一种基于FPGA的通用雷达回波实时模拟器

摘   要: 提出了一种基于FPGA的雷达回波实时模拟器的实现方法。该模拟器采用cPCI标准总线，以FPGA为核心计算单元，配有高速数模、模数转换模块，可实现雷达回波信号实时在线注入模拟。该模拟器可实现多种体制下复杂回波的模拟，具有很好的工程应用价值。
关键词：雷达回波模拟器; FPGA; 并行处理
       雷达回波模拟器能够在实验室环境下模拟产生雷达实际工作中所接收到的回波信号，在雷达系统设计、调试、测试、训练和维护等工作中发挥着不可替代的作用[1-3]。随着电子技术的日益进步，雷达系统正在向多模式、多通道、高分辨等方向发展，对模拟器的通用性、实时性等指标提出了更高的要求[4]。
　　模拟器通常可以分为软件模拟、硬件模拟及软硬结合等三种实现方式。软件模拟具有成本低、灵活性强等优点，但实时性差，一般不能直接用于雷达系统的实时调试和测试[5]。硬件模拟通常采用波存储回放技术，实时性好，但通用性差，不能满足参数复杂多变的情况[6-7]。软硬结合方式以通用计算机为主控平台，以高性能嵌入式处理器为运算单元,在具有良好实时性的同时，能够适应复杂的仿真环境,是应用最为广泛的模拟方式[5,8]。
     FPGA作为高性能数字信号处理系统中的关键器件，在雷达信号模拟中有着巨大的开发潜能[9-11]。然而，受制于开发难度与开发周期，在传统的模拟器中，FPGA多用于逻辑功能、时序信号和对外接口的控制，其强大的并行处理能力没有得到充分利用。
     本文以FPGA为核心构建了一种通用的雷达回波信号实时模拟系统。该系统采用FPGA作为回波信号模拟的运算单元，充分利用了FPGA资源丰富、并行处理能力强的特点，提高了系统的实时性；采用System Generator开发回波模拟程序，大大降低了开发难度，并显着缩短了研制周期。采用标准工业总线及模块化设计，通用性、兼容性和可扩展性强，可以应用于不同体制、不同规模的雷达系统模拟中。
1 系统方案
     通用雷达回波实时模拟器（以下简称“模拟器”）由上位机、微波链路和回波模拟单元组成，系统框图如图1所示。上位机实现人机交互、系统控制、状态监视等功能。微波链路包括下变频和上变频模块，用于实现射频信号与中频信号的转换。回波模拟单元完成中频信号采集、数字下变频（DDC）、目标模拟、杂波模拟、干扰模拟、数字上变频（DUC）和数模转换等操作，是整个系统的核心模块。
   
       模拟器遵循标准结构规范，采用cPCI标准总线，可根据实际需求扩展系统规模，为工程应用提供了便利。为了适应不同速率、不同类型的信号传输，系统内部采用多种互联方式。PCI总线用于传输控制命令及慢速信号，自定义总线用于高速数据流的传输，同步定时总线用于系统的时序控制，如图2所示。
   
   
     作为模拟器的重要组成部分，回波模拟单元以高性能FPGA为核心构建，用于实现DDC、回波模拟、DUC等功能；同时配以高速A/D和D/A芯片，用于信号采集与回波信号的播放。回波模拟单元由多块信号处理板组成，单板的逻辑框图如图3所示，FPGA采用2片Xilinx公司的XC6VLX240T。芯片采用40 nm技术，密度高、功耗小，片上具有丰富的逻辑和I/O资源，并集成了大量的信号处理单元（DSP48E），能够满足复杂的回波模拟运算及对外接口的需求。两片FPGA通过自定义互联接口实现高速数据通信，用于传输中间结果。ADC采用ADC08D1500，最高采样率可达1.5 GHz，可以满足中频宽带信号的采样要求。DAC采用ADI公司的AD9736，最高时钟频率为1.2 GHz,具有良好的输出信号性能。