多波束视频信号模拟器的设计

摘　要：为模拟雷达回波信号，验证波束形成情况，研究了雷达视频信号模拟器的体系结构、功能，给出了一种可实时模拟多路目标回波的雷达信号模拟器的实现方案。重点介绍了系统的硬件电路及其实现，叙述了多波束模拟的原理。该模拟器应用了DDS（直接式数字合成）和FPGA（现场可编程门阵列）等技术，具有较好的灵活性和通用性。可完成多波束视频信号产生的要求。

关键词：雷达视频信号；直接数字合成；多波束；模拟器
引言
　　雷达目标模拟是系统模拟技术与雷达技术相结合的产物，雷达回波信号可以认为是由发射波形经过延迟和多普勒频移后的复现波形所构成。模拟技术广泛用于对雷达系统的调试、性能评价。采用雷达目标模拟技术，可以缩短雷达的研制周期，减少雷达的研制费用等。实时雷达信号模拟的应用贯穿于雷达的研制、调试和操作使用的各个阶段。
　　单波束视频信号模拟器产生多普勒模拟信号，并通过对发码的数字延时模拟一定距离的回波延时，但不模拟各信道间的相位关系。
　　对于雷达回波信号为多路接收信道的回波信号，目标信号在各信道间有一定的相位关系，波束形成分机利用这种相位关系完成多波束接收。为了更好的模拟回波信号，验证波束形成情况，需要模拟各信道间的相位关系，因此有必要设计多波束视频信号模拟器。
　　基于DDS（直接式数字合成）与FPGA相结合实现雷达目标模拟技术，提出了一种多波束视频信号模拟器的实现方法。雷达目标回波信号主要包括三种信息：幅度信息、频域信息、时域信息。在三种信息的处理上，目前都有相应的技术途径，如幅度模拟可由大动态的程控衰减器实现，目标多普勒频率可通过DDS实现，也可以通过高速数字信号处理系统的运算实现。相对幅度和频率信息的实现而言，距离延迟的实现在过去相对较难。以往的方法是采用声表面波延迟的方法来实现，但信号质量较差，带宽较窄。现在实现的方法较多，可以在数字信号处理系统中通过延时控制来实现。
1 设备组成
1.1 系统结构
　　本系统可模拟多路回波信号，设计上采用四块视频信号模拟板组合来实现。每块视频信号板对应着2个通道——每通道分I、Q两路共4路信号的模拟，这样，信号模拟器可生成8个通道共16路模拟信号，用来模拟某系统的输出，用来调制对应的信号处理器。多波束视频信号模拟器由上述四个视频信号模拟单元、同步控制单元、对外控制接口和计算机上的交互软件等组成。系统的构成框图与连接关系如下图1所示。
　　　　　　　　　　
　　图1 设备构成框图
　　如上图，设备包括1块主控视频信号模拟板和3块从视频信号模拟板（每块板可模拟4路信号）。为保证各路信号的一致性，所有视频信号板采用相同的PCB设计。一个视频信号模拟板作为主控板，用来与上位机进行通信并产生同步信号发送给各从板，以同步所产生的各路信号。背板实现电源变换和基准时钟同步功能。背板为各视频信号板提供统一的基准时钟，并将外部输入的伪码和码钟送入各视频信号板，用一个并行总线口传递控制数据、同步各板的信号及为各板供电。
　　视频信号板可对伪码进行延时和调制；可以将发码调制到一个低频多普勒频率；以此来实现视频信号的动目标模拟。多波束视频信号模拟器可以对目标的俯仰角、速度、距离等参数进行模拟，与计算机通过RS232接口进行数据通信。通过计算机提供的人机交互界面，进行参数设置和状态显示。模拟器根据上位机设定的目标参数生成视频信号。
　　计算机上的终端监控软件与模拟器采用串口进行通信，半双工，终端软件完成对设备的自检、初始化、参数查询和参数设置的功能。用户按下软件界面的自检按钮，监控软件完成对设备各部分的自检，并显示各部分的自检结果。软件刚启动时对设备进行自检一次，并对设备参数进行初始化设置。
　　按下参数查询命令后，监控软件向模拟器发送参数查询命令，模拟器返回当前的目标参数，监控软件将当前参数显示在界面上。
　　进行参数设置时，监控软件先向模拟器发送相应的设置命令，监控软件再向模拟器发送参数查询命令，模拟器返回当前的目标参数，并将当前参数显示在界面上。
1.2 视频信号模拟板
　　视频信号模拟板为整个系统的核心部分，视频模拟信号产生基于DDS技术来实现，DDS 具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可实现多种数字与模拟调制的优点。
　　所设计的视频信号模拟器每板都使用一片AD公司的AD9959单片四通道DDS集成电路。AD9959含有四路DDS单元，最高工作频率可达500M，每一路的频率、相位、幅度都独立可控，其各通道之间的隔离度优于65dB，且支持多片之间的同步。基于这种灵活性，就可以校正由于PCB布局布线、滤波和放大等模拟处理带来的信号之间的失衡。所有的通道都共用一个系统时钟，因此可保证各通道的同步性。
　　视频信号模拟单元的原理框图如图所示。

　　图2 模拟板原理框图
　　视频信号模拟单元主要由MCU（微控制器）、FPGA、DDS模块、幅度控制和对外控制接口等组成。MCU完成与上位机的通信，接收上位机所发的信令，将计算后得到的各控制参数送入FPGA，并将设备当前参数和工作状态发送至上位机。FPGA完成寄存器读写、延时控制、频率相位控制等功能，产生各控制时序信号以及各板之间的同步信号，控制各个DDS通道产生所需的信号，各通道的信号经由DAC（数模转换器）转为模拟信号，滤波后，又通过一个数控衰减器输出，用来对信号的幅度进行控制。视频信号模拟板还可接收外部输入的伪码，对其进行延时和调制。
　　数控衰减器采用AD公司的集成电路，它由8位数据线控制，理想动态范围可达80dB以上，步进为0.375dB。这样，就可以对所产生信号的输出幅度进行精确和大动态范围的控制，以满足系统的使用要求。
1.3 多通道模拟原理
　　本系统可产生8通道共16路模拟信号，模拟接收的多路回波信号。对于雷达中回波信号为多路接收信道的回波，目标信号在各信道间有一定的相位关系。下图3为各阵元接收信号示意图。
   
   
   
   
   
   
   
                     
　　图3 阵元接收信号示意图
　　设N个接收阵元沿一个直线布设，相对于阵轴法线的θ的方向上，两阵元的波程差引起的相位差为：
        （1）
　　所以针对某一个θ角，只需要根据式（1）计算出阵元间的相位差ψ，并使各模拟通道多普勒信号 相位差为ψ就可以模拟各阵元接收到的目标回波信号。达到模拟目标俯仰角的目的。
2 测试与分析
2.1 测试方法
　　在设备设计调试完成后，对其所产生的各路信号进行了测试。测试的内容包括各路信号的多普勒频移、各通道之间的相位偏移以及输出幅度等。测试框图如下图4所示。
　　
　　图4 测试连接框图
　　在进行多普勒频移和相位偏移测试时，先不加伪码信号，用计算机上的交互软件对模拟器参数进行设置，用Agilent示波器观察所输出信号的波形，测试中用的是Agilent公司的数字示波器，其采样率可达1GSa/s，可对两路信号的相位差进行较精确的测试。示波器的两路输入分别接模拟器的两路输出信号，以通道I1路的相位为基准，分别测其余15路与I1的相位偏移。通过软件改变多普勒频率、输出信号幅度等设置参数，用频谱仪来测试各路信号的频率和幅度值；
　　用伪码发生器输入伪码信号，利用频谱仪观察输出调制信号的波形，用示波器同时观察发码和输出信号，调节距离延时，观察输出信号与发码的相对延时变化。
2.2 结果与分析
　　设备的各项测试结果不能在此全部列出，只列出了部分测试结果。由于所设计的是多波束模拟器，比较关注各信道模拟信号之间的相位关系，因此给出了各路之间相位偏移的一部分测试结果，表1列出的数据是在表中所示的两个频率之下，俯仰角设置分别为2°和10°时，通道1～4 中I与Q各路信号之间的相位测试结果，通道5～8各路信号的测试结果就不在此一一列出。各路相位都以第1通道I路的相位为基准。表2列出的是对通道1的所产生频点的测试结果和信号经过数控衰减器后的幅度测试结果。
　　
表1 通道1～4信号相位测试表
频率/kHz267134俯仰角设置/(°)210210相差理论值/(°)15751575通道
1～4
相位值/
(°)I10000Q190.289.989.889.4I215.975.815.075.2Q2105-194.8104.3164.5I330.3-209.529.9150.2Q3-235-120.3120.0239.6I444.8-135.344.5224.5Q4-224.4-44.6135.5314.8
表2 通道1信号频率和幅度测试表
频率
预设值/K频率
测试值/K幅度设置值/dBm幅度测试值/dBm134134.001-10-11.3-20-21.8-40-41.5-55-55.0276276.001-10-10.7-20-21.5-40-41.0-55-53.3
　　由上表可见，各通道之间的相位偏移与上面1.3节公式1的计算结果相一致，各通道I路和Q路之间的相位差为90度，测试结果最大误差为0.7度，在允许的范围之内，表明其正确模拟了雷达回波信号在各信号间的相位关系。除此之外，对设备其它参数的测试结果也均满足要求。测试结果表明，所产生的信号频率精确，频谱干净稳定。各路信号所模拟的多普勒频偏、各信号之间的相移、距离延时、信号幅度均达到了使用要求。系统性能稳定，能够较真实地模拟雷达信号。
　　所设计的系统目前已经用于雷达接收机的调试,运行性能稳定。
3 结束语
　　多波束视频信号模拟器基于DDS与FPGA技术相结合的硬件设计，整个系统采用板卡式结构，各路视频信号的生成使用相似的硬件电路。目前本设备在某种雷达研制的调试和检验过程得到了应用，效果良好，系统的各项性能可以满足应用要求。
　　雷达目标模拟器作为雷达的一种辅助设备，它的应用越来越受到重视，所以对通用雷达模拟器的研究也会逐渐的丰富起来。所研究的内容只涉及了这一领域的一部分，对通用雷达模拟器的研究必将会随着雷达系统的发展，以及模拟技术的发展而逐渐充实。在将来的模拟器设计中可以进一步从通用化、仪表化和可扩展等方面进行研究。　　
参考文献：
[1] AD公司 AD9959 Data Sheet. 2005 Analog Devices, Inc.
[2] 丁鹭飞 雷达原理[M]. 西安电子科技大学出版社，2002
[3] 杨剑峰 多波束形成的信号接收系统设计. 电子科技[J]. 2009，24(4): 39-41
[4] 陈镜 低功耗反射式连续波雷达模拟源的设计. 无线电工程2006, 36(5)：59-61 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/241641.html