雷达波形模拟系统软件设计

冯磊 ,李芾

中国电子科技集团公司第二十研究所  710126

摘要：随着科技的发展，武器装备也更加复杂，电子战系统愈发重要，特别是作为千里眼的雷达，其地位不言而喻。电子战系统的工程验证需要产生精确并且可重复的测试信号，用以模拟真实的电子战环境，雷达波形模拟系统可以克服内存大小对波形模拟时间的限制，构建复杂的雷达信号环境。

该雷达波形模拟系统产生具有可变时序和类型的基带信号，在AD/DA芯片内进行混频产生中频信号，经变频模块，TR组件从天线产生线性调频信号，巴克码信号，非线性调频信号等脉冲压缩信号和点频信号。本文从波形分析及软件顶层设计，波形发射时钟传递和触发的同步，及组成系统的各软件模块实现方法，介绍了雷达波形模拟系统的具体实现方案，并通过示波器和频谱仪观测中频模拟信号的时域波形以及频谱，与仿真软件生成波形的基带信号比较，最后在远端架设标准喇叭通过频谱仪对最终生成的射频信号进行验证。经测试，该系统功能正常，运行良好，为电子战系统的工程验证打下了基础。

一：模拟波形分析及软件顶层设计

该雷达模拟系统可根据指令同时发射多种类型，不同时序的波形。其中巴克码是一种特殊的二相编码，其编码序列的特殊性，使其具有理想的自相关函数。目前只找到7种巴克码，最长的是13位，其主副瓣比可达22.2dB。线性调频（LFM）信号与非线性调频（NLFM）信号的信号频率随时间改变。不同的是，LFM信号频率随时间变化规律（LFM调频函数）为一条直线，NLFM信号频率随时间变化规律（NLFM调频函数）为曲线。

本设计中选择FPGA芯片作为逻辑控制单元；时钟芯片AD9520提供多路输出时钟分配功能，具有亚皮秒级抖动性能，片内集成锁相环（PLL）和电压控制振荡器（VCO）实现发射时钟同步；AD/DA芯片IFTR1801将一个高速，直接数字频率合成器（DDS）、高性能，高速14位数模转换器（DAC）、时钟乘法器电路、数字滤波器和其他DSP功能集成在一个芯片上，用来实现数模转换，混频和基带信号插值。

下图1为软件顶层设计图，波形产生模块用来产生基带信号和波形的配置点数，发送给芯片配置模块；芯片配置模块产生AD9520和IFTR1801芯片的初始化配置数据，地址及有效信号，发送给ad9520和IFTR1801芯片；波形数据配置模块负责给IFTR1801的I/O总线传输波形数据；配置IFTR1801模块在发送完波形数据及相关参数之后产生I/O加载信号，对IFTR1801寄存器上的数据进行更新；时序控制模块用于产生波形输出开关和射频开关。

图1 波形模拟软件顶层设计图

二：波形发射时钟传递和触发的同步

该雷达波形模拟系统的天线阵面由24个子阵组成。为了在远端将发射的波束合成，多个子阵间需要有同步的时钟和发射触发信号。该系统外部晶振通过无源功分器经过ADclk944给AD9520时钟芯片输入120MHz参考时钟，时钟芯片倍频产生960MHz同步时钟，该同步时钟与120MHz参考时钟保持一定的相位关系。ADclk944同时将120MHz时钟发送给FPGA芯片作为系统时钟。流程图如下图2所示。

图2 时钟同步传递流程图

触发信号通过ADclk和功分器送入FPGA，产生波形发射控制信号以及射频开关的基准。为保证触发信号同时到达24个子阵，各射频线经过了等长处理。

三 软件模块设计

3.1芯片配置模块

系统在上电复位后初始化时钟同步芯片AD9520，延迟1ms后初始化IFTR1801芯片，配置为快速上变频（QDUC）工作模式， 基带信号8倍插值，300M混频，打开反sinc滤波器使能；然后回读寄存器数据并产生初始化完成标志，初始化完成将基带波形点数发送给IFTR1801芯片，进入等待状态。

由于IFTR1801存储基带数据的寄存器深度有限，需要根据波形宽度选择不同的插值倍数。在收到新的发射指令后选择插值倍数和混频频率重新配置IFTR1801并回读寄存器。具体流程如下图3所示：

图3 芯片配置模块流程图

3.2波形产生及波形配置模块

波形产生模块预存了通过仿真软件产生的巴克码，非线性调频信号的基带波形数据，线性调频信号通过DDS ip核即时产生，预存了DDS ip核配置参数。根据指令选取相应的基带波形数据。通过波形配置模块完成并转串，并将波形数据通过串行总线发送给IFTR1801芯片的波形存储寄存器地址。

该模块采用的线性调频信号产生DDS ip核参数计算公式：

；

其中为频率初始值，n为DDS ip核的位宽，B为信号带宽，为频率步进，N为信号点数，fs为发射时钟。

3.3时序控制模块

该模块根据发射触发信号和控制指令按照时间的先后顺序及长度产生AD/DA芯片、变频模块、TR组件的发射开关控制信号，用来模拟雷达波形发射时序，射频开关需根据实测结果进行延迟。

四：信号仿真及收发端实测图

依次列举巴克码、点频、非线性调频信号（NLFM）、线性调频信号（LFM）的基带信号仿真图及中频300M发射信号实测图，最后在远端架设标准喇叭，连接频谱仪，查看远端频谱仪接收的波形频谱图，进行验证。

4.1：巴克码

该巴克码信号子码宽度0.7us，脉冲宽度9.1us，为13位巴克码信号，相位在第3.5us、第4.9us、第6.3us、第7.0us、第7.7us、第8.4us处进行180°翻转。

   

图 4  巴克码时域及频域仿真以及实测结果

4.2 非线性调频信号

本NLFM信号带宽为5MHz，时宽为30us。

    

图 6  非线性调频信号时域及频域仿真以及实测结果

4.3线性调频信号

本LFM信号带宽为10MHz，时宽为10us。

    

图 7  线性调频信号时域及频域仿真以及实测结果

五 远端接收波形频谱验证

通过前期工作，可确保发射端可以发出相应的模拟波形。在远场区架设标准喇叭，连接频谱仪。将喇叭与阵面对准，阵面发射，远区喇叭接收。观测接收端信号频谱与发射端信号频谱。这里列举部分测试结果，发现远端接收频谱和发射端频谱具有一致性。

图 8  远端接收波形频谱实测结果

（1）巴克码；（2）点频；（3）非线性调频；（4）线性调频

结论：该雷达模拟系统可以模仿外军雷达发射相应的波形和发射时序，对雷达的抗干扰和雷达功能的研制有重要的作用。经测试，该功能正常，运行良好，产生的模拟信号符合仿真结果。为电子战系统的工程验证打下了基础。