LPI雷达多波形设计分析与实现
1 引言
随着雷达电子对抗技术的发展,雷达生存能力面临巨大挑战,低截获概率(Low Probability ofIntercept,简称LPI)雷达技术随之发展。为了实现LPI雷达在保证作用距离下降低峰值功率,采用大时宽、带宽积信号。因此,选择大时宽、 带宽信号是LPI雷达的研究重点。常规的脉压信号即线性调频(LFM)信号的参数相对固定,容易被识别,而相位编码信号采用在子码内调频,对实现硬件的要 求较高。为此,提出了采用非线性调频(Non-linear Frequency modulation,简称NLFM)和多种调制波交替工作方式,从而降低了截获的可能性,提高了雷达的生存能力。此外,还提出了一种可行的基于DDS技 术解决非线性调频信号的方案。
2 基本原理
2.1 tan调制信号
以tan调制信号(图1)为例,说明一般NLFM信号的筛选过程。由于tan函数在接近π/2时信号上升较快,为了降低非线性信号的多普勒频移敏感度,定义调频函数为:
选择在线性度较好的(一π/4,π/4)区间内作调频。为了处理简便,设中频f0=0,则信号的复数形式为:
式中:τ为时宽,τ=0~20μs;B为带宽,B=5 MHz,采样频率fs=2B。
对匹配滤波器采用hamming窗进行时域加权。图2给出tan调制信号在0.001B.0.0lB多普勒频移下的脉压结果。
由图1可见,tan调制采用线性度较好的区间,脉压结果与线性调频非常接近,这样可大大降低多普勒敏感度。虽然,在非常大的频移下,略微增大tan 调制主瓣的宽度,但因tan调制有较高的主旁瓣比,极易于处理。让该信号分时结合多脉冲,多波形的雷达信号,这样有助于提高雷达的反截获和防干扰能力,其 性能仿真基本满足雷达日常工作的需求。
2.2 DDS原理
直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,简称DDS)是一种从相位概念出发直接合成所需波形的频率合成技术。它由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器(LPF)构成。图3给出DDS的原理框图。
图中:K为频率控制字;P为相位控制字;fc为参考时钟频率;N为相位累加器的字长:D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在fc的控 制下以步长K作累加,输出的N位二进制码在相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址,对波形ROM寻址,波形ROM输出D位的幅度码 S(n)经D/A转换器变成阶梯波S(t),再经低通滤波器滤波即可得到合成的信号波形。该合成信号波形取决于波形ROM中存储的幅值码,因此采用DDS 能够产生任意波形。
3 硬件设计
该系统硬件设计正是基于DDS原理设计的,其主控制器采用ADI公司的高性能DSP处理器AD-SP-BF531。 该器件具有以下特点:较高的工作速度,可提高波形转换速度,缩短转换时间;最高时钟频率为400 MHz;采用双处理单元结构,32位定点处理器;内部集成84 K字节SRAM存储器;具有PPI/GPIO、UART并行接口和SPI接口。该器件的工作原理是:接收计算机发送的雷达信号参数,经计算处理后产生DDS的控制参数和时序参数。控制参数CSR,CFR,CTWO,LSR,RDW等通过DSP的SPI接口发送至DDS;时序控制参数(脉冲重复周期和脉冲宽度)通过DSP的并行总线发送至系统分时序控制器EP2C20型FPGA。 FPGA产生DDS的UPDATE信号和线性调频方向控制信号PSI和PS2。DDS的参考时钟设置为单端输入(20 MHz),其内部通过FRl寄存器倍频至400 MHz,作为DDS的系统时钟。DDS的AVDD引脚接1.8 V模拟电压,DVDD引脚接1.8 V数字电压,DVDD-I/O引脚接3.3 V数字电压,其参考时钟置为单端输入,一端接20 MHz时钟,另一端接地。图4给出该系统硬件设计结构框图。
由于DDS是波形产生器的核心,其工作模式灵活,控制方式复杂,在权衡波形产生器的要求后,选用ADI公司的高性能AD9958型DDS,其特性: 最高工作时钟频率为500 MHz;双通道DDS;内置10位、速率高达500MS/s的D/A转换器;当输出频率为40 MHz时,相位噪声小于142 dB@l kHz;32位可编程频率寄存器;14位相位偏移分辨率;10位输出幅值控制分辨率;SPI控制接口。AD9958采用先进的DDS技术,结合高速、高性 能D/A转换器可构成数字编程的高频合成器,产生200MHz频率的模拟输出正弦波。频率调制和控制字可通过串行控制端口加载到AD9958。图5给出 DDS的连接电路图。
4 软件设计
实现非线性调频信号的方法有阶梯形逼近和线性逼近两种。在同样的采样周期下,若用曲线的多项式展开拟合理论分析,则线性逼近的误差为二次项以上的成分,而阶梯形逼
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