??? 摘 要: 毫米波" title="毫米波">毫米波多目標" title="多目標">多目標信號形成是實現毫米波雷達模擬器的關鍵技術,要求目標分辨精度高、時延" title="時延">時延差值達ns級是其顯著特點。介紹一種基于可編程邏輯器件FPGA的多目標信號產生" title="信號產生">信號產生的新方法。實踐結果表明應用FPGA實現目標之間的時延具有延時精度高、系統可靠性好等特點。
??? 關鍵詞: 毫米波雷達模擬器? 多目標形成? 現場可編程門陣列
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??? 近年來,精確制導武器的研制已經成為現代武器研制的一大熱點,而毫米波多目標信號發生器正是精確制導武器研制的關鍵手段?毫米波多目標信號發生器通過模擬的方法產生多種類型高精度的雷達多目標回波信號,在實際雷達系統前端不具備的條件下對雷達系統后級進行調試[1],便于制導武器的性能測試,大大加快新武器的研制進程?毫米波多目標信號產生的關鍵是要求回波信號距離分辨率極高[2],常規的多目標信號產生方法如使用數字延時線產生多目標之間的延時,其控制不靈活,并且有些延時線需要接ECL電源,使用不方便也增加了設計的復雜度?使用分立元件實現延時則使電路元件過多,電路的穩定性及延時的精確性也會大大降低?本文介紹一種新的產生毫米波雷達模擬器的多目標信號的方法,針對毫米波多目標信號回波之間距離分辨率要求高的特點,采用現場可編程門陣列(FPGA)實現回波之間的時延?本文詳述了使用FPGA控制及產生延時多目標信號間精確延時的設計方法?該方法實現電路體積小?穩定性高,同時使延時精度得到了很大的提高,具有很好的工程應用價值??
1 多目標信號產生器?
??? 為了精確制導武器研制的需要,本信號發生器根據外部設定的工作方式及工作參數產生相應的毫米波雷達中頻多目標信號?每個脈沖的開始保持嚴格的初相值,脈沖寬度間的多普勒信號調制要求回波目標信號相一致,目標之間的距離分辨率為0.3m,目標回波間延時范圍為0~10ns?整個系統基于DSP+FPGA結構,高速DSP 主要生成多目標信號產生器的回波數據,設計中采用靜態RAM擴充存儲一個相干區的回波信號的程序及數據,用EPROM存儲相位表?FPGA實現所有的控制?地址發生等邏輯及產生多回波信號回波間分辨率為2 ns 的時延?輸入輸出的顯示由單片機控制?圖1所示為多目標信號發生器產生一路模擬回波信號的結構框圖,回波數據包含I?Q兩路數據,系統中每路回波信號數據采用兩片雙口" title="雙口">雙口RAM進行存儲?將從雙DA輸出的各路模擬回波信號相加(I支路與I支路相加,Q支路與Q支路相加),然后進行正交調制得到毫米波雷達模擬器多目標中頻信號?整個系統結構簡單?體積小?可靠性高??
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??? 回波信號包括目標信號?噪聲和雜波信號兩部分?利用回波數學方程考慮目標雜波特性以及隨機噪聲,產生運動目標的多普勒回波信號的數學方程為:?
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??? 其中fi=f0+iΔf,i=0,1,...,255;G1(t)為高斯白噪聲,G2(t)為雜波?高速DSP根據目標要求的信號幅度?多普勒頻率?信號所處的距離單元等計算所需目標信號數據?對噪聲的模擬,考慮到噪聲是由系統內部產生,采用窄帶高斯白噪聲為模型?對雜波信號的模擬,由于雜波是系統外產生,分為地雜波?海雜波?氣象雜波等,其數學模型多種多樣,故把這部分作為可重加載模塊實現?對不同的雜波模型,以不同的程序塊實現?由DSP計算出的回波數字信號經雙DA進行數模轉換,輸出模擬的回波基帶信號?DSP與雙DA間用雙口RAM接口,這樣可實現數據高速?可靠及靈活的調度?雙口RAM的地址信號由VIRTEX-II系列FPGA提供?設計中,將雙DA轉換時鐘之間應用FPGA實現了0?2?4?6?8和10ns的可變時延差,因此雙DA輸出的兩路回波基帶信號之間相應地產生了0?2?4?6?8和10ns的延時?從而達到了模擬出的兩路回波之間的延時范圍為0~10ns,目標之間達到0.3m的距離分辨率的設計要求??
2 多目標信號間高精度高可靠性延時的設計與實現?
??? 多目標信號各目標回波之間的距離體現在回波之間的時延上,多目標信號產生器的各回波之間的時延由FPGA產生?DSP將計算出的回波信號數據存儲在雙口RAM中,然后由雙DA讀出數據進行數模轉換輸出模擬的回波信號?FPGA需要為數據轉換提供時序控制信號?讀數據時的地址信號及雙DA的轉換時鐘信號等?將時鐘信號經過FPGA進行精確的延時,延時后的信號作為雙口RAM讀出數據時地址發生器的時鐘信號,將延時后的信號與DSP提供給雙DA的初始化信號相與后提供給雙DA作為數據轉換時鐘??
??? 產生各目標回波間時延有多種方法,如采用分立元件實現,但這種方法存在電路復雜?可靠性差等缺點?本文采用FPGA器件實現回波間高精度的延時具有電路簡單?功能強?修改方便和可靠性高等優點?VIRTEX-II系列FPGA器件有4～12個數字時鐘管理器DCM,每個DCM都提供了應用范圍廣?功能強大的時鐘管理功能?如時鐘去時滯?頻率合成及移相等[3]?它利用延時鎖定環DLL,消除時鐘焊盤和內部時鐘引腳間的擺動,同時它還提供多種時鐘控制技術,實現時鐘周期內任意位置的精確相位控制,非常適合時序微調應用,對設置和保持時序對準非常關鍵??
??? DCM相移具有可變相移和固定相移兩種模式?設計中,由于延時量由用戶外部輸入提供,故采用可變相移模式?在可變相移模式中,用戶可以動態地反復將相位向前或向后移動輸入時鐘周期的1/256?可變相移模式中,相移控制針如表1所示?當PSEN信號有效,則相移值可以由與相移時鐘PSCLK同步的PSINCDEC信號決定動態地增加或減少,本設計中相移時鐘由輸入時鐘提供?PSDONE 輸出信號與相移時鐘同步,它輸出一個相移時鐘周期的高電平表示相移已經完成,同時表示一個新的相移可以開始?輸入時鐘經過DCM移相電路移相后,得到所需延時之后的時鐘輸出?將該輸出時鐘作為雙口RAM讀出數據時地址發生器的觸發時鐘及雙DA進行數據轉換的時鐘輸入,便可以實現回波信號的精確延時??
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??? 如前所述,毫米波多目標信號產生的關鍵是實現回波信號之間極高的距離分辨率?本文采用FPGA提供精確時延實現多目標信號產生的方法,為系統調試提供了極為有效的手段?設計采用自頂向下的設計方法,采用硬件描述語言VHDL完成DCM移相?狀態機控制及參數輸入三大功能模塊的設計輸入?DCM的相移模式為可變相移模式?根據用戶輸入的所需延時量,在-64～+64之間取一個整數相移值[4],通過時鐘選擇器選擇用CLK0?CLK180實現0～10ns的多種時延???
??? DCM工作在可變相移模式,因此對其移相操作的控制相對復雜?數字電路常用的控制單元有狀態機及時序電路?狀態機實現控制等優化設計?采用狀態機編輯器,用戶不用自己寫HDL代碼,只要輸入功能塊的狀態機圖表描述,編輯器就可以自動生成與此描述相對應的HDL代碼,使設計變得異常靈活方便?狀態機的主要功能是產生DCM的PSEN輸入信號,控制DCM的相移操作,同時給出相移完成提示信號PSSUCCEED??
??? 狀態機如圖2所示,共有6個狀態?本系統狀態轉移與輸入時鐘同步?在系統復位后,狀態機進入初始狀態狀態1,用戶輸入所需要的相移量,給出開始相移信號后,狀態機接收到DCM鎖定及開始相移信號,便檢測輸入的相移量是否為0?如果為0,狀態機直接進入末狀態;如果相移量不為0,則進入狀態2,并對PSEN賦一個相移時鐘周期的高電平,使DCM進行一次相移;當相移時鐘上升延到達,則無條件轉入狀態3,直到DCM的PSDONE輸出變為1,狀態3進入狀態4,并再給PSEN賦一個相移時鐘周期的高電平?相移時鐘上升延到達后,狀態4無條件轉入狀態5;如果相移未達到所需要的值,則狀態5進入狀態2,直到相移值達到所需的值后,狀態5進入末狀態6,PSSUCCEED輸出變為高電平??
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3 仿真結果?
??? 設計中采用仿真工具ACTIVE-HDL 5.1軟件對系統進行功能仿真及布局布線之后的后仿真,圖3?圖4?圖5是使用該軟件對產生時鐘延時部分進行功能仿真的部分仿真結果?輸入時鐘CLK頻率為50MHz,其中RESET為系統復位信號,DELAYIN為需要的十六進制的延時輸入,START為啟動時鐘延時操作信號,CLKOUT為輸出時鐘,LOCKED為DCM鎖定信號,CLK0為DCM的CLK0輸出?PSSUCCEED輸出表示用戶所需要的延時操作已完成,高有效?當不對時鐘進行延時,則輸出時鐘沿完全與輸入時鐘沿同步,如圖3所示,顯示整個移相操作完成后,輸入輸出時鐘沿處在同一時間點1030ns處?圖4所示為對時鐘進行2ns延時的仿真結果,顯示整個移相操作完成后,輸入時鐘沿在4150ns處時,輸出時鐘沿在4152.053ns處,且輸出時鐘選擇CLK0?圖5所示為對時鐘進行6ns延時的仿真結果,顯示整個移相操作完成后,輸入時鐘沿在7150ns處時,輸出時鐘沿在7156.037ns處,且輸出時鐘選擇CLK180??
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??? 通過以上仿真結果證明這種方法能夠精確實現各種時延,其延時精確到了0.1ns?該延時體現在雙DA的轉換時鐘上,則由雙DA轉化得到的模擬信號之間也會相應地產生各種時延?該多目標信號產生的設計方法已在實際雷達模擬器中得到應用,此方法對于其它類似的應用場合也具有很好的實際參考價值??
參考文獻?
1?[美] R.L. 米切爾著, 陳訓達譯. 雷達系統模擬[M]. 北京:?科學出版社, 1982?
2 [美]K.J.巴頓 J.C.威爾茨著,方再根,刁育才譯.毫米波系統[M].北京:國防工業出版社,1989?
3 Xlinx Company.Virtex-II Platform FPGA User Guide[Z].USA:?Xlinx Company, 2002?
4 Xlinx Company.Virtex-II Platform FPGA Datasheets[Z]. USA:?Xlinx Company, 2002