CN111812592B - 一种任意波形宽带雷达中频信号源 - Google Patents

一种任意波形宽带雷达中频信号源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任意波形宽带雷达中频信号源，包括壳体，所述壳体外部设置有多个不同类型的外部控制接口、信号输出接口，所述壳体内部设置有微控制模块、微处理模块、时钟产生电路模块、DAC模块、滤波放大模块；所述微控制模块扫描并编码外部控制接口发出的控制信号，并根据基本参数计算波形数据；所述微处理模块分类存储编码后的控制信号和波形数据，并根据波形数据产生脉冲包络信号，按照设定时间间隔向控制模块发送波形数据；所述时钟信号模块产生稳定频率的时钟信号输出给DAC模块，作为DAC模块的采样时钟信号；所述DAC模块根据脉冲包络信号读取波形数据，输出脉冲中频信号；所述滤波放大模块对脉冲中频信号进行滤波放大处理，由信号输出接口输出。

Description

一种任意波形宽带雷达中频信号源
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种任意波形宽带雷达中频信号源。
背景技术
雷达是英文Radar的音译，源于Radio Detection and Ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置，因此雷达也称为“无线电定位”。随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。
雷达系统在研制和生产过程中，需要对雷达性能及各项指标进行测试和验证。雷达信号模拟器可产生模拟雷达信号，能够使雷达系统的测试和验证快速高效，并能够提供可靠依据。而随着雷达技术的发展，雷达的种类更多、性能更高、功能更强大，则需要可模拟多种波形、宽频带的雷达信号，能够灵活调节信号参数的雷达信号模拟器为现代雷达系统的研制和生产提供保障。根据被测试的雷达系统的不同，对雷达信号模拟器的功能和性能的要求也有所不同，目前雷达信号模拟器通常是根据特定的被测试雷达系统的需求而单独定制开发，只能够产生特定的几种雷达信号，造成了雷达信号模拟器不具备很强的通用性，每一种雷达系统都需要配备其对应的专用的雷达信号模拟器。这样就使得雷达信号模拟器利用率降低，同时也增加了开发成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种任意波形宽带雷达中频信号源。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种任意波形宽带雷达中频信号源，其中：包括壳体，所述壳体外部设置有多个不同类型的外部控制接口、信号输出接口，所述壳体内部设置有微控制模块、微处理模块、时钟产生电路模块、DAC模块、滤波放大模块；
所述微控制模块扫描并编码外部控制接口发出的控制信号，并根据基本参数计算波形数据，按照设定时间间隔向微处理模块发送波形数据；
所述微处理模块分类存储编码后的控制信号和波形数据，并将接收的波形数据回传给微控制模块进行校验对比；
所述上变频组件与微处理模块进行控制数据的交换，对波形数据上变频至指定的频谱频率；
所述时钟信号模块产生稳定频率的时钟信号输出给DAC模块，作为DAC模块的采样时钟信号；
所述DAC模块根据微处理模块指令读取其波形数据，同时产生脉冲包络信号，并以该脉冲包络信号作为使能信号控制DAC模块输出脉冲中频信号；
所述滤波放大模块对脉冲中频信号进行滤波放大处理，由信号输出接口输出。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步的，外部控制接口包括矩阵按键接口、触控液晶屏接口和通信控制接口，所述微控制模块依次循环扫描矩阵按键接口、触控液晶屏接口和通信控制接口的控制信号，当接收到控制信号后停止扫描；
按帧格式编码该控制信号，将编码后的控制信号和波形数据发送给微处理模块，当处理结束后继续进行扫描，并通过触控液晶屏接口将控制操作界面显示在触控液晶屏上。
进一步的，波形数据包含波形点数据和脉冲数据，所述波形点数据根据设定的输出脉冲中频信号、调制方式和DAC模块的采样间隙来计算；所述脉冲数据根据设定的输出中频信号的脉冲重复周期、脉冲宽度与DAC模块采样间隔来计算。
进一步的，微处理模块包含通信单元、顶层数据交换单元、时钟信号控制单元、上变频组件控制单元、脉冲控制单元、RAM存储单元、DAC控制单元、第一DCM单元、第二DCM单元；
所述通信单元与顶层数据交换单元连接，所述顶层数据交换单元分别与时钟信号控制单元、上变频组件控制单元、脉冲控制单元、RAM存储单元连接，所述脉冲控制单元、RAM存储单元均与DAC控制单元连接，所述第一DCM单元分别与时钟控制信号单元、时钟产生电路模块连接，所述第二DCM单元与DAC控制单元连接。
进一步的，DAC模块包括相位累加器和相数转换器，所述相位累加器根据使能信号的判断是否进行相位累加，当使能信号为低电平时，控制模块输出信号为零电平；当使能信号为高电平时，通过相位累加器对相位值进行累加；
所述相数转换器将相位值转换为与其对应的RAM存储单元地址，通过RAM存储单元地址读取RAM存储单元中存储的波形数据值，同时接收脉冲控制单元输出的脉冲包络信号，根据脉冲包络信号输出波形数据。
进一步的，脉冲包络信号为高时，输出读取的RAM存储单元中存储的波形数据值，当脉冲包络信号为低时，停止读取RAM存储单元并输出一个恒定值使得DAC模块输出信号为零电平。
进一步的，DAC模块采用AD9736芯片，所述微控制模块采用STM32F429芯片，所述微处理模块采用Kintex-7系列XC7K7OT芯片，所述恒温晶振采用ECOC-2522-10型10MHz恒温晶振，所述时钟芯片采用HMC832A型号。
进一步的，时钟信号模块包括恒温晶振和时钟锁相芯片，所述恒温晶振产生参考时钟信号，经过时钟锁相芯片对参考时钟信号进行倍频和分频，并输出稳定的时钟信号至DAC模块。
进一步的，还包括：电源模块，所述电源模块包括数字电源、模拟电源和时钟电源，所述数字电源给微控制模块、微处理模块以及DAC模块的数字部分供电，所述模拟电源向DAC模块的模拟部分以及放大滤波模块供电，所述时钟电源给时钟信号模块供电，所述数字电源采用LMZ14203、TPS54620、TPS56121型号的开关电源；所述模拟电源采用LM1085-5、LM1085-3.3、LM1085-ADJ型号的线性电源，所述时钟电源采用LP3878、HMC1060型号的低噪声电源。
本发明的有益效果：
本发明一种任意波形宽带雷达中频信号源，采用了“微控制模块+微处理模块”双控制设计，利用了微控制模块便于实现接口控制及数学计算，以及微处理模块能够实现实时处理及高速信号接口的控制的优势，提高了系统的效率，同时降低了系统编程复杂度。
采用采样频率高达1.2GHz的DAC模块产生信号，提高输出信号的带宽，且波形可通过编程任意设计；具有多种不同的外部控制接口及上变频组件控制接口，通过微处理模块同步实现对脉冲中频信号上变频至指定的射频频率，使得本雷达中频信号源能够适用于多种雷达发射机系统，同时具备了触控液晶屏接口，在连接液晶屏后可显示控制界面，便于实现人机交互功能。
附图说明
图1为本发明系统电路结构图；
图2为本发明的时钟部分电路结构图；
图3为本发明的外部控制接口扫描过程流图；
图4为本发明的微控制器与FPGA通信连接图；
图5为本发明的DAC模块结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
如图1所示，本发明为一种任意波形宽带雷达中频信号源，其中：包括壳体，所述壳体外部设置有多个不同类型的外部控制接口、信号输出接口，所述壳体内部设置有微控制模块、微处理模块、时钟产生电路模块、DAC模块、滤波放大模块；
所述微控制模块扫描并编码外部控制接口发出的控制信号，并根据基本参数计算波形数据；
所述微处理模块分类存储编码后的控制信号和波形数据，并根据波形数据产生脉冲包络信号，按照设定时间间隔向控制模块发送波形数据；
所述时钟信号模块产生稳定频率的时钟信号输出给DAC模块，作为DAC模块的采样时钟信号；
所述DAC模块根据脉冲包络信号读取波形数据，输出脉冲中频信号；
所述滤波放大模块对脉冲中频信号进行滤波放大处理，由信号输出接口输出。
其具体实现步骤如下，
微处理模块配置时钟锁相芯片产生1.2GHz的时钟信号：
如图2所示：微处理模块采用外部晶振作为系统时钟源，通过SPI总线配置时钟锁相芯片，将高稳定度温度补偿晶振产生的10MHz信号通过锁相倍频至1.2GHz输出给DAC模块，作为DAC模块的采样时钟信号。
时钟锁相芯片选用HMC832A芯片，该芯片集成了基频范围为1.5GHz～3.0GHz的压控振荡器(VCO)以及集成式VCO输出分频器，使得该芯片能够产生范围为25MHz～3000MHz的连续频率。
恒温晶振采用ECS公司生产的ECOC-2522-10.000-5HS温度补偿晶振，它能产生稳定的10MHz频率信号，在-40℃～+75℃的工作温度下频率稳定度可达±30ppb，其相位噪声低至-150dBc/Hz(@10kHz)，同时内部集成温度补偿电路，能够在外部温度产生变化时使晶振内部温度保持稳定，从而保持输出频率的稳定。
微控制模块循环扫描外部控制接口：
如图3所示，系统预留了三种不同的外部控制接口，分别为矩阵按键接口、触控液晶屏接口和串行通信接口，均由微控制模块进行控制，其中串行通信接口与微处理模块之间连接有422芯片，微控制模块在系统初始化后开始循环扫描三个接口，在读取到其中一个接口的输入命令后停止扫描并开始执行命令；在一条命令执行完毕后继续开始循环扫描接口，直至下一次读取到其中一个接口的输入命令。在此过程中，微控制模块控制液晶屏接口输出信号控制液晶屏显示当前工作状态界面，若本雷达中频信号源通过接口连接了液晶屏即可在液晶屏上显示出控制界面。
微控制模块在接收到控制信号后计算波形数据：
微控制模块在接收到外部控制命令后计算输出波形相关数据，包括波形点数据和脉冲数据。计算波形点数据的过程为：根据设定的输出中频信号频率、调制方式与DAC模块采样间隔，按顺序计算出波形查找表中的每个点的数据，并量化为14bit的二进制数据；计算脉冲数据的过程为：根据设定的输出中频信号的脉冲重复周期、脉冲宽度与DAC模块采样间隔，计算每个脉冲、脉冲周期中包含的采样点数。
微控制模块将波形数据和指令下发至微处理模块。
如图4所示，微控制模块和微处理模块之间采用SPI通信总线进行通信，以微控制模块作为主机，微处理模块为从机，SPI通信总线串行时钟速率为50MHz，每个数据帧长度为16bit。微控制模块将控制字按照帧格式进行编码，并通过SPI总线发送给微处理模块，其中在发送波形点数据时每计算一个点的数据后就执行一次数据发送过程将该数据发送给微处理模块；微处理模块在接收到数据后再将数据回传至微控制模块，微控制模块对微处理模块返回的数据进行校验比对，确认微处理模块收到数据并且数据正确。
微处理模块存储波形数据并根据指令控制DAC模块输出脉冲中频信号：
如图5所示，微处理模块在接收到微控制模块发送的数据后首先在顶层数据交换单元中判断该数据类型，控制字存入寄存单元，波形数据存入RAM存储单元中；微处理模块根据脉冲数据通过计数单元在模拟信号输出时同步产生脉冲包络；微处理模块根据寄存单元配置、波形数据以及脉冲包络控制DAC模块输出指定的中频波形。
该DAC模块采用Analog Devices公司生产的AD9736，它是一款高性能、高频率的14位DAC芯片，其采样频率最高可达1.2GSPS，具有出色的动态性能，无杂散动态范围在输出信号频率为50MHz时可达80dBc。
DAC模块包含相位累加器和相数转换器，DAC模块在其使能信号为低时输出一个恒定值使得DAC输出信号为零电平，在使能信号为高时通过相位累加器累加相位，通过相数转换器将相位值转换成与其对应的RAM存储单元地址，通过RAM存储单元地址读取RAM模块中存储的波形数据值并输出至DAC模块，在读取波形数据的同时接收脉冲控制模块输出的脉冲包络信号，当读取到脉冲包络信号为高时输出从RAM模块中读取的波形数据，当读取到脉冲包络信号为低时停止读取RAM模块并输出一个恒定值使得DAC模块输出信号为零电平，从而实现输出脉冲信号的功能。
微处理模块向上变频组件发送指令对上变频组件进行控制：
本雷达中频信号源还包含并行控制接口，RS-422串行控制接口两种不同的上变频组件控制接口，由微处理模块进行控制，其中RS-422串行控制接口与微处理模块之间连接有422芯片，对不同类型的雷达信号模拟器中的上变频组件的控制。微处理模块将上变频控制信号按照上变频组件控制的通信协议进行编码，并通过指定的控制接口发送控制命令，实现对外接上变频组件的控制。
任意波形宽带雷达中频信号源主要器件为：
微控制模块，选用STMicroelectronics公司STM32F4微控制器系列的STM32F429芯片。
微处理模块，选用Xilinx公司Kintex-7系列的XC7K7OT芯片。
DAC模块，选用Analog Devices公司的AD9736芯片。
时钟锁相芯片的选择：
Analog Devices公司的HMC832A
高稳定度温度补偿晶振的选择：
ECS公司的ECOC-2522-10.000-5HS
电源芯片的选择：
数字电源：12V转5V选用LMZ14203，5V转3.3V采用TPS56121，5V转2.5V采用TPS54620，5V转1.8V采用TPS56121，5V转1.0V采用TPS54620
模拟电源：12V转5V采用LM1085-5.0，5V转3.3V采用LM1085-3.3，5V转1.8V采用LM1085-ADJ
时钟器件电源：晶振12V转5V采用LP3878-ADJ，HMC832A采用HMC1060专用供电芯片供电。
本发明任意波形宽带雷达中频信号源，在实际的实验过程中测试通过，实现了任意波形宽带雷达中频信号的产生，并且有以下特点：
可产生最高600MHz带宽的雷达中频信号，且信号波形在带宽范围内可任意设计。
具有多种控制接口，可通过不同的控制方式控制本雷达中频信号源。
具有多种上变频组件控制接口，可控制不同接口的上变频组件。
主要功能通过编程简单，易于修改，使系统具有很大的通用性和灵活性。
完整实现预期的功能，实现简单。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于：包括壳体，所述壳体外部设置有多个不同类型的外部控制接口、信号输出接口，所述壳体内部设置有微控制模块、微处理模块、上变频组件、时钟产生电路模块、DAC模块、滤波放大模块；
所述微控制模块扫描并编码外部控制接口发出的控制信号，并根据基本参数计算波形数据，按照设定时间间隔向微控制模块发送波形数据；
所述微处理模块分类存储编码后的控制信号和波形数据，并将接收的波形数据回传给微控制模块进行校验对比；
所述上变频组件与微处理模块进行控制数据的交换，对波形数据上变频至指定的频谱频率；
所述时钟产生电路模块产生稳定频率的时钟信号输出给DAC模块，作为DAC模块的采样时钟信号；
所述DAC模块根据微处理模块指令读取其波形数据，同时产生脉冲包络信号，并以该脉冲包络信号作为使能信号控制DAC模块输出脉冲中频信号；
所述滤波放大模块对脉冲中频信号进行滤波放大处理，由信号输出接口输出；
所述微处理模块包含通信单元、顶层数据交换单元、时钟信号控制单元、上变频组件控制单元、脉冲控制单元、RAM存储单元、DAC控制单元、第一DCM单元、第二DCM单元；
所述通信单元与顶层数据交换单元连接，所述顶层数据交换单元分别与时钟信号控制单元、上变频组件控制单元、脉冲控制单元、RAM存储单元连接，所述脉冲控制单元、RAM存储单元均与DAC控制单元连接，所述第一DCM单元分别与时钟控制信号单元、时钟产生电路模块连接，所述第二DCM单元与DAC控制单元连接；
所述DAC模块包括相位累加器和相数转换器，所述相位累加器根据使能信号的判断是否进行相位累加，当使能信号为低电平时，控制模块输出信号为零电平；当使能信号为高电平时，通过相位累加器对相位值进行累加；
所述相数转换器将相位值转换为与其对应的RAM存储单元地址，通过RAM存储单元地址读取RAM存储单元中存储的波形数据值，同时接收脉冲控制单元输出的脉冲包络信号，根据脉冲包络信号输出波形数据；
所述脉冲包络信号为高时，输出读取的RAM存储单元中存储的波形数据值，当脉冲包络信号为低时，停止读取RAM存储单元并输出一个恒定值使得DAC模块输出信号为零电平。
2.根据权利要求1所述的一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于：所述外部控制接口包括矩阵按键接口、触控液晶屏接口和通信控制接口，所述微控制模块依次循环扫描矩阵按键接口、触控液晶屏接口和通信控制接口的控制信号，当接收到控制信号后停止扫描；
按帧格式编码该控制信号，将编码后的控制信号和波形数据发送给微处理模块，当处理结束后继续进行扫描，并通过触控液晶屏接口将控制操作界面显示在触控液晶屏上。
3.根据权利要求2所述的一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于：所述波形数据包含波形点数据和脉冲数据，所述波形点数据根据设定的输出脉冲中频信号、调制方式和DAC模块的采样间隙来计算；所述脉冲数据根据设定的输出中频信号的脉冲重复周期、脉冲宽度与DAC模块采样间隔来计算。
4.根据权利要求1所述的一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于：所述时钟产生电路模块包括恒温晶振和时钟锁相芯片，所述恒温晶振产生参考时钟信号，微控制模块控制时钟锁相芯片对参考时钟信号进行倍频和分频，并输出稳定的时钟信号至DAC模块。
5.根据权利要求4所述的一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于：所述DAC模块采用AD9736芯片，所述微控制模块采用STM32F429芯片，所述微处理模块采用Kintex-7系列XC7K70T芯片，所述恒温晶振采用ECOC-2522-10型10MHz恒温晶振，所述时钟锁相芯片采用HMC832A型号。
6.根据权利要求1所述的一种任意波形宽带雷达中频信号源，其特征在于，还包括：电源模块，所述电源模块包括数字电源、模拟电源和时钟电源，所述数字电源给微控制模块、微处理模块以及DAC模块的数字部分供电，所述模拟电源向DAC模块的模拟部分以及放大滤波模块供电，所述时钟电源给时钟信号模块供电，所述数字电源采用LMZ14203、TPS54620、TPS56121型号的开关电源；所述模拟电源采用LM1085-5、LM1085-3.3、LM1085-ADJ型号的线性电源，所述时钟电源采用LP3878、HMC1060型号的低噪声电源。
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