CN113109773A - 一种基于vpx的分布式雷达回波信号模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达回波信号模拟技术领域，为一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法，包括集成于VPX机箱内的电源单元、背板单元、主控单元、射频单元及多个波形模拟单元。基于高速采样技术、NVMe数据存储管理技术、VPX架构，提出了多通道、高带宽、同步雷达回波信号模拟方法与系统，其中高速采样技术基于高速ADC/DAC与高性能FPGA，实现了高速采样数据的实时处理，使得高精度雷达回波模拟成为可能；基于VPX架构，各个模块通过背板高速互连，既可以实现多通道的灵活扩展，也方便实现多通道的同步工作。

Description

一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及雷达回波信号模拟技术领域，具体涉及一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法。

背景技术

雷达目标回波模拟技术用于雷达系统的研究、开发、调试及验证，节约研制成本，缩短研发周期；目前已有的实现方案为基于DRFM(数字射频存储技术)，DRFM采用存储阵列将接收到的雷达射频信号的波形实时存储起来，然后根据相应的模拟参数对接收信号进行调制，经射频链路放大后进行转发，包含的模块有ADC模块、存储模块、DAC模块、微波单元。目前主要方案采用基于PC的工作架构，使用PC机的通用计算能力，配备PCI/PCIE采集卡、存储卡、回放卡、射频卡等，通过软件编程控制各个板卡，用户通过图形用户界面设置目标回波参数、目标环境参数等，实现雷达回波模拟功能。

目前基于PC架构的技术方案中，由于PC处理能力受限与PCI/PCIE速率受限，ADC、DAC模块采样率较低，不适用高精度雷达回波模拟；存储模块若采用DDR，虽速度较快，但容量较小，模拟回波时长有限，若采用SSD等硬盘，虽容量较大，但速度较慢，模拟回波精度不高；受PC的PCI/PCIE扩展槽位、主板总线速率、CPU运算能力限制，无法提供多通道、高带宽雷达回波信号模拟，若多台PC级联，则无法实现多通道的同步，不适用多通道合成孔径雷达、激光雷达等的研制与测试。

发明内容

本发明提供了一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法，解决了以上所述的传统基于PC架构的雷达回波信号模拟容量小、无法多通道同步的技术问题。

本发明为解决上述技术问题提供了一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，包括集成于VPX机箱内的电源单元、背板单元、主控单元、射频单元及多个波形模拟单元；

所述电源单元用于提供不同电压大小的电源，并通过背板单元给其他各单元供电；

所述主控单元用于提供人机操作界面，用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据；

所述射频单元包含低频晶振、高频时钟发生器、同步时钟发生器和上变频模块，低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

所述波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

可选的，所述主控单元包括通用计算机控制模块，所述通用计算机控制模块集成CPU、DDR、硬盘、PCIE、以太网控制器芯片、显示驱动芯片、USB接口芯片。

可选的，所述主控单元还用于通过修改上位机软件、调整系统工作模式及工作参数。

可选的，所述背板单元包含用于分别给各单元提供不同电压的电源线及用于同步信号传输的数据线。

可选的，所述背板单元的数据连接线包含I²C、SPI、SRIO、千兆网络、Aurora及用户自定义总线，所述自定义总线包含离散的LVTTL、LVDS。

可选的，各所述单元之间的指令交互采用千兆以太网(BbE)，所述千兆以太网(BbE)支持10/100/1000Mbps自适应全双工。

可选的，所述波形模拟单元包含FPGA与超高速DAC，每个波形模拟单元可以输出m路中频信号，m范围为1-16，n个波形模拟单元可以输出的中频信号为m*n路，n为正整数。

可选的，各所述波形模拟单元通过同步输入、同步输出接口形成菊花链结构，保持工作时序的一致性。

本发明还提供了一种用于基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统的方法，包括：

用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据；

低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

有益效果：本发明提供了一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法，包括集成于VPX机箱内的电源单元、背板单元、主控单元、射频单元及多个波形模拟单元。基于高速采样技术、NVMe数据存储管理技术、VPX架构，提出了多通道、高带宽、同步雷达回波信号模拟方法与系统，其中高速采样技术基于高速ADC/DAC与高性能FPGA，实现了高速采样数据的实时处理，克服了PC架构中采样率低的缺点，使得高精度雷达回波模拟成为可能；NVMe数据存储管理技术基于NVMe硬盘，在与SSD硬盘容量一致的情况下，速率提升5倍以上，从而支持了长时间、高速率雷达回波信号的存储与回放，克服PC架构模拟时长与速率无法两全的缺点；基于VPX架构，各个模块通过背板高速互连，既可以实现多通道的灵活扩展，也方便实现多通道的同步工作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法的功能原理图；

图2为本发明基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统及方法的波形模拟单元的功能原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图2所示，本发明提供了一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，包括集成于VPX机箱内的电源单元、背板单元、主控单元、射频单元及多个波形模拟单元；

所述电源单元用于提供不同电压大小的电源，并通过背板单元给其他各单元供电；

所述主控单元用于提供人机操作界面，用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据；

所述射频单元包含低频晶振、高频时钟发生器、同步时钟发生器和上变频模块，低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

所述波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

该系统基于高速采样技术、NVMe数据存储管理技术、VPX架构，提出了多通道、高带宽、同步雷达回波信号模拟方法与系统，其中高速采样技术基于高速ADC/DAC与高性能FPGA，实现了高速采样数据的实时处理，克服了PC架构中采样率低的缺点，使得高精度雷达回波模拟成为可能；NVMe数据存储管理技术基于NVMe硬盘，在与SSD硬盘容量一致的情况下，速率提升5倍以上，从而支持了长时间、高速率雷达回波信号的存储与回放，克服PC架构模拟时长与速率无法两全的缺点；基于VPX架构，各个模块通过背板高速互连，既可以实现多通道的灵活扩展，也方便实现多通道的同步工作。

系统采用符合OpenVPX/VPX标准与VITA46/VITA65规范的4-18槽位不等的VPX机箱，具体槽位数量与通道数量相关。系统包含电源单元、主控单元、射频单元、波形模拟单元和背板单元。

系统说明如下：

(1)电源单元为其他单元提供供电，将输入的交流电或直流电转换为其他板卡所需的5V、12V等电压，其他单元通过背板从电源单元上取电；

(3)背板单元的数据连接线包含I2C、SPI、SRIO、千兆网络、Aurora及用户自定义总线，自定义总线由离散的LVTTL、LVDS等组成，满足系统对同步信号的需求。

(4)单元之间的指令交互采用千兆网络，GbE支持10/100/1000Mbps自适应全双工；

(5)主控单元为高性能通用计算机控制模块，集成CPU、DDR、硬盘、PCIE、以太网控制器芯片、显示驱动芯片、USB接口芯片，功能为提供人机操作界面，用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态、传输数据等，还可以通过修改上位机软件，调整系统工作模式与工作参数。

(6)射频单元包含低频晶振、高频时钟发生器、同步时钟发生器和上变频模块。其中，低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性好的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性好的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号。

(7)n个波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元，上变频为射频信号。

(8)波形模拟单元的设计如图2所示，主要芯片为FPGA与超高速DAC，对外数据接口包含光纤、网络、LVDS等，背板接口包含满足VPX标准的供电、高速数据、同步信号等，每个波形模拟单元可以输出m路中频信号，m范围为1-16，n个波形模拟单元可以输出的中频信号为m*n路。多个波形模拟单元可以通过同步输入、同步输出接口形成菊花链结构，保持工作时序的一致性。

本发明实施例还提供了一种用于基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统的方法，包括：

用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据，采用NVMe标准进行数据存储；

低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

该方法采用的是前面所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，该系统的具体结构及用途原理在此不再赘述。

本发明的优点是集成度高、通道数多、带宽大、同步性好。其中，集成度高是指本发明所设计的分布式雷达回波信号模拟系统将电源、主控制器、射频处理、波形模拟集成到一个VPX机箱，并且可以自由增减模拟通道数量，相比分离式，集成度更高、体积更小；通道数多是指本发明支持m*n通道的雷达回波信号模拟，其中m为单个波形模拟单元的通道数，n为波形模拟单元数量，可以满足多通道模拟的要求；带宽大是指本发明采用超高速DAC，采样率1GHz-18GHz，单通道带宽可到9GHz，满足高分辨率的带宽要求；同步性好是指本发明的多个模拟通道共用工作时钟、采样时钟和同步信号，通道之间保持高度的一致性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，包括集成于VPX机箱内的电源单元、背板单元、主控单元、射频单元及多个波形模拟单元；

所述电源单元用于提供不同电压大小的电源，并通过背板单元给其他各单元供电；

所述主控单元用于提供人机操作界面，用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据；

所述射频单元包含低频晶振、高频时钟发生器、同步时钟发生器和上变频模块，低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

所述波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

2.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，所述主控单元包括通用计算机控制模块，所述通用计算机控制模块集成CPU、DDR、硬盘、PCIE、以太网控制器芯片、显示驱动芯片、USB接口芯片。

3.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，所述主控单元还用于通过修改上位机软件、调整系统工作模式及工作参数。

4.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，所述背板单元包含用于分别给各单元提供不同电压的电源线及用于同步信号传输的数据线。

5.根据权利要求4所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，所述背板单元的数据连接线包含I²C、SPI、SRIO、千兆网络、Aurora及用户自定义总线，所述自定义总线包含离散的LVTTL、LVDS。

6.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，各所述单元之间的指令交互采用千兆以太网(BbE)，所述千兆以太网(BbE)支持10/100/1000Mbps自适应全双工。

7.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，所述波形模拟单元包含FPGA与超高速DAC，每个波形模拟单元可以输出m路中频信号，m范围为1-16，n个波形模拟单元可以输出的中频信号为m*n路，n为正整数。

8.根据权利要求1所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统，其特征在于，各所述波形模拟单元通过同步输入、同步输出接口形成菊花链结构，保持工作时序的一致性。

9.一种用于如权利要求1至8任一项所述的基于VPX的分布式雷达回波信号模拟系统的方法，其特征在于，包括：

用户通过主控单元向系统其他单元发送指令、获取状态及传输数据，采用NVMe标准进行数据存储；

低频晶振为波形模拟单元提供高稳定、低漂移、统一的本振信号，高频时钟发生器为波形模拟单元提供同步性的高频采样时钟，同步时钟发生器为波形模拟单元提供一致性的同步工作时钟，上变频模块将波形模拟单元输出的中频信号上变频至射频信号；

波形模拟单元在主控单元的统一控制下，从射频单元获取本振信号、采样时钟、工作时钟，输出中频信号至射频单元。

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