CN116930892A - 基于zynq的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统 - Google Patents

基于zynq的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统 Download PDF

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戴峥
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虞文超
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Abstract

本发明公开了一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,系统包括命令参数交互模块、可重构随机信号源以及回波模拟模块;命令参数交互模块用于控制计算机与系统子模块间数据交互,数据中的波形参数和回波模拟目标参数用于控制可重构随机信号源以及回波模拟模块;可重构随机信号源用于数字基带随机信号的产生;回波模拟模块用于产生目标距离、速度、信噪比可控制的基带模拟回波。本发明可解决常规雷达系统探测体制单一,环境适应力差的问题,大大提高雷达系统的抗干扰和低截获性能,同时回波模拟模块可在信号处理系统研发过程中进行自测,缩短研发测试时间,整个信号系统可广泛应用于各种机载雷达和弹载雷达中。

Description

基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统
技术领域
本发明涉及雷达信号产生技术领域,尤其涉及一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统。
背景技术
随着电子对抗技术的发展,机载/弹载雷达作为信息系统与武器交联的关键部件,亟须提升自身抗干扰能力和低截获性能,以应变电子对抗技术的进步和战场电磁环境日益复杂的问题,来保证雷达在复杂环境中的性能。
常规单一探测体制雷达的雷达信号类型以及各项参数固定,当信号参数被敌方截获识别后,雷达的探测性能会大大下降甚至失效。
同时随着现代雷达技术的日益发展,在雷达设计中,对雷达信号处理系统各项指标的检测和性能测试必不可少,采用外部模拟回波信号的方式结构复杂、操作困难,而采用数字芯片的雷达回波模拟器具有结构简单、实时性高等优点。
发明内容
本发明提供了一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,可重构随机雷达信号产生可解决单一探测体制抗干扰能力差的问题,内嵌的回波模拟器可用于雷达信号处理系统的测试。
实现本发明的技术方案为:一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,包括命令参数交互模块、可重构随机信号源以及回波模拟模块;
所述命令参数交互模块用于控制计算机与系统子模块间数据交互,数据中的波形参数和回波模拟目标参数用于控制可重构随机信号源以及回波模拟模块;
所述可重构随机信号源用于数字基带随机信号的产生;
所述回波模拟模块用于产生目标距离、速度、信噪比可控制的基带模拟回波。
进一步的,所述命令参数交互模块中数据包含信号类型、信号带宽、信号时宽、信号周期、信号有效位数、模拟目标距离、模拟目标速度和模拟目标强度。
进一步的,所述可重构随机信号源包括可重构随机相位编码信号源、可重构随机OFDM信号源、可重构随机NFM信号源,按照参数进行随机相位编码信号、随机OFDM信号和随机噪声调频信号的波形切换;
随机相位编码信号在带宽26.7MHz至80MHz、时宽25ns至129ns、脉冲重复周期100ns至400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控;
随机OFDM信号在带宽40MHz/80MHz/100MHz、时宽50ns/100ns、脉冲重复周期200ns/400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控;
随机NFM信号在带宽40MHz至110MHz、时宽25ns至100ns、脉冲重复周期100ns至400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控。
进一步的,可重构随机相位编码信号源包括使能时钟门控电路、32位移位寄存器电路、编码转换电路和脉冲转换电路;
所述使能时钟门控电路中驱动移位寄存器的门控时钟的周期由参数控制,实现带宽动态调控;
所述32位移位寄存器电路和编码转换电路用于产生由门控时钟控制的随机码并进行码值极性转换和位宽扩展,产生功率动态调控的相位编码信号;
所述脉冲转换电路通过调整数据位宽和数据长度,实现时宽脉冲重复周期和功率的动态调控。
进一步的,可重构随机OFDM信号源包括多载波产生电路、随机码产生电路、幅度控制电路和数据转换电路;
所述随机码产生电路采用多级移位寄存器作为OFDM信号传输的码元;
所述多载波产生电路用于带宽、时宽参数产生多路正交载波,实现信号带宽的动态调控;
所述幅度控制电路调整数据位宽实现信号功率控制,数据转换电路使用两个计数器控制数据有效点数实现向脉冲信号转换过程中时宽和脉冲重复周期的动态调控。
进一步的,可重构随机NFM信号源包括高斯噪声产生电路、FIR窄带低通滤波电路、直流抵消电路、带宽控制电路、积分累加电路、三角函数计算电路和脉冲转换电路;
所述高斯噪声产生电路采用基于中心极限定理的方式产生高斯噪声;
所述FIR窄带低通滤波电路和直流抵消电路用于对高斯噪声进行低通滤波和去直流,使其变为零均值窄带高斯噪声;
所述积分累加电路和三角函数计算电路用于对零均值窄带高斯噪声进行调制,实现信号的频率调制;
所述带宽控制电路通过改变频率控制字和直流数值来实现带宽的调控;
所述脉冲转换电路通过控制数据位宽和长度实现信号功率、时宽和脉冲重复周期的动态调控。
进一步的,所述回波模拟模块包括延时电路、多普勒频率附加电路、信噪比控制电路和高斯噪声添加电路;
所述延时电路采用多级触发器以及数据选择器实现,通过改变回波信号的延时来模拟目标的距离;
所述多普勒频率附加电路采用DDS电路以及复数乘法器实现,通过在回波信号附加多普勒频率来模拟目标的速度;
所述信噪比控制电路采用定点数乘法器与数据截位器实现,通过改变回波信号的幅度来控制信噪比;
所述高斯噪声添加电路采用基于中心极限定理的多级移位寄存器相加实现,用于在回波信号中添加高斯噪声
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
(1)本发明基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,在不采用合成带宽的技术下,数字雷达信号具有较大的带宽,同时产生的雷达信号具有近似“图钉型”的模糊函数,具有优良的抗干扰和低截获性能;
(2)本发明基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,内含三种随机雷达信号源,可通过控制计算机设计和下发信号类型以及各项参数,可以灵活调整各项参数,在实际工作中,可通过改变探测体制或者改变信号参数来消除或降低敌方干扰机对我方雷达的干扰,提高我方雷达在对战过程中生存能力和检测能力;
(3)本发明基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,内嵌回波模拟器,可模拟信号产生装置所对应的模拟回波,其模拟目标的参数由控制计算机进行下发,嵌入的回波模拟器可减小信号处理系统在研发测试中的工作量,缩短研发时间;
(4)本发明基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,系统参数配置可由闪存和控制计算机联合实现,控制计算机可动态写入和擦除闪存的数据内容以改变系统上电时的初始工作状态,减小雷达系统的操作复杂度,还可随时通过控制计算机下发命令动态改变系统工作状态。
附图说明
图1是本发明基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统的结构框图。
图2是PS端软件控制程序工作流程图。
图3是可重构随机相位编码信号源的产生结构框图。
图4是可重构随机OFDM信号源的产生结构框图。
图5是可重构随机NFM信号源的产生结构框图。
图6是回波模拟器的工作结构框图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及具体实施方式,对依据本发明提出的一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统进行详细说明。
请参见图1,图1是本发明实施例提供的一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统的结构框图。该重构随机雷达信号产生与回波模拟系统主要包括命令参数交互模块100、信号源控制器、可重构随机信号源、以及回波模拟模块104,其中,命令参数交互模块100用于系统与控制计算机的数据交互,将系统所需要的各项参数通过由控制计算机CPU的缓存中,再由存储介质(DDR/RAM)传输到PL并下发到各个模块中;
所述可重构随机信号源可产生参数可重构的随机相位编码信号、随机OFDM(正交频分复用)信号和随机NFM(噪声调频)信号;可重构随机信号源包括可重构随机相位编码信号源101、可重构随机OFDM信号源102、可重构NFM信号源103;
所述可重构随机相位编码信号源可产生带宽范围26.7MHz至80MHz、时宽范围25ns至129ns、脉冲重复周期范围100ns至400ns的脉冲信号;
所述可重构随机OFDM信号源可产生带宽40MHz/80MHz/100MHz、时宽50ns/100ns、脉冲重复周期200ns/400ns的脉冲信号;
所述可重构随机NFM信号源可产生带宽范围40MHz至110MHz、时宽范围25ns至100ns、脉冲重复周期范围100ns至400ns的脉冲信号。
所述回波模拟模块可模拟目标距离、速度和信噪比均可控制的回波信号。
在本实施例中,可以通过控制计算机设置探测体制和波形参数,包括探测波形、信号带宽、信号时宽和脉冲重复周期。然后将数据传输到ZYNQ,并将数据保存,图2是PS端软件控制程序工作流程图,CPU初始时读取Flash进行数据包判断,之后进行数据传输,在工作过程中可响应串口中断接收控制计算的数据包,采用Flash进行参数存储,使系统再次上电时保持最后一次的运行状态。
本实施例的可重构随机相位编码信号源101采用m序列作为编码序列,请参见图3,图3是本发明实施例提供的可重构随机相位编码信号产生框图,结合相位编码信号公式a(t)为幅度函数,决定信号的幅度,/>为相位调制函数,/>在数字域下为编码序列,本实施例采用32位线性反馈移位寄存器402实现,具有232中状态,依此来保证编码的随机性,多级时钟使能信号401用于对同一时钟产生不同效果的时钟门控来驱动移位寄存器工作并改变输出码频来调控随机相位编码信号的带宽。
所述编码转换电路403和脉冲转换电路404分别用于单极性码到双极性码的转换以及双极性码到多位宽脉冲信号的转换。
本实施例的可重构OFDM信号源102结构请参见图4,根据OFDM信号基带表达式 是第n个子载波系数加权,|wn|是幅值加权,/>是相位加权,θn是初始相位,un(t)为第n个子载波信号复包络,fn=(n-1)Δf是第n个子载波信号的载频,Δf是最小子载波间隔,/>是在n个载波上第m个码元上的相位编码,φn,m是相位编码所对应的相位,tb是码元时宽,N是载波数,M是单个载波上的码元数,本实例产生的OFDM信号采用N>1、M=1的形式,32位线性反馈移位寄存器402为编码来保证信号的随机性,同相载波产生电路510、正交载波产生电路502与选择电路可选择n'条相互正交的子载波,载波的个数宽度由参数控制以实现信号带宽的调控,幅度控制电路503用于因载波数不同引起幅度改变的调控,使信号输出的幅度保持在一稳定值,经脉冲转换电路404后转换为相应参数下的脉冲信号,实现信号时宽和脉冲重复周期的动态调控。
本实施例的可重构NFM信号源103结构请参见图5,根据NFM信号基带表达式A为噪声调频信号的幅度,K为调频系数,调制噪声u(τ)为零均值、广义平稳的随机过程,本实例采用基于中心极限定理的方法产生高斯噪声,采用8路15位线性反馈寄存器电路601产生高斯噪声,16阶的低通滤波电路602将噪声变为窄带高斯噪声,频率控制字ROM604和直流抵消ROM603用于实现信号带宽的调控,29位累加器电路605实现积分算法,三角函数计算电路606用于信号的调制,脉冲转换电路404用于时宽和脉冲重复周期的动态调控。
如图6所示,本实施例的回波模拟器104包括延时电路701、多普勒频率添加电路702、信噪比控制电路703和高斯噪声添加电路704,其中,延时电路701由多级触发器和数据选择器组成;多普勒频率添加电路702由复数乘法电路和DDS电路组成;信噪比控制电路703由乘法器和截位器组成;高斯噪声添加电路704由I路高斯噪声产生电路705、Q路高斯噪声产生电路706和加法器组成。
具体地,所述延时电路701用于模拟电磁波在雷达与目标间传输过程中造成的延时;数据选择器用于延时的调控;多普勒添加电路702用于模拟目标与雷达存在相对径向速度因多普勒效应而产生的多普勒频率;信噪比控制电路703通过控制信号的幅度来模拟回波信号的信噪比;高斯噪声添加电路704用于模拟回波在接收机产生的热噪声。
本实施例基于ZYNQ的可重构随机雷达产生与回波模拟系统,不仅可产生波形可选择、参数可重构的随机雷达信号,提高雷达系统的抗干扰和低截获性能,还可以通过内部回波模拟器进行模拟雷达回波,缩短雷达信号处理系统的研发测试时间。
以上内容是结合具体的优选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。对于本发明所述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 (7)

1.一种基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,包括命令参数交互模块、可重构随机信号源以及回波模拟模块;
所述命令参数交互模块用于控制计算机与系统子模块间数据交互,数据中的波形参数和回波模拟目标参数用于控制可重构随机信号源以及回波模拟模块;
所述可重构随机信号源用于数字基带随机信号的产生;
所述回波模拟模块用于产生目标距离、速度、信噪比可控制的基带模拟回波。
2.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,所述命令参数交互模块中数据包含信号类型、信号带宽、信号时宽、信号周期、信号有效位数、模拟目标距离、模拟目标速度和模拟目标强度。
3.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,所述可重构随机信号源包括可重构随机相位编码信号源、可重构随机OFDM信号源、可重构随机NFM信号源,按照参数进行随机相位编码信号、随机OFDM信号和随机噪声调频信号的波形切换;
随机相位编码信号在带宽26.7MHz至80MHz、时宽25ns至129ns、脉冲重复周期100ns至400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控;
随机OFDM信号在带宽40MHz/80MHz/100MHz、时宽50ns/100ns、脉冲重复周期200ns/400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控;
随机NFM信号在带宽40MHz至110MHz、时宽25ns至100ns、脉冲重复周期100ns至400ns、功率-30dBm至0dBm范围内进行调控。
4.根据权利要求3所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,可重构随机相位编码信号源包括使能时钟门控电路、32位移位寄存器电路、编码转换电路和脉冲转换电路;
所述使能时钟门控电路中驱动移位寄存器的门控时钟的周期由参数控制,实现带宽动态调控;
所述32位移位寄存器电路和编码转换电路用于产生由门控时钟控制的随机码并进行码值极性转换和位宽扩展,产生功率动态调控的相位编码信号;
所述脉冲转换电路通过调整数据位宽和数据长度,实现时宽脉冲重复周期和功率的动态调控。
5.根据权利要求3所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,可重构随机OFDM信号源包括多载波产生电路、随机码产生电路、幅度控制电路和数据转换电路;
所述随机码产生电路采用多级移位寄存器作为OFDM信号传输的码元;
所述多载波产生电路用于带宽、时宽参数产生多路正交载波,实现信号带宽的动态调控;
所述幅度控制电路调整数据位宽实现信号功率控制,数据转换电路使用两个计数器控制数据有效点数实现向脉冲信号转换过程中时宽和脉冲重复周期的动态调控。
6.根据权利要求3所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,可重构随机NFM信号源包括高斯噪声产生电路、FIR窄带低通滤波电路、直流抵消电路、带宽控制电路、积分累加电路、三角函数计算电路和脉冲转换电路;
所述高斯噪声产生电路采用基于中心极限定理的方式产生高斯噪声;
所述FIR窄带低通滤波电路和直流抵消电路用于对高斯噪声进行低通滤波和去直流,使其变为零均值窄带高斯噪声;
所述积分累加电路和三角函数计算电路用于对零均值窄带高斯噪声进行调制,实现信号的频率调制;
所述带宽控制电路通过改变频率控制字和直流数值来实现带宽的调控;
所述脉冲转换电路通过控制数据位宽和长度实现信号功率、时宽和脉冲重复周期的动态调控。
7.根据权利要求1所述的基于ZYNQ的可重构随机雷达信号产生与回波模拟系统,其特征在于,所述回波模拟模块包括延时电路、多普勒频率附加电路、信噪比控制电路和高斯噪声添加电路;
所述延时电路采用多级触发器以及数据选择器实现,通过改变回波信号的延时来模拟目标的距离;
所述多普勒频率附加电路采用DDS电路以及复数乘法器实现,通过在回波信号附加多普勒频率来模拟目标的速度;
所述信噪比控制电路采用定点数乘法器与数据截位器实现,通过改变回波信号的幅度来控制信噪比;
所述高斯噪声添加电路采用基于中心极限定理的多级移位寄存器相加实现,用于在回波信号中添加高斯噪声。
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