可扩展性雷达多波形系统设计与实现

王丽

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

可扩展性雷达多波形系统设计与实现

王丽

（中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009）

本文从硬件设计、器件选型及波形产生等方面考虑，介绍利用FPGA+DAC+DSP技术生成多种线性调频和步进频率雷达信号且可扩展设计的高性能雷达波形设计系统。该系统已通过内外场验证阶段，较好地完成了波形产生任务和各种控制等任务。

多波形；DDS；线性调频；频率步进

随着科学技术水平的不断进步和作战环境的变化，战争的模式发生了根本性变化。同时，当下芯片集成度越来越高，系统设计也越来越复杂。因此，对雷达系统功能与性能的高要求也势在必行。系统不仅要求具有多目标探测、识别、跟踪功能，同时要求具有高灵敏度及抗干扰特性。

高速数字处理器技术发展迅速，现代雷达系统的波形设计更加灵活且多样化。为了改善检测性能，雷达波形设计在针对特殊的用途（包括雷达测距和测速）中变得更加重要，从而改进雷达系统的性能和应用范围。所以，数字化、小型化、多体制化将是未来雷达多波形系统设计努力追求的目标［1，2］。

1 硬件系统设计

系统主要有FPGA单元、DSP单元、DDS单元、电源管理和时钟管理等模块组成，总体框图如图1所示。

本文以FPGA+DAC+DSP为架构，设计实现了一个高性能雷达波形设计系统，根据项目要求可以输出连续波、多种线性调频和步进频率雷达信号，而且输出信号频率稳定、信号形式多样。此外，值得一提的是，本系统可以扩展连接信号采样系统，通过对雷达回波信号的采集与预处理、主处理，完成对目标的检测、识别与参数提取等任务。

图1 系统总体框图

本系统设计以FPGA作为主控芯片，选用Xilinx公司的Virtex-6系列，该系列包括多个不同的子系列，可高效满足多种高级逻辑设计需求。如表1所示，选用XC6VSX315T或者XC6VLX130T这两种型号器件，2款型号封装一样，在使用中可根据总体需求选择合适的型号。

DSP形成控制指令完成波形生成系统中不同波形参数的管理与切换。本系统选用2片ADI公司超高性能DSP处理器TS201，这是一款已经使用很成熟的芯片，具体有强大的处理能力及可编程能力，可满足雷达波形系统对信号处理实时性和通用性的需求。

表1 FPGA芯片型号

图3 DDS的控制流程

考虑系统对扩展信号处理运算的需求，在硬件设计中充分考虑利用TS201的外部总线接口和链路口，将其连接至FPGA，通过FPGA编程实现外总线接口控制器和链路口收发的数据交换。

多波形生成系统是整个雷达波形系统的关键，本系统的核心是通过FPGA对DDS进行控制波形输出，采用自顶向下的设计方法设计系统控制软件，需要软硬件结合。硬件电路上系统DDS输出模拟差分信号，经中频变压器将差分信号变为单端信号，最后经过滤波器输出。硬件电路设计中需要考虑使用具有较好纹波性能的LDO线性电源为AD9910供电，为DDS提供一个干净的电源；采用磁珠隔开模拟电源和数字电源；DDS的电源单独提供，避免电源回流通路上面有其他的干扰信号。在FPGA中，采用VHDL语言通过对DDS内部的相关参数编程设置，控制所需要产生波形的幅度、频率和相位，生成所需要的各种类型的复杂波形。

本系统中选用ADI公司的AD9910，通过查找器件手册，可知AD9910是一款14bit的直接数字频率合成器，支持高达1GS/s的采样率，信号输出最高频率为400MHz，而且该器件具有显著的低功耗特色，同时具有非常不错的无杂散动态范围（SFDR）和相位噪声性能。此外，通过串行I/O口，对AD9910内部的各种控制寄存器可以进行多模式编程，控制其频率、相位及幅度，生成各种适用于雷达多波形生成系统的调制信号。同时，国内该型号器件有货架产品，封装一致，若想国产化，非常方便，无需重新选择设计。

2 波形设计及流程

下面介绍的设计方法可作为一种通用的雷达波形设计方法，可供设计者参考借鉴。AD9910的参数控制是串行通信控制，串行通信时序如图2所示，因所需通信时间较长，所以DDS需要分步控制，先进行参数写入，再进行参数更新。

DDS的控制流程如图3所示，控制流程以时钟（不高于50MHz并且不高于系统时钟的2分频）同步工作。上电复位或DSP复位后，先进行DDS的控制寄存器和参数寄存器的初始化，再输出DDS的IO更新脉冲；然后进入等待状态，检测写信号和更新脉冲。如检测到写信号脉冲，则依次向DDS的各个地址写入更新的参数；如检测到更新脉冲，则输出DDS的IO更新脉冲，随后进行频率字读取操作，将更新后的DDS内部频率字存入缓冲区供DSP读取，完成DDS自检。

3 系统测试结果

本系统实现了频率、幅度数字可控的连续波、多种线性调频和步进频率脉冲信号输出，如图4所示，图4a为MATLAB仿真的其中一种Chirp波形的仿真图，图4b为实际试验测试截图。测试结果表明，系统完成设计功能要求，输出信号频率稳定。

4 结论

本文介绍了利用FPGA+DAC+DSP技术生成多种波形信号的系统设计与实现，通过试验验证了系统的可实现性及稳定性。本系统的设计思想，在波形产生很多方面都能得到推广应用。目前，该系统已通过内外场验证阶段，较好地完成了波形产生任务和各种控制等任务。

图4 Chirp信号仿真与测试图

［1］武剑辉.多波形频域数字脉冲压缩系统的研究［D］.成都：电子科技大学，2001.

［2］赵国庆.雷达对抗原理［M］.3版.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

Design and Implementation of Multi-waveform Radar System with Scalability

Wang Li
（China Airborne Missile Academy，Luoyang Henan 471009）

From the aspects of hardware design,device selection and waveform generation,this paper introduced the design of a high performance radar waveform design system based on FPGA+DAC+DSP technology.This system has passed the field verification stage,successfully completed the task of waveform generation and control tasks.

multi-waveform；DDS；CHIRP；STEP

V19

A

1003-5168（2017）04-0026-03

2017-03-21

王丽（1983-），女，工程师，研究方向：雷达导引头信号处理。