基于FPGA的脉冲重复频率(PRF)跟踪器的设计

随着高科技的迅速发展,现代战争已经不仅是传统意义战场上的较量,电子战已经成为决定战争胜负的重要因素之一?反辐射导弹在电子战中扮演着重要的角色,它在战争中可以有效地压制或摧毁敌方武器系统中的雷达,使敌方武器系统失去攻击能力,取得制空权,发挥己方的空中优势?在反辐射导弹中引导攻击目标的是雷达导引头,它截获目标雷达的信号并检测出信号入射角,输送给导弹控制系统,导引导弹跟踪目标直到命中?

脉冲重复频率(PRF)跟踪器是雷达导引头的重要器件,它的功能是在雷达导引头接收到的信号流中选择出目标信号?在日趋复杂的电磁环境下,空间信号密度已经达到50~100万脉冲/秒,至少相当于几百个辐射源的总和?所以信号接收机截获到的信号通常是不止一部雷达的信号,往往包括很多部?脉冲重复频率跟踪器就是要在包含多部雷达的信号流中选出要截获的那部雷达信号,送到后面的信号处理机?如图1所示,接收机收到的信号包括多部信号,经过脉冲重复频率跟踪器的选择后只输出一部信号送到后续的信号处理机? 目前,实现脉冲重复频率跟踪器的方法主要有三种:纯软方式?半软半硬方式和纯硬方式?纯软方式用高速DSP完成全部功能,这种方式在现代密集信号环境下将影响系统的实时性,要想实现多路信号的跟踪需要多个DSP,这将造成系统体积庞大?半软半硬方式用DSP和硬件电路分别完成一部分功能,和前一种方式有相同的缺点?纯硬方式用FPGA或CPLD实现跟踪信号的全部功能,具有实时性好?性能稳定的优点,能满足目前复杂电磁环境的要求,并且集成度高,可以实现系统的小型化?

本文利用FPGA资源丰富?易于编程的特点设计了纯硬方式的脉冲重复频率跟踪器,实现了在密集信号环境下的信号跟踪,并且将多路并行的跟踪器集成在一片FPGA中,简化了系统结构,缩小了体积?

1 脉冲重复频率(PRF)跟踪器原理

1.1 脉冲重复频率跟踪器

为了在密集的信号流中分离出一部信号,需要知道该信号的脉冲重复频率以及脉冲重复周期(PRI)类型,这部分工作通常由雷达侦察系统或反辐射导弹的信号预处理器来完成?脉冲重复频率是识别雷达的一个重要参数,因为它是雷达最具特征的信号参数?所说的最具特征,是指雷达的性能受其所使用的脉冲重复频率的影响很大,例如对于常规雷达来说,脉冲重复频率的数值决定了雷达的最大无模糊距离和最大无模糊径向速度?脉冲重复周期(PRI)是脉冲重复频率的倒数,其类型大致可分为三种:固定?跳变和参差?固定PRI信号的各个脉冲之间的间隔是恒定的;如果把信号的PRI加上人为的随机跳变就构成了跳变PRI信号,其PRI的变化值可达脉冲重复周期平均值的15%;参差PRI信号由多个间隔不同的脉冲组成一个信号序列帧,各脉冲重复周期的总和称为帧周期,帧周期之间的小间隔称为小周期,一般帧周期是固定的?

根据以上分析,为了实现各种PRI类型信号的实时跟踪,在FPGA中设计了脉冲重复频率跟踪器电路,其原理图如图2所示?

由图2可见,跟踪器包括重复周期寄存器0~7?参差寄存器?输出波门寄存器以及重复周期计数器?输出波门计数器?输出控制器等单元?其中,参差寄存器存储参差PRI信号的小周期数,即参差数;重复周期寄存器0~7存储信号的各个重复周期?由于目前参差雷达一般不超过8参差数,所以重复周期寄存器有8个即可,参差寄存器储存的参差数控制各个重复周期寄存器?例如参差数等于3,则只有0~2号重复周期寄存器有效,其余5个无用?若参差数等于1,则只有0号重复周期寄存器有效,这相当于固定PRI信号的情况?输出波门寄存器存储的是波门宽度,其值主要由跳变PRI信号的变化量决定?若变化量大,则输出波门宽度也要大,这样才能选中要截获的信号?数值关系可表示为:波门宽度=PRI变化量+脉冲宽度+常量A?常量A为调整参数,可根据调试情况决定?重复周期计数器是跟踪器的核心器件,它根据信号脉冲的到达与否决定何时开始计数,计数周期是重复周期寄存器中的值,各个有效的重复周期寄存器的存储值循环采用?其输出送到输出波门计数器,后者根据输出波门寄存器中的值确定波门的宽度?输出控制器是主要的逻辑控制单元,控制整个跟踪器的工作?输出控制器的功能还包括判断信号是否截获成功?信号是否丢失等?

1.2 信号滤波器

各种电子对抗设备数目的急剧增加使雷达导引头系统处于高度密集的信号环境中,脉冲重复频率跟踪器的实时性受到考验?基于以上考虑,在跟踪器的前端设计了信号滤波器,对信号脉冲流进行稀释,减轻跟踪器的压力?信号滤波器的原理图如图3所示?

信号滤波器的核心是关联比较器,FPGA为关联比较器的实现提供了便利条件?本系统中采用了两路关联比较器,一路用于信号载频滤波,一路用于信号脉宽滤波?由图3可见,只有载频和脉宽都在一定的范围之内的信号才能通过滤波器,即对信号进行了筛选?在现代复杂电磁环境下,载频和脉宽都比较接近的信号是相当多的,同时比较器的上?下限不能取得过于接近,这样滤波器的输出就不只限于一部信号,即使这样也极大地稀释了信号流?这种稀释过的信号流送到跟踪器,有助于提高跟踪器的实时性,更利于成功地截获信号?