片，便可以实时的传递到控制器FPGA中，再通过多通道DAC芯片将数字信号转为模拟信号，把MIMO雷达回波的目标、干扰、杂波等信息实时的发射出来，提高了MIMO雷达回波生成的实时性。

附图说明

图1为MicroBlaze嵌入处理器软核的结构图。

图2为本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明使用的MicroBlaze软核是Xilinx赛灵思公司开发集成的可嵌入在FPGA中的一个IP核，其包含内存管理单元、指令侧总线接口、数据侧总线接口、程序计数器、分支目标缓存器、专用寄存器、指令缓冲区、指令解码、寄存器文件、算数逻辑单元、移位器、乘法器及除法器，内存管理单元主要负责与指令侧总线接口和数据侧总线接口通信，当指令侧总线接口接收到外部命令时，命令信息通过指令缓冲区、指令解码和专用寄存器传递至内存管理单元，再经过内存管理单元的处理传达至数据侧总线接口，进而调用外部接口模块，产生MIMO雷达回波数据。

参照图2，本实例是通过MicroBlaze软核和多通道DAC芯片产生雷达回波模拟信号，其实现步骤如下：

步骤1，配置雷达回波信号参数，生成MIMO雷达回波数据流。

(1a)通过MicroBlaze软核调用软件开发工具包SDK模块，对雷达信号的参数进行配置，参数包括载频频率、中频带宽和信号脉宽；

(1b)在对雷达信号的参数进行配置后产生雷达回波数据流信号，该回波数据流的信号复数表达式为：

其中a_r为距离窗函数，a_m为方位向窗函数，

为距离向时间，t_m为方位向时间，R₀为距离历程，c为光速，j为虚数单位，

为信号相位，

相位信号

的复数表达式为：

其中γ为调频率，λ为波长；

(1c)在软件开发工具包SDK模块中，对雷达回波数据流信号进行分析、傅里叶变换、插值、滤波、调制及数字正交上变频，产生MIMO雷达回波数据流。

步骤2，对MIMO雷达回波数据流进行数字正交下变频，形成I、Q两路数据。

(2a)在FPGA中生成随机存取存储器RAM核，在RAM核中设置数据位宽和数据长度，将步骤1中产生的MIMO雷达回波数据流存入随机存取存储器RAM核中；

(2b)在FPGA内部将MIMO雷达回波数据流进行数字正交下变频处理，形成I、Q两路数据。

步骤3，对I、Q两路数据进行相位补偿并整合复用。

(3a)在FPGA中对产生的I、Q两路数据分别通过下式进行相位补偿：

其中f_r为距离频率，f_C为载频频率，t_m为方位向时间，a₁为走动补偿量，j为虚数单位，exp()为取指数运算式，H(f_r,t_m)为相位补偿后的结果；

(3b)将经过相位补偿之后的I、Q两路数据直接复用相加，得到整合复用信号数据流。

步骤4，对多通道DAC芯片进行参数的配置。

(4a)在FPGA中，通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块对多通道DAC芯片时钟配置软件进行操作，配置时钟参数，产生多通道DAC芯片工作所需的随路时钟、参考时钟和采样时钟，并通过锁相环锁定时钟频率；

(4b)在FPGA中，通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块对多通道DAC芯片串行外设接口SPI协议参数进行配置，参数包括多通道DAC芯片的数据输入SDI、数据输出SDO、时钟SCLK及片选CS引脚信号；

(4c)在FPGA中，通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块对发射通道外围电路参数进行配置，参数包括运算放大器参数、耦合器参数和增益放大器参数，设置增益衰减系数，避免信号失真。

步骤5，整合复用的数据流传递至多通道DAC芯片。

通过FPGA内部计数器产生脉冲重频信号，当脉冲重频信号为2V至5V之间的高电平时，在FPGA的控制下，将步骤3中整合复用信号数据流传递至FPGA芯片的数据输入输出IO端口，进而传至多通道DAC芯片；

当脉冲重频信号为0V至0.7V之间的低电平时，则不传递数据流至多通道DAC芯片。

步骤6，多通道DAC芯片对数据流进行数模转换，产生MIMO雷达回波模拟信号。

通过多通道DAC芯片数模转化功能实时的对数据流进行数模转换，把离散的数字信号转化为连续的模拟信号，进而产生MIMO雷达回波模拟信号，并通过多通道DAC芯片外围电路的发射通道将MIMO雷达回波模拟信号实时的发射出去。

以上所阐述的仅为本发明的具体实施方法，并未对本发明所涉及的内容进行任何的限制，因此对于熟悉本发明涵盖技术内容的专业人员来说，可以轻易的在本发明基础上进行各种形式的修改和添加，但是这些修改和添加都仍然在本发明所保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种基于MicroBlaze的MIMO雷达回波生成方法，是通过MicroBlaze和多通道DAC芯片实现，该MicroBlaze是FPGA中的一个嵌入器软核，其包括软件开发工具包SDK模块和嵌入式开发套件EDK模块，其特征在于，实现步骤包括如下：

(1)通过MicroBlaze软核，调用软件开发工具包SDK模块，配置雷达回波信号的参数，产生MIMO雷达回波信号数据流；

所述产生的雷达回波信号数据流，复数表达式为：

其中a_r为距离窗函数，a_m为方位向窗函数，为距离向时间，t_m为方位向时间，R₀为距离历程，c为光速，j为虚数单位，为信号相位，

相位信号的复数表达式为：

其中γ为调频率，λ为波长；

(2)将(1)产生的MIMO雷达回波信号数据流存入到FPGA的RAM中，在FPGA芯片内部对数据流进行数字正交下变频，形成I、Q两路数据；

(3)通过FPGA内部计数器产生脉冲重频信号，在脉冲重频信号高电平期间对(2)中产生的I、Q两路数据进行相位补偿并整合复用，以降低信号幅度的峰值比；

(4)通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块，对多通道DAC芯片进行参数的配置；

(5)在FPGA的控制下将(3)中整合复用的数据流传递至多通道DAC芯片中；

(6)多通道DAC芯片对整合复用的数据流进行数模转换，并在脉冲重频信号的控制下，实时生成MIMO雷达回波模拟信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(1)配置雷达回波信号的参数，包括设置载频频率、中频带宽、信号脉宽，并对信号进行分析、傅里叶变换、插值、滤波、调制及数字正交上变频。

3.根据权利要求1所述的方法，其中(3)对I、Q两路数据进行相位补偿并整合复用，其特征在于，实现步骤如下:

(3a)对I、Q两路数据分别通过下式进行相位补偿：

其中f_r为距离频率，f_C为载频频率，t_m为方位向时间，a₁为走动补偿量，j为虚数单位，H(f_r,t_m)为相位补偿后的结果；

(3b)将经过相位补偿之后的I、Q两路数据直接相加，得到整合复用信号数据流。

4.根据权利要求1所述的方法，其中(4)对多通道DAC芯片进行参数的配置，是通过MicroBlaze软核，调用嵌入式开发套件EDK模块配置如下参数:

一是对多通道DAC芯片时钟配置软件进行操作，配置时钟参数，产生随路时钟、参考时钟和采样时钟，并通过锁相环锁定时钟频率；

二是配置串行外设接口SPI协议参数，配置多通道DAC芯片的数据输入SDI、数据输出SDO、时钟SCLK及片选CS引脚信号；

三是配置发射通道外围电路参数，包括运算放大器参数、耦合器参数和增益放大器参数。

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