摘 要： 根據(jù)某型雷達(dá)在調(diào)試及性能評(píng)估方面的要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了與之相應(yīng)的雷達(dá)目標(biāo)模擬器" title="目標(biāo)模擬器">目標(biāo)模擬器，詳細(xì)說(shuō)明了利用主控DSP實(shí)現(xiàn)模擬目標(biāo)回波的方法，介紹了DSP在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和多普勒頻率輸出控制中的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，該模擬器可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的模擬,并取得了滿意的效果。
關(guān)鍵詞： DSP 雷達(dá)目標(biāo)模擬 多普勒頻率
隨著雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)日益復(fù)雜、功能多樣，使得系統(tǒng)各部分調(diào)試工作的難度加大。由于外場(chǎng)進(jìn)行雷達(dá)檢測(cè)的技術(shù)難度大、成本也高，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用雷達(dá)目標(biāo)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)多種性能的檢測(cè)[1]。這對(duì)降低雷達(dá)研制成本、縮短研制周期、提高性能指標(biāo)都有積極的作用。
本文提出一種采用DSP作為主控部件的某型雷達(dá)目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)方案。根據(jù)雷達(dá)調(diào)試、性能評(píng)估的要求，主控DSP通過(guò)串口" title="串口">串口接收計(jì)算機(jī)傳來(lái)的目標(biāo)信息和雷達(dá)參數(shù)等數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算后實(shí)時(shí)地產(chǎn)生雷達(dá)視頻信號(hào)，同時(shí)，還可通過(guò)控制DDS器件輸出一路射頻多普勒頻移信號(hào)。本方案選用美國(guó)TI(Texas Instrument)公司的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320VC5409(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C5409)作為主控芯片。該芯片具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，適用于實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)運(yùn)算，目前在無(wú)線通信、雷達(dá)等眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹DSP在該模擬器軟硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
1 雷達(dá)目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)構(gòu)成
某型雷達(dá)目標(biāo)模擬器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)(PC機(jī))、串/并轉(zhuǎn)換模塊、DSP模塊、DDS直接頻率合成器和D/A" title="D/A">D/A轉(zhuǎn)換器等部分構(gòu)成。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)設(shè)置模擬器的輸出通道和回波信號(hào)的頻率變化范圍，根據(jù)不同的頻率范圍進(jìn)行仿真運(yùn)算，并將得到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，以供DSP實(shí)時(shí)調(diào)用。可編程邏輯器件EPLD主要完成對(duì)DSP總線的讀寫(xiě)邏輯控制，并產(chǎn)生串口及DDS的讀寫(xiě)控制信號(hào)。
在低頻信號(hào)輸出模式下，DSP通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換模塊接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真運(yùn)算，并將得到的大量回波采樣數(shù)值按照一定的時(shí)序輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)濾波后得到模擬的低頻信號(hào)；在射頻信號(hào)輸出模式下，DSP調(diào)用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)控制直接頻率合成器(DDS)，并向DDS寫(xiě)頻率控制字" title="控制字">控制字，DDS輸出的信號(hào)經(jīng)頻譜搬移后便得到要輸出的射頻信號(hào)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
C5409數(shù)字信號(hào)處理器盡管能達(dá)到較高的數(shù)字信號(hào)處理速度, 但是它沒(méi)有通用異步接收發(fā)送設(shè)備( UART) 接口，只有多通道緩沖串口(MCBSP)。而通過(guò)對(duì)MCBSP進(jìn)行軟件編程實(shí)現(xiàn)DSP與計(jì)算機(jī)的串行通信" title="串行通信">串行通信，在設(shè)計(jì)和編程實(shí)現(xiàn)上都比較復(fù)雜，會(huì)占用大量的系統(tǒng)資源，影響DSP的實(shí)時(shí)運(yùn)算性能。
在本模擬器的設(shè)計(jì)方案中，采用專(zhuān)門(mén)的異步通信芯片TL16C550C擴(kuò)展C5409的串口，用以實(shí)現(xiàn)DSP與計(jì)算機(jī)之機(jī)高速、可靠的串行通信，電路如圖2所示。該異步通信芯片外接1.8432MHz的晶體作為基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，其片選信號(hào)16C550_CS、復(fù)位信號(hào)16C550_RST、讀信號(hào)/RD、寫(xiě)信號(hào)/ WR均由可編程邏輯器件EPLD譯碼給出。
本模擬器選用的直接頻率合成器為A/D公司的AD9852。利用DSP控制AD9852可以產(chǎn)生一個(gè)頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、頻率和相位均可編程控制的正弦波。C5409與AD9852的硬件接口電路如圖3所示。AD9852采用并行數(shù)據(jù)輸入方式，沒(méi)有片選信號(hào)，其寫(xiě)信號(hào)、讀信號(hào)以及復(fù)位信號(hào)都由EPLD產(chǎn)生。AD9852 的頻率更新標(biāo)志UPDATE信號(hào)由DSP的通用I/O引腳XF產(chǎn)生。
3 DSP的軟件設(shè)計(jì)
雷達(dá)目標(biāo)模擬器的DSP軟件采用C語(yǔ)言編程，主要包括以下部分：串行通信模塊、低頻信號(hào)輸出模塊以及射頻信號(hào)輸出模塊。
在串行通信中，首先應(yīng)對(duì)TL16C550C進(jìn)行初始化。初始化的主要任務(wù)是設(shè)置串行通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等。這些設(shè)置由DSP寫(xiě)TL16C550C的內(nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。本模擬器的串口采用1.8432MHz的晶體振蕩器,波特率設(shè)置為38400，通信格式為：8位數(shù)據(jù)位, 1位停止位，無(wú)校驗(yàn)。系統(tǒng)采用查詢的工作方式。
根據(jù)系統(tǒng)要求，低頻輸出信號(hào)是非線性調(diào)頻信號(hào)，其輸出頻率經(jīng)N×2π相位由fs變化到fe，再經(jīng)N×2π相位由fe變化到fs，每2π相位內(nèi)頻率不變，且每隔2π相位頻率變化是線性的(幅度線性先增后減)，如圖5所示。因此采用基于存儲(chǔ)器直讀法的波形合成技術(shù)，通過(guò)DSP把理想的信號(hào)波形進(jìn)行采樣、量化，而后在內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)起來(lái)。在系統(tǒng)工作時(shí)，按一定的時(shí)序輸出內(nèi)部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)值，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為調(diào)頻模擬信號(hào)。
具體實(shí)現(xiàn)的方法是：由于每隔2π相位頻率變化是線性的，因此可以算出每2π相位內(nèi)的頻率fn及周期Tn。在0～2π范圍內(nèi)以采樣率f進(jìn)行采樣，得出每2π相位內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)f/fn。由此可以算出每個(gè)采樣點(diǎn)的值為：
將每點(diǎn)的采樣值與該點(diǎn)的幅度值相乘就可以得到要輸出點(diǎn)的值。最后將該數(shù)值量化，以便于輸出到D/A轉(zhuǎn)換器。由于數(shù)據(jù)量比較大，在DSP內(nèi)部分配一段空間專(zhuān)門(mén)用來(lái)存儲(chǔ)量化后的數(shù)值。利用DSP內(nèi)部軟件可編程定時(shí)器，將定時(shí)時(shí)間定為采樣周期，每隔一采樣周期向D/A轉(zhuǎn)換器輸出一個(gè)點(diǎn)，就可以得到所要求的模擬正弦信號(hào)。
模擬器采用DDS技術(shù)和頻譜搬移法[4]，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)與輸入信號(hào)相參并具有一定多普勒頻移的射頻信號(hào)。DDS采用并行的輸入方式，并工作在單頻的模式下。在此模式下，DDS輸出頻率是通過(guò)DSP向DDS寫(xiě)48位的頻率控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在射頻信號(hào)輸出模式下，DSP首先通過(guò)計(jì)算機(jī)串口接收大量頻率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部RAM中，并對(duì)DDS復(fù)位；然后初始化DDS，向DDS寫(xiě)入頻率控制字。DDS軟件流程圖如圖4所示。值得注意的是，在寫(xiě)入DDS的頻率控制字后應(yīng)該等待一個(gè)時(shí)間間隔，再讓DDS輸出該頻點(diǎn)波形。這個(gè)時(shí)間間隔就是上一個(gè)頻點(diǎn)波形輸出所需要的時(shí)間。
4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
整個(gè)調(diào)試過(guò)程是通過(guò)仿真器在CCS2.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的, 最終生成的可執(zhí)行代碼固化在EPROM中。輸出的射頻信號(hào)能滿足某雷達(dá)引信聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的要求。圖5為示波器上顯示的模擬器輸出低頻信號(hào)波形圖。經(jīng)測(cè)量該信號(hào)完全達(dá)到試驗(yàn)的要求。
雷達(dá)目標(biāo)模擬器在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中起著關(guān)鍵作用,而采用性價(jià)比較高的TMS320VC5409芯片使得模擬器能夠靈活、方便地產(chǎn)生所需的各種數(shù)字信息和觸發(fā)信號(hào)。本文著重論述了該DSP芯片在系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和多普勒頻率輸出控制中的功用。該模擬器在對(duì)某型雷達(dá)處理機(jī)的調(diào)試中取得了良好的效果,同時(shí)也證明了設(shè)計(jì)的正確性。
參考文獻(xiàn)
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4 洪 濤.導(dǎo)彈引信近距離/超近距離目標(biāo)射頻仿真技術(shù)研究:[博士學(xué)位論文].北京：北京航空航天大學(xué)，2004