基于FPGA嵌入式系统的雷达信号模拟器设计

文章摘要：摘 要： 结合FPGA嵌入式系统具有硬件电路高并行度和软件编程控制简单的特点，设计了一套基于FPGA嵌入式系统的雷达信号模拟器，能够完成雷达中频和视频信号、杂波和干扰信号的模拟，实现雷达系统在不具备实际接收前端的情况下对雷达后级的调试，信号产生和时序控制功能均在嵌入微处理的FPGA中完成，外围电路简单，具有很好的工程实用价值。在现代雷达系统的研制和调试过程中，对雷达性能和指标的测试是一个重要环节，在这个环节中，利用模拟目标信号的方式与外场实测相比具有花费少、可重复和灵活性高的优势。实际的雷达在接受目标回波时，回波中的杂波和噪声是很大的，甚至有些时候可以淹没目标回波信号。但是，在人为地对雷达进

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　　摘  要： 结合FPGA嵌入式系统具有硬件电路高并行度和软件编程控制简单的特点，设计了一套基于FPGA嵌入式系统的雷达信号模拟器，能够完成雷达中频和视频信号、杂波和干扰信号的模拟，实现雷达系统在不具备实际接收前端的情况下对雷达后级的调试，信号产生和时序控制功能均在嵌入微处理的FPGA中完成，外围电路简单，具有很好的工程实用价值。

　　在现代雷达系统的研制和调试过程中，对雷达性能和指标的测试是一个重要环节，在这个环节中，利用模拟目标信号的方式与外场实测相比具有花费少、可重复和灵活性高的优势。实际的雷达在接受目标回波时，回波中的杂波和噪声是很大的，甚至有些时候可以淹没目标回波信号。但是，在人为地对雷达进行测试时，有时只对雷达的某个和某些参数感兴趣，希望在回波中表征感兴趣的参数强一些，这时就应该在回波中去掉杂波和噪声的影响，而这在实际的外场试飞过程中是不可能实现的，这也是雷达信号模拟器对场外试飞的一大优势。

　　FPGA作为高性能数字信号处理系统中的关键部件，在雷达信号模拟和雷达信号采集等方面有着巨大的开发潜能，采用这些技术对雷达系统和环境进行模拟，可重复性高，可以多次模拟同一情况下雷达的性能，便于分析。目前对雷达信号模拟器的研究比较多，通用的方式是软硬件相结合，使系统既有很大灵活性又可以满足信号实时输出的要求。以往的设计中FPGA一般用来控制整个系统的时序，本设计采用集成微处理器的FPGA，同时完成信号模拟和时序控制的功能，改变了以往信号处理DSP+FPGA中FPGA作为协处理器的模式[1-3]。整个设计仅需要具有嵌入内核的FPGA和简单的外围电路，使系统的集成度更高，由于FPGA在信号处理中并行处理的优势，系统实时性强。系统采用工业标准的总线结构以及模块化设计，具有良好的通用性、兼容性以及可扩充性。

　　1 系统组成

　　1.1 雷达信号的模拟

　　雷达信号模拟模块(如图1)主要完成对雷达中频和视频模拟。其中中频信号模拟可以模拟产生雷达中频线性调频脉冲信号，视频信号模拟可以模拟一路非相参视频信号或两路相参视频信号。雷达信号模拟模块内部包括：天线控制、触发控制、波门控制以及信号产生等子模块。天线控制模块根据天线参数产生天线扫描信号；触发控制模块根据触发信号参数产生周期性的触发脉冲信号；波门控制模块根据天线扫描信号、触发脉冲信号以及目标方位、仰角和距离参数在指定方位、仰角和距离上选通波门输出目标信号，信号产生模块根据参数设置产生对应幅度。

　　1.2 杂波的模拟

　　杂波是雷达回波的重要组成部分，只有对杂波有效的建模，并将其叠加在目标信号上，才能使模拟出的雷达回波更接近真实情况。通常该模型用统计随机过程来描述。杂波的模拟有2种途径：(1)利用Matlab在电脑上产生。首先根据雷达环境和被测雷达参数，选择合适的杂波模型以及统计特征参数，建立杂波数据库；然后在计算机中利用零记忆非线性变换法产生杂波随机序列[4]。目前最常用的杂波幅度分布模型有韦布尔模型、对数正态模型和K分布模型，设计中产生表示雷达杂波幅度的N个数据样本Z1，Z2，…ZN，这些样本具有上述某种给定的概率分布和任意给定的功率谱，将这些随机样本序列在磁盘上保存下来。PC机上实现随机序列，具有幅度分布和频谱特性可选择的优点。(2)利用线性反馈移位寄存器（LFSR）产生随机的数字噪声。LFSR可以被视为一个线性移位寄存器组，并且每个寄存器的输入都是它前一个寄存器输出的一个线性函数。在FPGA中设计一个16 bit随机数字噪声模拟模块，此序列发生器的初始值为0XFFFF，数字噪声信号的周期为216-1=65 535。基于硬件实现的随机序列，具有循环周期长、随机性好、资源消耗少的优点。

　　在实时模拟时，基于雷达天线波束与杂波区域几何关系，用户可以根据情况选择使用哪种方法产生随机序列，通过硬件和软件系统直接模拟雷达的杂波回波信号。

　　1.3 干扰信号的模拟

　　雷达干扰信号的模拟能够模拟真实战场环境下的一些干扰信号，包括噪声干扰以及欺骗性干扰，从而可实现对雷达抗干扰性能的检测。噪声干扰包括多普勒噪声干扰、瞄准式噪声干扰、调频噪声干扰；欺骗干扰包括距离欺骗、速度欺骗、假目标等。

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