一種通用多功能雷達信號波形發生器設計

劉心成　王江展　刁丹丹　王曉東

摘要：本文給出了一種通用多功能雷達信號波形發生器的設計，它能夠完成線性調頻、相位編碼及其組合信號等多模式雷達中頻發射信號和雷達中頻回波模擬信號發生，雷達其他各分機控制和故障的實時監測，發射功率管理與監測等功能；模塊設計有RS422串口，可以靈活地實現工作模式切換和參數修改等功能；該模塊控制靈活、集成度高，已成功應用于多型雷達。

關鍵詞：通用多功能 信號發生 分機控制 故障和功率監測

中圖分類號：TN743 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0189-03

Abstract：In this paper， a general method for a design of multifunction radar signal waveform generator is presented， which can accomplish multi-mode intermediate frequency signal generation of radar signal and radar simulative echo signal， such as the linear frequency modulation signal， the phase coded signal， and combination of these signals； The generator also functions as control and failure real-time monitoring of radar other extensions， radar power management and monitoring， and so on； Besides， a RS422 serial port is included， which flexibly realizes working mode switching and parameter modification and so on； The module is flexible and highly integrated， has been successfully used in many models of radar.

Key Words：General and multifunction； Signal generation； Control of other extensions； Failure and power monitoring

隨著雷達技術的發展，現代雷達一般都要求具備反地物、抗積極和消極干擾的能力，從而要求雷達信號發生裝置具有多波形、多時寬帶寬選擇、快速頻率捷變和波形捷變的能力[1]；同時隨著部隊信息化建設步伐的加快，新型裝備從立項研發到形成戰斗力的時間越來越短，這就給產品的研發提出了新的挑戰；基于此，本文提出了一種通用多功能雷達信號波形發生器的設計，采用FPGA+DDS架構，實現以下功能：

（1）產生多種形式雷達發射信號。雷達信號波形設計是現代雷達系統設計中最為重要的一環，通常都要求發射信號具有多種形式[2]；本設計基于AD9910能夠產生不同時寬帶寬的線性調頻信、非線性調頻信號、單頻信號、相位編碼信號、組合信號等雷達發射信號，具備快速的波形和碼型捷變能力。

（2）產生雷達回波模擬信號。雷達各分機的研制往往是并行的，如果天線沒有做好，得不到雷達回波數據，信號處理調試就無法進行。本設計提供了一種可編程雷達回波信號模擬方案，能夠靈活地調節回波信號的延時、多普勒頻移和中頻調制頻率等[3]，為信號處理調試提供較為全面的測試環境，從而加快雷達研制進度，提高工作效率。

（3）分機控制和測試驗收。利用FPGA豐富的I/O資源，本設計能夠實現對雷達其他分機的控制，修改工作參數，變換工作模式。本模塊同時設計有多種雷達系統測試模式，通過切換不同的模式，能夠單獨對雷達各分機進行功能測試和指標驗收，為雷達系統調試和研制提供便利。

（4）故障監測與定位。本設計能夠實時獲取雷達其他各分機的故障狀態，并按照通信協議上報，實現對分機故障的實時監測；一旦顯示分機故障，還可以切換到相應測試模式對故障做進一步的排查和確認。

（5）發射功率管理與監視。本設計能夠實現雷達發射功率的在線修改，進而針對不同類型的目標合理分配發射功率；并集成了一路AD，對雷達發射機實際輸出功率進行采集上報，實現發射功率的在線監測。

1 設計實現

1.1 硬件構成

雷達信號波形發生器硬件構成如圖1所示，主要包括復位、時鐘管理、RS422通信、分機控制、DDS信號發生、發射功率管理與監測、電源管理等模塊；雷達信號波形發生器通過RS422異步串口與上位機進行通信，緩存上位機下發的控制指令并解析，進而實現雷達工作參數修改、工作模式切換、DDS控制與中頻信號發生、分機控制等功能；并通過串口將分機故障狀態和發射功率上報給上位機，實現對分機故障狀態和發射功率的實時監測。

設計中FPGA和AD9910的時鐘輸入分別為20MHz晶振及其同步時鐘DDS_CLK輸入、外接同步時鐘CLK1和CLK2輸入可選，AM26LV31和AM26LV32實現異步串行通信協議到RS422通信協議變換，AD9910、聲表濾波器、TT型網絡和運算放大器共同實現多模式雷達中頻信號發生、諧波和雜散分量的濾波與抑制、中頻信號的功率放大等功能，4片74LV4245實現雷達信號波形發生器與雷達功放、頻綜、接收機等分機之間的控制信號交互。

1.2 軟件設計

軟件設計是基于FPGA的設計，包括時鐘變換、異步串行通信、中頻信號發生、分機控制信號產生和故障及功率監測等五模塊，其中多模式中頻信號發生是設計的重點與難點；整個軟件設計流程圖如圖2所示。

設備上電后首先進行系統初始化，包括串口初始化和雷達其他各分機控制端口初始化等。然后等待上位機下發控制指令，一旦正確地接收到控制指令，串口模塊會自動進行指令解析，并判斷各指令字是否改變；如有改變就鎖存新的指令字，并產生相應的標志位，隨后程序會根據工作模式和工作波形選擇等指令字產生相應的分機控制信號，控制DDS產生相應雷達中頻發射或回波模擬信號，并將分機故障狀態和當前的發射功率整合上報；如果沒有指令字改變，程序將直接跳轉到狀態上報模塊，上報分機的故障和發射功率。

1.3 通用性設計

在設計之初本模塊就特別注重軟硬件的通用性設計，詳細如下：

（1）通信控制功能設計。本設計采用RS42異步串口實現多種控制功能和工作模式切換；RS422異步串口接收上位機下發的工作模式、信號波形形式和參數等指令信息，解析后提取有效信息分發給各子功能模塊，進而實現雷達工作參數修改、工作模式切換、DDS控制與中頻信號發生、分機控制等功能。RS422異步串口作為一種簡單、方便、實用的通信接口，其通用性和靈活性很好地滿足設計的要求。

（2）時鐘設計。該信號發生器與整個雷達系統是相參的，以保證與整個雷達系統同步工作[4]；本模塊需要兩個相參時鐘，采用晶振和外接同步時鐘融合設計的方式，具有以下優勢：一是方便調試，采用板上晶振+FPGA倍頻方式即可完成軟硬件調試；二是故障排查和定位，雷達通常采用同一個高穩定時鐘源給所有分機提供基準時鐘，如果時鐘源故障，所有分機異常，而此時又沒有兩個外同步信號源，就無法進一步分離和定位雷達的故障源。

（3）DDS的濾波與放大。DDS輸出信號需要外接濾波器濾除帶外雜散[5]，設計時采用通用封裝濾波器，當輸出信號中心頻率和帶寬改變時，直接更換即可；DDS輸出信號功率有限，通過在DDS輸出放大器的前段和后端增加Π型網絡，可以方便地調節DDS的輸出信號功率，以適用不同的頻率擴展單元，提高系統的通用性。

（4）頻帶擴展。DDS最高輸出頻率有限，實際應用中一般都需要外接頻率擴展單元變頻至需要的工作頻段；系統設計時可選用通用高性能頻率綜合器進行頻帶擴展以適用于多型雷達。

（5）其他設計。硬件上采用FPGA+DDS結構，可以靈活地產生各種復雜的雷達信號，降低硬件設計的復雜度；利用FPGA豐富的I/O資源，給雷達各分機預留足夠接口，并兼容各種常用接口電平規范等；軟件上采用硬件描述語言，可以通過重配置邏輯電路產生不同時寬、不同帶寬、不同類型的雷達信號[6]；同時使用串口主控模塊功能，實現不同的功能只需要發送相應控制碼即可。

2 實驗測試

圖3為13位巴克碼相位編碼調制信號時域波形，圖4是實測的511位m序列碼相位編碼調制信號頻譜圖；圖5是140MHz中心頻率，10MHz帶寬，30us時寬的線性調頻信號時頻曲線，圖6為140MHz中心頻率，10MHz帶寬，30us時寬的線性調頻信號的頻譜圖。

由測試結果可以看出，本設計產生的相位編碼信號波形、頻譜良好，并可通過修改參數實現碼元寬度和碼型的任意可變；產生的線性調頻信號的時頻曲線具有較好的線性度，信號帶寬和時寬均滿足設計要求；限于篇幅關系，本文并未給出其他波形設計的信號譜圖；但經過實測，本設計能夠根據需要產生各種雷達信號波形和分機控制信號，能夠很好地滿足工程應用的需要。

3 結語

本模塊采用FPGA+DDS設計方案，可產生多種雷達信號波形，是集雷達信號發生、分機控制與調試、故障監測、發射功率管理與監測于一體，且通過通用的頻帶擴展單元能夠供多頻段雷達使用，具有較強的通用性和實用性，已經成功應用于多型雷達，并申請了實用新型專利。模塊控制靈活、集成度高，為雷達信號波形設計、雷達系統研制和調試提供便利，具有較高的工程應用價值。

參考文獻

[1]王建軍，姒強，呂幼新.多功能雷達信號產生器的設計與實現[J].中國雷達，2009（4）：56-59.

[2]姒強.一種基于中頻采樣的雷達數字波形產生方法研究[D].成都：電子科技大學，2004.

[3]楊鴻鵠，許蘊山，夏海寶，等.基于FPGA+DSP的雷達回波發生器設計[J].電子技術應用，2009，（12）：57-60.

[4]袁輝.基于FPGA的數字信號發生器的設計與實現[J].電子技術應用，2011，（9）：67-69.

[5]湯勵，曲秀杰.基于DDS的高可靠性雷達信號發生器設計與實現[J].現代雷達，2012，（11）：73-75.

[6]向道樸，黎向陽，孟憲海.一種通用雷達回波模擬器的設計與實現[J].現代雷達，2007，（10）：84-86.