基于虚拟仪器技术的雷达信号模拟器设计

    摘要：为了解决采用DSP技术的雷达模拟器的硬件外围电路设计复杂、人机交互界面设计繁琐的问题，利用FPGA芯片控制能力强，设计灵活以及LabVIEW语言易于实现人机交互界面设计等优点，采用计算机结合NI公司的PCI－564OR数据收发中频卡，设计了雷达回波模拟器。利月Matlab仿真出线性调频、杂波、干扰等信号数据后，通过PCI总线把它们写入板卡的FPGA中，由FPGA控制时序，经 D／A 转换后将数据送出，从而实现雷达回波信号的模拟。实验结果表明，该模拟器具有良好的通用性和精确度，并且结构简单，使用灵活。该设计形式对于今后雷达信号模拟器模块化设计具有借鉴意义。

　　引言

　　现如今，为雷达检测提供回波模拟信号的雷达回波模拟器层出不穷，而绝大多数模拟器采用微型计计算机+数字信号处理器件（DSP）＋数模转换（D／A） 的方式。这种方法存在两个缺点，一是由于DSP的控制力不强，且其外围的电路设计比较复杂；二是这种设计在软件实现上是以C语言为主，而用C语言编辑人机交互界面，费时费力。然而倘若采用微型计算机＋可编程逻辑器件（FPGA）＋数模转换（DA），则可避免上述问题，因此通过计算机配合 NI公司的PCl－5640R数据收发中频卡产生雷达中频回渡信号，在这一设计中板卡所带的FPGA 芯片，具有很强的控制能力，设计较灵活；同时，该板卡可以用LabVIEW 编程实现功能，这种图形化语言易学易用，而且有丰富的图形件，易于实现人机交互界面设计，可以很好地解决上面两个难题。

　　1 系统设计

　　该模拟器主要曲计算机和PCI－564OR数据收发中频卡组成，其组成框图如图1所示。

图1 系统组戚框图

　　计算机负责通过LabVIEW等语言，对板卡的FPGA芯片编程，并通过驱动程序驱动PCl－5640R王作。

　　PCl－5640R数据收发中频卡主要由PCI总线接口、FPGA、数字上变频芯片AD9857、数字下变频芯片AD6*、存储器以及触发电路组成。FPGA型号为Xilinx Virtex-5 SX95T，有640个乘法器，它不需要通过Maxplus Ⅱ编程，而直接用LabVIEW编程再编译即可；AD9857有两路14 的高性能DAC，内部时钟达200 MHz，内置数字上变频器，单端输出， 阻抗50Ω；AD6*有两路l4位高性能ADC，内部时钟达100 MHz，内置数字下变频器，单端输人，阻抗50Ω。

　　中频卡在该系统中的主要作用是完成模拟中频信号的输出。它可以将主板计算出的视频回波数据通过高速D／A芯片转换为模拟的视频信号，也可以利用板卡上的FPGA将田波数据存储，再经AD9857将信号正交混频到中频后经D／A转换输出中频回波。其原理框图如图2所示。

图2 中频卡原理图[!--empirenews.page--]

　　2 功能实现

　　2．1 功能说明

　　PCI－564OR中频卡能够通过LabVIEW编程来实现其功能，而且支持其他语言程序的调用，如C，VC，LabWindows CVI 等，同时能结合 Matlab仿真技术计算出雷达回波信号及杂波等数据，将 Matlab 模拟产生的回波数据到PCI总线传输至FPGA中，FPGA对高速的数据流进行缓冲、分离，最后送入存储器存储，并按照数字上变频芯片的时序送出对应的数据，产生数字上变频芯片正常工作时所需的控制信号。最后数字上变频芯片AD9857将视频回波数据转换为中频回波数据进行模拟输出。

　　该模拟器把Matlab仿真好的回波信号先进行存储．然后不断地循环输出。在要求数据传输速率和存储空间大小的同时，要求该模拟器必须能够连续不断地提供回波数据，不能出现间断，工作要稳定可靠。

　　2.2 PCl－5640R程序设计

　　2.2.1 设计思想

　　总的程序分圭程序设计和FPGA程序设计两块，主程序负责将数据读取、转换，然后送入FPGA，FPGA程序负责在FPGA上设计存储器，存储数据，并将数括通过 D／A转换送出。将Matlab仿真的数据以文本艾件的形式存储，并通过LabVIEW中的路径控件将文件载入，读取数据，再通过LabVIEW编程将数据转换为适合送入PCl－5640R中频板中的FPGA模块，并经过上变频器AD9857输出的数据，进而送人FPGA中。由FPGA控制将数据送入AD9857，最终输出中频回波信号。软件设计分主程序设计和FPGA 程序设计，结构图分别如图3，图4所示。

图3 主程序结构图

图4 FPGA程序结构图

　　图4中的三个模块分别是三个定时循环，它们在执行时并无先后顺序，各自按预定的时序循环。[!--empirenews.page--]

　　2．2．2 程序设计

　　（1）主程序设计

　　主程序的设计思路是：首先启动 PCl－5640R板卡，然后调用仿真数据进行转换，再将数据送入FPGA程序中处理，并不间断地从FPGA读取数据，以监控是否有溢出，最后判断是否有错误，若有则中断程序，如无则继续监控是否有溢出和有无错误，程序如图5所示。

　　图5（a）是将仿真数据通过路径控件读入到主程序中，再转换为16位数，然后通过Host to FPGA． Write控件将数据送入FPGA程序中。图5（b）是先通过一个逻辑控件开始一个FPGA程序中的Case结构，该结构是用于数据读取，然后通过一个for循环监视Memory是否溢出和数据是否送出到AO0口，并判断是否停止，最后结束数据读取并使FPGA停止工作。

　　（2）FPGA程序设计

　　FPGA程序分为两块，一是在FPGA上设置A／D和D／A转换功能；二是在FPGA上加存储器，将数据通过FIFO存入存储器Memory ，再通过FIFO将数据送入设置好的AO0口，进而将数据送出。FPGA程序设计如图6所示。

 

图5 主程序设计

图6 FPGA程序设计[!--empirenews.page--]

　　图6（a）中的Nl5640R Config ADC和NI5640R Config DAC是用于在FPGA芯片上设置A／D和D／A转换功能的程序模块，这两个模块是PCl－5640R特有的，只需对其参数遴行配置即可。图6（b）中数据是通过FIFO送入Memory中，再通过计算Memory 的地址，寻址读取数据，再送到Transfer Processing这个FIFO中。图6（c）是将数据从这个FIFO中读取，再转换成 14位数送入AO0口。

　　2.3实验结果

　　实验以生成较具代表性的单载频矩形脉冲信号、线性调频信号并添加杂波信号来检验模拟器的信号生成功能。

　　（1 ）单载频矩形脉冲信号

　　单载频矩形脉冲信号是一种载频为fo，脉冲宽度为TP的脉冲调制正弦信号，可表示为：

　　式中：Tr为脉冲重复周期；rect （ t／Tp，）为信号的归一化复包络。

　　（2）线性调频信号

　　线性调频信号可表示为：

　　式中：fo为中心频率；Tp，为脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期；k＝S／Tp为调频斜率；B为线性调频信号的带宽。

　　（3）杂波信号

　　这里模拟的是瑞利杂波，其幅度概率分布为瑞利分布，功率谱为高斯谱。

　　将以上数据叠加，得到混合波形数据。将混合波形数据通过 LabVIEW程序送到PCl－5610R中频卡。输出的波形如图7所示。

图7 混合波形图

　　混合波周期为500 uS，载波频率为65MHz，依次由脉宽为0．3 us的单载频脉冲，脉宽为6 uS的线性调频信号和所占时宽300 us的瑞利杂波组戚。

　　3结语

　　实验结果表明，用计算机结合NI 公司的PCI－5 640 R中频卡，配合Matlab仿真软件，能够根据需要产生较逼真的雷达模拟回波。该模拟器具有灵活性和稳定性的特点，可以根据需要产生信号、嗓声、杂波和干扰等；同时，由于板卡能够通过LabVIEW语言对卡内的FPGA编程来实现其功能，在修改参数重新对FPGA进行配置时，只需完成对应的软件编译，节省了芯片再配置的时间，而且LabVIEW丰富的图形控件为人机交互界面的设计与扩展节省了时间。本文旨在探萦模拟雷达回波信号的新途径，在信号的实时性方面尚未实现，由于FPGA可以以完全并行的方式进行运算，能够在一个时钟周期内完成大量计算；可以满足多目标模拟对高速运算的要求，所以在实现实时性上并不困难。