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基于AD9957的三通道中频模拟信号源3于长军龚勉哈尔滨工业大学电子与信息技术研究院黑龙江哈尔滨150001 摘 要:介绍了一种以AD9957为核心器件的、基于PCI总线、现场可编程门阵列FPGA和直接数字频率合成DDS技术的雷达中频模拟信号源该信号源能实时地高精度模拟3个通道的具有复杂运动轨迹的目标及多种杂波信号持续输出时间达200s。
该系统的所有硬件都集中安装在一个工控机中该系统的软件结合
VC和Matlab共同开发不仅用户界面友好而且易于实现还特别便于维护和复杂功能的扩充。
仿真结果表明该系统能够正确模拟目标的运动轨迹。
最后给出了实际系统PD模式下回波信号频谱的测试结果。
关键词:中频模拟信号源直接数字频率合成PCI总线动态链接库中图分类号:TN957TN911.7 文献标识码:A 文章编号:090420301204Tri2ChannelIFSimulatedSignalSourceBasedonAD9957YUChang2junGONGMianResearchInstituteofElectronicEngineeringHarbinInstituteofTechnologyHarbin150001China Abstract:InthispaperaradarintermediatefrequencyIFsignalsimulatorwhichusesAD9957asthecoredeviceandisbasedonPCIbusFPGAandDDStechnologyisintroduced.Thesimulatorcangeneratethreechannelsofhigh2precisionsimulationsignalsinreal2timeincludingmultiplecomplextrajectorytargetsandseveralkindsofclutters.Thecontinuousoutputtimeofitssignalscanreach200seconds.Allthesystemhardwaresareinstalledinanindustrialcomputer.Thesystemsoftwareisdevelopedonthecompoundplat2formofVCandMatlabnotonlyuser2friendlybutalsoeasytoimplementinparticulartofacilitatethemain2tenanceandexpansionofthecomplexfunctions.Theexperimentalresultsshowthatthesystemcancorrectlysimulatetargetmotiontrack.AttheendofthepapertestresultofechosignalspectruminPDpatternofac2tualsystemispresented.Keywords:IFsimulatedsignalsourcedirectdigitalsynthesisDDSPCIbusdynamiclinklibrary1 引言 在雷达的研制和生产过程中利用模拟信号源进行整机调试和性能指标测试已成为不可缺少的手段1。
目前国内外有关雷达信号模拟器研究的报道很多国外的研究做得比较全面:多采用软硬件相结合的设计方式系统灵活并满足信号实时输出的要求设计上采用微处理器和DSP技术提高了系统的性能采用工业标准的总线结构以及模块化设计使系统具有良好的通用性、兼容性和可扩充性。
近年来直接数字频率合成DDS技术逐渐体现出其在信号模拟方面的优越性能2。
本文要讨论的雷达中频模拟信号源实现方案结合了PCI总线、FPGA和DDS等多种先进技术具有数字化、多功能和可编程的特点。
2 整体设计思路2.1 整体结构中频模拟信号源的设计思路是在计算机机箱内插入采用PCI总线的3块信号产生卡和1块时序控制卡信号产生卡产生脉冲调制的60MHz载频中频回波模拟信号其时钟、触发脉冲和调制脉冲均由时序控制卡给出。
模拟信号源原理框图如图1所示。
第4期2009年8月 雷达科学与技术RadarScienceandTechnology Vol.7No.4August20093收稿日期:2009203206修回日期:2009203230图1 模拟信号源原理框图 2.2 信号产生卡 工作原理:本方案中应用
VC编写人机交互界面使用时在界面上设置各种参数调用后端的Matlab函数文件读取函数运行结果并根据雷达工作模式的不同将其存入SDRAM的不同位置上以便在PD、PSF触发脉冲作用下可以随意读取两工作模式下的数据。
信号产生卡上的FPGA将SDRAM中的I正交、Q同向两路基带信号交替送入AD9957经其DDS正交调制和脉冲调制后输出中频回波模拟信号。
其中信号产生卡的构造如图2所示。
图2 信号产生卡原理框图 2.3 时序控制卡 为了模拟目标的空间角信息设计中采用3块信号产生卡能同时产生3路信号满足三通道和、俯仰差、水平差中频接收机。
3块信号产生卡的控制通过1块时序控制卡来完成原理如图3所示。
计算机通过PCI总线对FPGA进行控制计算机把目标模拟整个运行期间的目标延时数据表存储到SDRAM里SDRAM的读数时钟为发射调制脉冲从SDRAM读取的数据表对应延时计数器时钟取120MHz周期的个数延时由FPGA完成脉冲宽度在目标运行期间不改变脉宽直接由运行程序初始设定。
该时序控制卡具有以下功能:产生基准时钟信号120MHz产生240MHz图3 时序控制卡原理框图 时钟信号3路产生触发信号3路产生与目标距离延时同步的回波脉冲调制信号3路延时时钟120MHz最大延时时间40μs脉冲宽度0.10.35μs可软件设定。
3 主要芯片的应用3.1 信号产生卡核心AD9957本设计采用集成化数字芯片AD9957完成数字正交调制功能。
该芯片集成了正交两路DDS、数字混频、14bit高速D/A转换、内插滤波等在同一硬件设备上在计算机的控制下通过改动存储器中的基带I、Q数据能够实现不同波形参数的波形产生。
其最高时钟频率为1GHz最大单路采样频率为250MHz其数据量化位数为14bit。
由于芯片内部的调制过程为全数字化过程幅度、相位不平衡度载波抑制都优于一般的模拟正交调制输出信号杂散优于60dBc。
AD9957的核心是一个相位连续的直接数字频率合成器DDS。
在本设计选用的正交调制模式下DDS能够实现不同波形参数的波形产生。
AD9957的控制采用三线串行控制。
根据控制的时序关系将数据经74HC573锁存器送至片内的控制寄存器可以实现对AD9957的初始化。
输出频率fout与频率控制字K和系统时钟fc的关系如下:foutK×fc/2321频率控制字由软件设定可以方便地更改所需数值3。
为了协调高速总线与正交调制器芯片之间的数据传输需要对数据进行缓存。
本设计采用高速的DDR动态存储器SDRAM作为数据存储器基带数据存储容量I、Q两路应大于203 雷达科学与技术第7卷第4期2×256MB×16bit本文中大容量存储使用的是1GBDDRSDRAM。
3.2 PCI总线 本设计中采用PCI总线来进行计算机与卡片之间高速的数据传输。
PCI总线是一种高性能局部总线合乎对于高速实时数据采集与处理的要求。
PCI总线规范比较复杂在本文的模拟信号源设计中PCI接口采用具有DMA功能的PLX9054实现。
PLX9054是32位的其数据传输率为133MB/s大大高于ISA。
3.3 现场可编程门阵列FPGA 可编程逻辑器件及其应用是20世纪70年代诞生的一门技术具有集成度高、可靠性强、可重复编程等特点其中FPGA编程灵活其I/O引脚多达几百条1片FPGA就可以实现逻辑功能十分复杂的逻辑部件或者一个小型数字系统4。
本文介绍的信号源使用的是cycloneII系列的EP2c20Q484C6器件负责对SDRAM的读写控制以及接口之间的数据传输。
FPGA与其连接的芯片之间的数据传输方式如下:1由PCI到FPGA之间的数据传输PCI到FPGA的信号主要由PCI的16位数据线和6位地址线及PCI的写控制线组成。
首先对进来的信号去毛刺避免PCI信号上的毛刺产生误触发然后进行同步处理使PCI与FPGA的时钟同步稳定接收到PCI的信号后进行译码再执行相应的指令。
2FPGA与DDRSDRAM之间的数据传输设计中采用BL4的数据传输模式DDRSDRAM是64位的每次写操作相当于写了4个64位的数故要把PCI传进来的16位的数进行合并操作使其成为256位的数。
读的时候采用同样的模式每次都要读出4个64位的数再把读到的数拆成16位的16个数。
3FPGA与AD9957之间的数据传输由于AD9957采用的时钟与FPGA的系统时钟不同步设计中采用FIFO作缓存DDR中读出的数据使用系统时钟进行拆位操作后存到FIFO中然后AD9957使用自己的时钟将FIFO中的数据读出这样保证了时钟与数据的同步。
4 系统的软件设计 本设计中利用
VC和Matlab混合编程的方法开发雷达中频模拟信号源的软件系统。
用Matlab产生数据用
VC编写界面、控制程序并调用数据。
4.1 目标数据模型的建立 本方案中对雷达回波模拟应用相干视频信号模拟目标起伏模型选用经典的Swerling模型三通道以产生双平面振幅和差式单脉冲雷达回波信号可以反映目标的距离、方位角和俯仰角。
中频回波表达式为SiAicos2πfIfdit-2fiR0ckTfiTr≤t≤kTfiTrT 0 其他2式中i代表第i个脉冲回波k代表第k次频率跳变Ai为第i个脉冲回波的幅度fI为接收机一中频频率fdi2fiv/c为每个脉冲的多普勒频率T为脉冲宽度Tr为脉冲重复周期Tf为步进跳频周期c为光速R0为t0时刻目标与雷达之间的距离v为目标的径向速度4πfiR0/c为回波的初相。
当雷达距离分辨率高时大部分目标回波可以看作是一些散射点的叠加则M个散射点的回波为Si∑Mm1Aimcos2πfdimt-2fiRmckTfiTr≤t≤kTfiTrT 0 其他3式中fdim2fivm/c为第m个散射点第i个脉冲周期的多普勒频率4πfiRm/c为第m个目标回波的初相。
为了便于方案设计可以假设若干参数指标如目标的最大相对速度vmax雷达工作频率f步进跳频范围nMHz一个航程内目标径向速度变化小于等于Δv。
因此由目标相对速度引起的多普勒频率范围为fdmax2vmax/λ一桢波形步进跳频引起的多普勒频率变化范围为Δfdmaxmax2vmax/λ1-2vmax/λ0目标径向速度变化引起的多普勒变化为Δfdmax2vmax/λ1-2vmax-Δv/λ1由于基带信号采样率的限制大多普勒频率fd400kHz信号不可能直接在基带数据实现注意到大多普勒频率信号其多普勒变化范围并不很大的特点可以3032009年第4期于长军:基于AD9957的三通道中频模拟信号源 把不变化的多普勒频率部分转移到中频回波的载波频率上模拟。
令fdif1df2d其中f1di是目标运动速度在载频f0时产生的多普勒频率f2di是由于信号载频步进跳频引起的相对于载频f0的多普勒频率偏移量。
4.2 噪声及杂波 当雷达的主要背景干扰是大气噪声和接收机热噪声可以用高斯白噪声来模拟背景噪声。
本设计中采用反变换法得到的随机数精度高计算速度快而且可以同时产生一对互为正交的正态分布随机数。
当雷达检测目标处于低空下视地面时主要干扰为地杂波。
在实际情况中杂波数据的模拟不仅要在幅度上满足一定的概率分布在相关特性上也要符合要求因此设计中采用具有双参数控制的相干Weibull分布来模拟雷达的地杂波。
对此Farina等人提出了一种相参模型该模型由一个线性FIR滤波器和一个非线性零记忆变换设备组成输入为一个复高斯噪声序列模型如图4所示5。
图4 Weibull杂波模型图 图4中n1i和n2i为正交的白高斯噪声序列xi和yi为具有理想自相关特性的正交高斯序列。
由图4可得:Uxx2y21p-12Vyx2y21p-1244.3 控制软件 应用
VC编写人机交互界面并用其调用Matlab产生的数据。
VC与Matlab有多种结合途径本文中通过动态链接库DLL实现混合编程把很多通用的功能放在DLL中供多个应用程序调用可以减少文件外部存储空间的占有量并实现了
代码共享。
这种方法的具体步骤是:1在所使用的电脑上设置环境变量Matlab2使用mex和mbuild命令对Matlab编译器进行设定3将Matlab函数转化成DLL函数。
输入命令mcc2Wcpplib:a2Tlink:libb.m.b表示m文件的名字a表示生成DLL文件的名字。
将Matlab生成的文件复制到工程所在目录4在
VC中进行相应的设置将a.h加入到工程当中。
至此已完成
VC对Matlab程序的调用。
我们在界面中输入相应的参数Matlab程序就会依据这些参数产生相应的数据6。
5 系统测试结果 仿真环境:PD工作模式雷达发射功率Pt5W雷达接收到的目标回波功率Pr0.01W子脉冲宽度T10μs脉冲重复周期Tr20μs子脉冲数N128信噪比RSN5dB信杂比RSC10dB采样频率fs5MHz目标作直线运动载波频率f060MHz高斯白噪声Weibull分布杂波。
图5为目标运动轨迹的仿真结果。
图6为在频谱仪上观测到的实际系统PD模式下的和路输出信号的频谱图由图6可以看出幅度谱尖峰在f0基础上有一定的偏移即多普勒频移与理论分析相符。
下转第311页403 雷达科学与技术第7卷第4期的设计方法与传统的P波段T/R组件相比实现了较小体积、大功率输出、高效率、高相位一致性的满意性能具有很大的实际应用价值。
参考文献:1汪邦金胡善祥.微波固态功率组件相位一致性分析J.雷达科学与技术200861:77280.WANGBang2jinHUShan2xiang.PhaseConsistenceAnalysisofMicrowaveSolid2StatePowerModuleJ.RadarScienceandTechnology200861:77280.inChinese2于涛.T/R组件幅相一致性研究D.成都:电子科技大学2008.3OhataKInoueTFunabashiMetal.Sixty2GHz2BandUltra2MiniatureMonolithicT/RModuleforMultimediaWirelessCommunicationSystemsJ.IEEETransonMicrowaveTheoryandTechniques19964412:235422360.4康颖雷国忠.某雷达T/R组件的结构设计研究C‖2006年电子机械和微波结构工艺学术会议论文集南京:出版者不详2006:1472151.5曹良强吴钢王怀.相控阵雷达T/R组件冷却仿真研究J.低温与超导2008368:37240.作者简介:吴金国 男1979年生湖北荆州人硕士生工程师主要研究方向为电磁兼容。
上接第304页6 结束语 本文主要讨论一种用于某型雷达的中频模拟信号源的实现方法系统设计中将软件与硬件相结合使系统具有多样性、灵活性。
3块信号产生卡及大容量SDRAM的应用使信号源能够准确地模拟目标的运动状态及各种杂波。
VC与Matlab的混合编程使得操作者能够方便快捷地修改和完善数据模型。
实验结果证明了基于AD9957的三通道中频模拟信号源实现方法的正确性。
参考文献:1MitchellRL.RadarSignalSimulationM.BostonMA:ArtechHouse1976:21230.2BrambleAL.DirectDigitalFrequencySynthesisC‖Procofthe35thAFCSs.l.:s.n.1981:4062414.3周美丽刘生春白宗文.基于AD9957的双通道高速数字调制信号源设计J.国外电子元器件2007157:39241.ZHOUMei2liLIUSheng2chunBAIZong2wen.De2signofDual2ChannelHighSpeedModulationSignalSourceBasedonAD9957J.InternationalElectronicElements2007157:39241.inChinese4黄智伟.FPGA系统设计与实践M.北京:电子工业出版社2005:2782287.5胡艳辉张宝宝.相参相关雷达杂波的建模与仿真J.雷达科学与技术200751:43248.HUYan2huiZHANGBao2bao.ModelingandSimu2lationofCoherentCorrelatedRadarClutterJ.RadarScienceandTechnology200751:43248.inChi2nese6谢佩军计时鸣张利.
VC与MATLAB混合编程的探讨J.计算机应用与软件2006232:1282130.XIEPei2junJIShi2mingZHANGLi.ResearchonCombinedProgrammingofVCandMATLABJ.ComputerApplicationsandSoftware2006232:1282130.inChinese作者简介:于长军 男1962年生于黑龙江省依兰县哈尔滨工业大学电子与科学技术研究院教授主要研究方向为雷达系统及信号处理。
龚 勉 女1984年生于黑龙江省绥化市现为哈尔滨工业大学电子与科学技术研究院硕士研究生研究方向为雷达回波模拟。
1132009年第4期吴金国:一种P波段大功率T/R组件的设计