多波形雷达回波中频模拟器设计

摘要：基于自主产生式的工作原理，采用DSP配合FPGA完成数据处理、DDS信号产生、数字正交上变频等技术，实现了双目标中频雷达回波信号模拟，支持简单脉冲、线性调频，以及步进频等多种波形。采用改进的存储转发方法实现脉冲延迟，并基于数字信号处理技术产生带限高斯白噪声，可灵活地调节带宽、功率等参数。整个系统已经成功地在ADI公司的ADSP-21060和Xilinx公司的XC2V3000型FPGA上得到了实现，验证了设计的正确性和有效性。
关键词：雷达回波模拟；多波形；存储转发；加性高斯白噪声

0 引言
在各型雷达导引头的研制开发中，经常需要多次试验以检验雷达对目标回波信号的分析处理性能。然而一般外场试验虽然是最真实的实战模拟，但需要耗费大量的人力物力，试验成本昂贵，不适于研制阶段的性能考核，通常只作为导弹整体研制完成后的最终性能考核验证。因此，能够在实验室为雷达导引头工作提供一个模拟真实工作状态的电磁环境就显得格外重要。雷达回波模拟器正是为适应上述需求研制出现的，它不仅为设计者节省大量的研制费用，而且可以缩短研制周期，提高工作效率。
从实现方法上，雷达回波模拟器一般分为两大类：存储回放式和自主产生式。存储回放式是基于接收待测雷达产品的频率合成器的发射信号调制脉冲，并对发射信号进行下变频、采样存储、完成目标与干扰的信息数字调制处理，再通过高速D／A和上变频器回放出来的一种实现模式。自主产生式则无需接收待测产品的发射信号，但需要得到与产品相参的时钟和调制脉冲、相参帧同步信号，在此基础上，采用一个与产品相近的频综，直接根据目标和干扰的参数信息产生产品所需的模拟回波信号。
两种方式都有各自的优缺点。存储回放式对波形参数中如带宽、脉宽等的变化不敏感，可自动适应；但对于脉间频率捷变情况下的测频处理则很难快速高精度实现，且由于高速A／D的限制，模拟回波信号的信噪比很难做高。自主产生式则规避了存储回放式的上述缺点，但对如带宽、脉宽等波形的变化必须依靠产品提供信息，灵活性有所欠缺。
本文论述一种自主产生式的雷达回波模拟器中频部分的设计实现方法，该模拟器可产生脉冲单频、脉冲线性调频、步进频、步进频+线性调频等多种波形的雷达回波信号，并可产生双目标和参数可控的带限高斯白噪声，可模拟主要的干扰类型；输出信号既可以直接用于信号处理机的中频注入式测试，也可上变频后用于雷达系统的射频条件下的各种测试验证。以下对该中频雷达回波模拟器的实现方法予以详细阐述。

1 回波信号理论分析
按照设计要求，该模拟器需要模拟脉冲单频、脉冲线性调频、步进频、步进频+线性调频共四种波形的信号。其中，步进频又包括顺序步进频和随机步进频两种类型。这些波形的雷达回波信号，均可以统一表示为式(1)的形式：

式中：c为光速；N为相参帧的脉冲总个数；i表示相参帧内的第几个脉冲；To为脉冲宽度；Tr为脉冲周期；fc为相参帧内首脉冲的载频；△f为脉冲间最小步进频差；bi△f为第i个脉冲在初始载频基础上的频率变化(仅适用于脉间频率捷变波形，非脉间捷变波形则bi=0)；k为线性调频波形时的脉内调频变化率(非脉内线性调频则k=0)；Ro为目标当前距离；v为目标当前速度。
由以上分析可知，无论上述何种波形，均可根据式(1)计算脉冲的延时、每个脉冲的脉内初相、以及每个脉冲的载频等参数，并对这些参数在与产品同步的基础上予以实时控制来进行模拟实现。根据发射波形，还要决定是否添加脉内频率线性调制。

2 回波模拟器系统设计
根据系统需求和前述雷达回波信号理论分析，该中频雷达回波模拟器(以下简称模拟器)采用了如图1所示的系统实现方案。

该模拟器通过单片机(AVR8515)与上位机进行异步串行通信，单片机完成通信协议的解包、打包等过程，接收上位机中用户设定的目标和干扰参数，发送模拟器的实时模拟状态信息给上位机。系统以DSP(ADSP-21060)作为脉冲参数的实时计算单元，单片机与DSP问通过双口RAM进行信息交换。DSP得到两个目标的模拟参数后，根据参数变化的时间节拍，计算一个相参帧两目标的各脉冲的初相、载频、脉冲延时等参数，并写给双口RAM。系统以FPGA(XC2V3000)作为信号处理与控制单元，FPGA读取后，在产品提供的处理帧同步信号和同步调制脉冲控制下，结合产品串口传过来的波形类型的信息(如：脉内单频还是线性调频)，形成两个目标的延时脉冲，并控制两个目标各自的DDS(AD9858)信号产生单元，产生出两个目标信号。带限的高斯白噪声的数字正交基带也由FPGA产生，并同步AD9957的数字正交上变频功