0 引言

　　隨著雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展，采用復(fù)雜調(diào)制樣式、具有低截獲概率（Low Probability of Intercept，LPI）特性的雷達(dá)信號(hào)被廣泛運(yùn)用于火力引導(dǎo)和預(yù)警探測(cè)中，使得傳統(tǒng)電子偵察設(shè)備很難截獲到這類(lèi)信號(hào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠模擬這些復(fù)雜調(diào)制樣式的雷達(dá)信號(hào)的設(shè)備對(duì)現(xiàn)有和新研制的電子偵察設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)電子偵察設(shè)備對(duì)LPI雷達(dá)信號(hào)的有效性和可靠性[1-3]；此外，在生成式欺騙干擾中，需要根據(jù)偵察到的雷達(dá)信號(hào)的調(diào)制類(lèi)型和參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的干擾信號(hào)對(duì)目標(biāo)實(shí)施欺騙干擾[4，5]，因此有必要研究一個(gè)能夠靈活產(chǎn)生多種調(diào)制樣式的多模雷達(dá)信號(hào)源。文獻(xiàn)[2]中提出一種采用ARM輸入雷達(dá)參數(shù)，并通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP中進(jìn)行參數(shù)處理，然后傳遞給FPGA合成多種模式的雷達(dá)信號(hào)的方法，但這種產(chǎn)生多模雷達(dá)信號(hào)的方法具有整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用資源多、不利于小型化的缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的多模雷達(dá)信號(hào)源產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，在FPGA中構(gòu)建微控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)的處理，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的集成度。

　　本文選用Xilinx Zynq-7 系列xc7z010clg400 FPGA芯片[6]實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口向FPGA中構(gòu)建的微控制器（MCU）發(fā)送信號(hào)描述參數(shù)，微控制器經(jīng)過(guò)計(jì)算和處理得到寄存器配置參數(shù)，并通過(guò)AXI（Advanced eXtensible Interface）總線(xiàn)[7]對(duì)自制的多模信號(hào)源IP核進(jìn)行配置，產(chǎn)生特定調(diào)制形式和特定參數(shù)的雷達(dá)信號(hào)。由于整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)都在一片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)，降低了外部電路的設(shè)計(jì)難度，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)關(guān)鍵的多模信號(hào)源產(chǎn)生模塊被封裝成具有AXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的IP核，提高了模塊的靈活性、易用性和重用性，通過(guò)AXI總線(xiàn)可以很方便地與微控制器連接實(shí)現(xiàn)，并且在AXI總線(xiàn)上掛載多個(gè)多模雷達(dá)信號(hào)源IP核，可以模擬多部雷達(dá)信號(hào)，為電子偵察設(shè)備對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的性能檢測(cè)和生成式同時(shí)多目標(biāo)干擾提供硬件支持。經(jīng)測(cè)試，該IP核最高可工作在500 MHz 的時(shí)鐘頻率下，即數(shù)字信號(hào)的輸出速率能達(dá)500 MS/s。輸出的信號(hào)調(diào)制形式包含常規(guī)脈沖信號(hào)、線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)、頻率捷變信號(hào)、重頻抖動(dòng)信號(hào)、重頻參差信號(hào)和其他復(fù)合調(diào)制信號(hào)等。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

　　1.1 雷達(dá)信號(hào)模型

　　雷達(dá)信號(hào)的一般表達(dá)式可以用下式表示：

　　其中，A(t)表示信號(hào)的時(shí)域包絡(luò)，f(t)為信號(hào)的頻率調(diào)制函數(shù)，為信號(hào)的相位偏移調(diào)制函數(shù)。從式中可以看出，雷達(dá)信號(hào)的調(diào)制方式不外乎幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、時(shí)間調(diào)制這四種方式及這四種調(diào)制方式的組合，其中幅度調(diào)制常見(jiàn)的是矩形脈沖調(diào)制，故本文不對(duì)脈沖調(diào)制作過(guò)多研究。

　　以線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為例，線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)是信號(hào)的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線(xiàn)性變化的信號(hào)，其瞬時(shí)頻率可以用式(2)表示：

　　其中，f0為信號(hào)的初始頻率，K=B/T是信號(hào)的調(diào)頻斜率。

　　1.2 DDS原理和模塊設(shè)計(jì)

　　數(shù)字頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer）常用于數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生，主要包括相位累加器和正弦計(jì)算器兩部分，其中正弦計(jì)算多采用查表的方法實(shí)現(xiàn)。DDS技術(shù)同模擬方法相比，具有穩(wěn)定可靠、波形產(chǎn)生靈活、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[8]。本文根據(jù)生成線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的需求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的二階相位累加結(jié)構(gòu)。雷達(dá)信號(hào)的通用表達(dá)式作離散化，可用式(3)表示：

圖1  DDS模塊結(jié)構(gòu)原理框圖

　　其中K(n)為時(shí)刻的調(diào)頻斜率，為時(shí)刻的頻率偏移，為時(shí)刻的相位偏移。通過(guò)控制這三個(gè)量，即可輸出單載頻信號(hào)、線(xiàn)性調(diào)頻和相位編碼等信號(hào)調(diào)制形式。為了減少查找表對(duì)FPGA中RAM資源的消耗，本文采用相位抖動(dòng)和平衡DAC方法[9，10]對(duì)DDS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，抑制了相位截?cái)嗾`差并減小DAC非理想特性的影響，仿真結(jié)果表明采用該方法能夠有效節(jié)約73%的RAM資源。

　　1.3 AXI總線(xiàn)協(xié)議

　　AXI總線(xiàn)是ARM公司提出的一種片內(nèi)總線(xiàn)協(xié)議，該協(xié)議是先進(jìn)微控制器總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（Advanced Microcontroller Bus Architecture，AMBA）協(xié)議[7]中最重要的部分，面向高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線(xiàn)。Xilinx公司提供的IP核基本都采用這種總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，顯著提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度。為了增強(qiáng)多模雷達(dá)信號(hào)源模塊的靈活性和重用性，本文將多模雷達(dá)信號(hào)源模塊分裝成具有AXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的IP核。圖2為AXI總線(xiàn)讀寫(xiě)通道結(jié)構(gòu)。

(a)AXI總線(xiàn)讀通道結(jié)構(gòu)

(b)AXI總線(xiàn)寫(xiě)通道結(jié)構(gòu)

圖2  AXI總線(xiàn)讀寫(xiě)通道結(jié)構(gòu)

　　AXI總線(xiàn)的地址、控制和數(shù)據(jù)相互是分離的，支持非對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)在猝發(fā)傳輸中，只需要首地址，同時(shí)具有獨(dú)立的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通道并支持亂序訪(fǎng)問(wèn)，能更加容易進(jìn)行時(shí)序收斂。AXI 是AMBA 中一個(gè)新的高性能協(xié)議，并且兼容原有的AHB和APB總線(xiàn)，使得基于原有總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的組件能夠很好地與AXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。AXI 技術(shù)豐富了現(xiàn)有的AMBA 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，滿(mǎn)足超高性能和復(fù)雜的片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)的需求。

2 多模信號(hào)源IP核設(shè)計(jì)

　　本文將所設(shè)計(jì)的多樣式雷達(dá)信號(hào)源分成時(shí)間調(diào)制模塊(Timing Modulation Module，TMM)、頻率調(diào)制模塊(Fre-quency Modulation Module，F(xiàn)MM)和相位調(diào)制模塊(Phase Modulation Module，PMM)3種調(diào)制模塊，每個(gè)模塊分別負(fù)責(zé)產(chǎn)生時(shí)域調(diào)制控制信號(hào)、頻域調(diào)制控制信號(hào)和相位調(diào)制控制信號(hào)。IP核的頂層結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  多模信號(hào)源IP核結(jié)構(gòu)框圖　

　　其中主控制器包含所有信號(hào)樣式的配置參數(shù)寄存器和控制寄存器，MCU通過(guò)AXI總線(xiàn)將配置參數(shù)寫(xiě)入到配置寄存器中，并通過(guò)讀寫(xiě)控制寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的發(fā)射使能、復(fù)位等控制。調(diào)時(shí)模塊TMM產(chǎn)生單比特脈沖控制多路選擇器（MUX）在高電平期間選擇DDS 模塊的信號(hào)輸出，而在低電平期間選擇“0”輸出，同時(shí)產(chǎn)生同步信號(hào)（Resync）給調(diào)頻模塊FMM、調(diào)相模塊PMM和DDS模塊控制模塊的同步。調(diào)頻模塊產(chǎn)生相位增量值(Phase Increase，Pinc)控制信號(hào)的瞬時(shí)頻率產(chǎn)生調(diào)頻類(lèi)信號(hào)。調(diào)相模塊產(chǎn)生相位偏移值(Phase Offset，Poff)控制DDS模塊輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位偏移值，產(chǎn)生調(diào)相類(lèi)信號(hào)。DDS模塊是信號(hào)的產(chǎn)生單元，在調(diào)時(shí)模塊、調(diào)頻模塊和調(diào)相模塊的控制下產(chǎn)生特定調(diào)制類(lèi)型的連續(xù)信號(hào)，經(jīng)乘法器按指定衰減量衰減后，通過(guò)多路選擇器產(chǎn)生具有調(diào)時(shí)特征的信號(hào)，然后輸出特定樣式的雷達(dá)信號(hào)。

3 多?；鶐Ю走_(dá)信號(hào)源總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　多模基帶雷達(dá)信號(hào)源總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。上位機(jī)軟件通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送信號(hào)描述參數(shù)給FPGA中的微控制器，微控制器通過(guò)計(jì)算和處理將信號(hào)描述參數(shù)轉(zhuǎn)換為多模雷達(dá)信號(hào)源IP核需要的寄存器配置參數(shù)，然后多模雷達(dá)信號(hào)源IP核產(chǎn)生數(shù)字雷達(dá)信號(hào)并通過(guò)DAC輸出模擬基帶雷達(dá)信號(hào)。

　　在Xilinx提供的Vivado編程開(kāi)發(fā)環(huán)境中，利用塊設(shè)計(jì)方式搭建FPGA上的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終得到的塊設(shè)計(jì)圖如圖5所示。其中①為cortex-A9硬核，負(fù)責(zé)與上位機(jī)的網(wǎng)口通信，接收上位機(jī)下發(fā)的信號(hào)描述參數(shù)并通過(guò)計(jì)算處理產(chǎn)生多模雷達(dá)信號(hào)源IP核所需的配置寄存器參數(shù)。②為本文所設(shè)計(jì)的多模雷達(dá)信號(hào)源IP核，在cortex-A9硬核的控制下生成相應(yīng)的基帶雷達(dá)信號(hào)。

圖4  多?；鶐Ю走_(dá)信號(hào)源總體結(jié)構(gòu)框圖

圖5  多模基帶雷達(dá)信號(hào)源塊設(shè)計(jì)視圖

4 測(cè)試與分析

　　本文在Xilinx公司提供的FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境Vivado 2015.4[11]下使用Verilog 語(yǔ)言進(jìn)行編程，將關(guān)鍵的多模信號(hào)源模塊分裝成具有AXI總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的IP核，使得模塊可以方便地掛載到AXI總線(xiàn)系統(tǒng)中。將系統(tǒng)工作時(shí)鐘約束到500 MHz ，進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)，布局布線(xiàn)的結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足500 MHz 時(shí)鐘的時(shí)序要求，并且占用資源少。其中多模信號(hào)源IP核僅占用了4個(gè)DSP核和2個(gè)BRAM（Block RAM），分別占總資源的3.3％和5％。具體資源消耗見(jiàn)表1。

　　將多模雷達(dá)信號(hào)源的系統(tǒng)工作時(shí)鐘設(shè)置為250 MHz，信號(hào)模式設(shè)置為線(xiàn)性調(diào)頻脈沖信號(hào)。信號(hào)的具體參數(shù)如表 2所示。

5 結(jié)論

　　多模雷達(dá)信號(hào)源在電子偵察設(shè)備的檢測(cè)和生成式干擾信號(hào)生成方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文提出的基于FPGA的多模雷達(dá)信號(hào)源具有占用資源少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生成信號(hào)多樣的特點(diǎn)，能夠產(chǎn)生常見(jiàn)的調(diào)時(shí)、調(diào)頻和調(diào)相信號(hào)以及這些調(diào)制方法的組合。最高輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)速率為500 MHz。

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