雷达视频信号模拟器的硬件设计与实现

1 引言

雷达信号模拟技术根据信号注入点不同分为射频信号模拟、中频信号模拟、视频信号模拟。信号注入点位置越靠前，模拟越复杂，越接近现实；信号注入点位置越靠后，模拟越容易，逼真程度越低。因此应根据实际需求选择不同的模拟方法。目前，视频信号模拟器多采用PC机+DSP组合架构。PC机离线产生所需的杂波、噪声等数据，模拟器工作时，通过PCI接口或USB接口，将预先产生的数据由PC机实时传输至硬件电路指定的存储空间。DSP调用相关数据，经实时运算生成视频数据并存入输出缓存，最终在同步信号的触发下，经D／A转换，生成视频信号。

单片容量为4 G字节的Flash存储器可为存储雷达视频模拟过程中所需的大量背景杂波数据提供了硬件基础，而且Flash峰值读写速度达到40 M字节，能够满足大多数视频模拟数据的吞吐量要求。这里的视频信号模拟器正是基于这一条件设计的，整个系统使用PC机+DSP组合架构，但在视频模拟过程中不再从PC机实时传输数据至硬件存储单元，而是在生成视频信号前，将预先产生的大量杂波、噪声数据下载至硬件电路的Flash存储器中，并在生成视频信号的过程中，从Flash中读取杂波、噪声及目标参数。然后经DSP运算产生视频数据，最终经D／A转换器生成视频信号。

这里提出的视频回波模拟器可模拟某型导引头雷达系统中的输出、生成和差3个通道共6路视频信号，用来调试对应的雷达信号处理器。

2 系统结构

该模拟器采用板卡式结构，由一块主控卡、三块视频信号卡(每块信号卡两路，包括和差、俯仰及方位I，Q共6路信号)和一块高速背板总线组成。主控卡与PC机通过USB接口通信，并通过同步串口与信号处理器通信，另外将信号处理器的PRT同步信号、搜索／跟踪等同步信号接入背板总线。视频信号卡根据上位机生成的杂波数据目标参数、航迹数据。生成视频信号。为保证各路信号的一致性，所有视频信号卡采用相同的PCB设计；整个背板总线包含并行总线和LVDS总线两部分。前者用于传递同步信号及各卡的电源，后者作为命令、地址及数据传输路径。图1给出该模拟器的硬件框图及其与雷达信号处理器的连接。电源卡用于给整个系统供电。

2.1主控卡

图2给出主控卡的原理框图。该卡以FPCA为中心控制单元，使用USB接口器件与上位机通信。FPGA控制USB单片机及LVDS收发器将上位机指令、地址及数据通过背板总线传输至视频信号卡。另外，FPGA在其内部开辟缓存空间，通过USB接收上位机发送信号处理器的指令，通过同步串口将其转为差分信号并发送至信号处理器。另外，信号处理器反馈至其相应的状态信息，通过FPGA控制USB单片机上传至上位机，实时显示。

2.2背板总线

该系统需产生和差三通道I，Q共6路回波信号，而每路信号都需将对应的杂波、噪声及目标参数下载到Flash存储器中。由于数据量较大，且考虑到下载速度，该背板总线采用了自行设计的单环总线结构。该结构采用基于低压差分信号收发器DS92LV18和低压差分信号传输模拟交叉点开关SCAN90 CP02来实现。通过各子卡的插拔，实现对SCAN90 CP02的逻辑控制，从而保证无论背板各扩展槽是否有卡，整个环路都保持封闭状态。DS92LV18的主要性能：15～66 MHz，18：1／1：18串行／解串器；收发一体设计；内置发射／接收数字锁相环；提供帧同步、帧检测、时钟恢复功能；可进行单器件环路测试，器件引脚基本兼容，设有本地及线路环回模式。SCAN90CP02的特点：每通道的传输速率达1.5 Gb／s；低功耗；在双中继器模式下，最高速率时，电流为70 mA；低输出抖动；配置有预增强功能，可驱动有损耗的背板和电缆LVDS／BLVDS／CML／LVPECL输入；LVDS输出。由这两款器件组成的环网总线最大数据乔吐速度为1.188 Gb／s，能够满足快速下载数据的要求。图3给出单环总线的结构原理框图。

2.3视频信号卡

视频信号卡为整个系统的核心部分，因其视频信号的生成所涉及的运算量很大，单个DSP难以生成多路视频信号，同时出于系统升级的考虑，因此该视频信号模拟器的每路都使用高性能的TMS320C6713型浮点数字信号处理器。该DSP采用先进的超长指令字结构，内置8个独立的功能单元、2个定点算术逻辑单元，2个浮点乘法器，4个浮点ALU、32个32位通用目的寄存器，4 K字节的L1高速程序缓存区，4 K字节的L1高速数据缓存器，256 K字节的L2两级数据缓存器。这种结构能最大限度地发挥8个功能单元的并行计算能力，使得300 MHz系统时钟工作下的DSP性能达到2400MI／s和1 800MFLO／s。

单路视频信号生成原理框图如图4所示。其中，DSP完成视频信号运算；FPGA(1)用于控制LVDS收发器接收来自总线上的命