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一种雷达多目标模拟器的主控DSP的软件设计和实现

时间:2015-07-27 20:33 来源:网络 作者:网络 阅读:

1 引 言

  随着军事技术和信息技术的飞速发展,对雷达的性能提出了越来越高的要求。同时,缩短雷达系统设计、调试、联调和外场实验周期显得极为重要。而现代雷达系统面临的严重挑战是雷达工作环境的恶劣,要求在强杂波中检测目标和提取目标参数。因此,在雷达设计和分析中必然需要考虑大量非线性因素和随机因素, 而由于环境、配套服务、成本等诸多因素的影响,在现代雷达系统的设计、试验、训练过程中, 不可能总是采用真实目标。在这种情况下,雷达信号模拟得到了普遍重视。ADSP-2106x SHARC(Super Harvard Architecture Computer,超级哈佛结构计算机)是美国Analog Device公司生产的高性能的32位通用数字信号处理器(DSP)[1]。它具有很强的数据处理能力和与外部进行数据交换的能力,适于高速实时运算,广泛应用于通用数字信号处理、通信、雷达和声纳、图像处理、医学电子、高速控制等领域。

  本文对一种基于ADSP-2106x SHARC的雷达多目标视频回波信号模拟器的方案作了简要介绍,该模拟器结合某型雷达的调试、性能评估等要求,采用PC上位机加基于DSP的目标模拟板等系统组合的方法实现。目标模拟板根据通过串口传来的由PC界面设置的目标信息和雷达参数等数据进行实时运算和调度,依次实时地产生相应的多目标雷达视频信号。其中主控DSP是整个系统的核心,其软件设计的思想和实现是本文介绍的重点。

2 多目标模拟器的系统构成

  图1所示为雷达多目标模拟器的结构框图。



  该系统主要由上位机和目标模拟器处理板两部分组成,PC机负责产生雷达参数、目标信息和航迹数据,可根据不同工作状态和不同运动形式进行仿真运算,将运算得到的目标航迹和状态数据以文件的形式存储起来,供实际模拟时调用。该雷达模拟器系统能模拟径向运动、切向运动、曲线运动目标,不同运动方式可通过PC界面设置进行选择,系统自动调用相应的信息数据。PC机与目标模拟板进行串口通信,天线每次扫描经过正北时目标模拟板向PC机发送数据传送请求一次,PC机接到数据传送请求后,通过RS-232接口或RS-485接口向模拟板发送下一次天线扫描周期的目标批数和信号波形码以及各批目标的方位、距离、信噪比、多普勒频率等参数。

  目标模拟板主要由串并转换、噪声产生、数据运算调度、时序控制和地址产生、DA转换及其外围电路等五个部分组成:串并转换模块接收串口来的数据转换成并行数据写入乒乓双口RAM,并向噪声产生模块发送三位噪声模式码;噪声杂波数据生成模块由专用芯片(FPGA)实现,其接受上位机传来的噪声码从而可生成均匀分布、高斯分布、指数分布、瑞利分布四种随机数之一;时序控制和地址产生模块由EPLD来实现,其接收来自雷达信号处理机的正北脉冲和PRT同步信号,自行产生12位天线方位增量码、各模块所需的控制信号和输出地址;ADSP2106x是模拟板的核心,其读取乒乓双口RAM中的目标航迹和状态信息、FPGA中的噪声、来自EPLD的方位码,并通过运算、处理和调度实时完成雷达波形的产生、多普勒信息的调制、噪声杂波的叠加,并根据目标的距离延时依次将I、Q两路回波和噪声数据分别写入两个乒乓双口RAM,DSP通过其外部总线地址空间的合理分配实现与RAM、FPGA和其它外设的无缝连接(DSP外总线地址空间分配如图2所示); 最后在正确的时序控制下经高速DA转换、滤波、放大后形成I、Q两路正交视频模拟输出。


3 模拟器主控系统软件设计思想

3.1 雷达信号波形的形成

  采用数字方法直接产生脉冲压缩中频信号的基本原理和实现方法主要有两种:一种是基于相位累加器的频率合成技术,是将输出信号的频率以频率控制字的形式在每一个时钟周期与相位累加器累加一次,得到相应的相位值,用相位累加器输出的相位值对只读存储器寻址,得到相应的数字化幅度,经数模转换器后得到调频模拟信号;另一种是基于存储器直读法的波形合成技术,是把理想的信号波形进行采样、量化而后在ROM中存储起来,系统工作时,按一定的时序要求读出ROM中的数据,经D/A转换为调频模拟信号[4]。按模拟要求,本系统应能提供四种雷达信号波形:线性调频信号两种(频率递增和递减);非线性调频信号两种(频率递增和递减)。考虑到ADSP-2106x具有大容量内存的优势,及前一种方法不易产生非线性调频波形等因素,拟采用后一种方法。具体实现是:有效利用DSP芯片内部存储器资源,形成正、余弦ROM,预存调频波的幅度量化值,在系统时钟控制下,对只读存储器进行寻址来实现。

3.2 多普勒频率的计算及回波信号幅度的确定

  该模拟器可对目标附加多普勒频率信息,多普勒频率的范围为0到1500Hz之间。因此,可以同样利用DSP内部存储器资源,预存1.5kHz的余弦表,通过由上位机传过来的多普勒频率值对余弦表进行寻址,得到多普勒信息的幅度量化值(COS(θ)和SIN(θ));然后将多普勒信息的幅度量化值与同样存储在DSP内部存储器中的线性、非线性调频波量化值(COS(θ)和SIN(α))进行乘加运算,得到COS(α+θ)和SIN(α+θ)(其中?琢是调频相位,θ是多普勒相位),由此完成附加多普勒信息的数字回波的产生。模拟器产生的回波信号应能在天线波束角内受天线方向图的调制,具体实现是:模拟天线的圆周扫描,接收由雷达信号处理机提供的周期为定值的正北脉冲,并自行产生12位天线方位码(即方位码每增加1,相当于天线扫过360/4096度),由此天线指向信息结合该雷达天线的波束形状形成回波信号的幅度加权值,最后与调制了多普勒信息的波形值相乘即可。加权值也可由matlab仿真得到不同方位上的值预存于ROM中,工作时由天线方位码实时寻址得到,以此提高DSP的运算效率。

3.3 多目标模拟的方法及噪声、杂波的形成

  按要求,模拟器应能模拟多批目标,目标批数在1~128 批之间,这就要求在同一天线波束内能同时模拟多批目标,每个目标具有不同的多普勒频率和距离。模拟方法是:先计算得到各个目标的回波数据,然后在距离上将多个目标叠加,合成一个等效的单点目标输出。以两目标的合成为例,如图3所示,有重叠和不重叠两种情况,首先需要确定两目标回波的起始共四个位置,由其决定是否有重叠,有重叠时将重叠区内的I、Q两路数据相加,其它数据不变;无重叠时,原数据不变,而在无回波位置补0值以备与噪声进行相加。[5]


噪声和杂波的产生由噪声发生器来完成,它由专用芯片实现,此发生器可生成均匀分布、高斯分布、指数分布、瑞利分布四种定点和浮点格式的随机数,噪声模式的选择由PC界面的选项设置来完成,噪声和杂波可由DSP的一个外部地址读入,并进行一定比例的压缩后与回波数字值相加。从而完成整个目标和环境的模拟。

4 雷达多目标模拟器的软件设计和实现

ADSP2106x 完成实时运算、数据调度,是整个模拟器的核心和瓶颈,其软件编程的质量直接影响到系统的性能。

4.1 DSP的主程序流程

  DSP的主程序流程为:ADSP2106x上电复位后,首先进行初始化,设置相应寄存器使可编程I/O管脚FLAG0-2为输入,接收来自雷达信号处理机的正北标志和主脉冲标志,FLAG3为输出,作为指示灯的控制信号,并且设置各BANK块的大小均为16K;然后执行一段自检程序后点亮指示灯;程序正常运行后首先将I、Q两路乒乓双口RAM清0,而后系统进入循环等待状态,反复检测FLAG2管脚的输入电平,当DSP检测到有正北标志来到时,通过外总线将双口RAM中的目标航迹和状态数据读入内存,其中包括本次模拟的雷达参数和天线这一圈扫描发现的目标信息;其后循环检测FLAG0,当检测到有主脉冲标志到来时,进行回波数据的实时调度输出,循环检测FLAG0的次数取决于天线转速和主脉冲周期;这一循环结束后再等待下一正北标志的到来,进行下一圈的模拟。DSP主程序流程如图4所示。


4.2 目标回波数据生成模块软件实现

  图5所示为目标回波数据生成模块的软件流程图,其工作过程为:①当DSP检测到M0标志到来时,首先打开主脉冲定时器,读取当前的天线码,并转化成角度信息;②判断并读取处于当前天线波束内的目标批数和目标信息,根据各个目标的距离计算其双程延时并转化成其在输出序列中的位置码,计算各批目标的幅度加权值,读取其多普勒频率;③读取I、Q两路需要的两组噪声数据;④由波形码寻址波形数据查找表产生每点波形数据,由各批目标的多普勒频率寻址多普勒信息查找表得到其多普勒数据,并将二者进行乘加运算,完成回波数据的生成,同时,将当前波束内的多点目标等效合成为一个目标;⑤将噪声与目标回波数据相加,将相加后的浮点数转化为DA要求的偏置码,最后,将此帧数据写入I、Q两路乒乓双口RAM;⑥关闭主脉冲计时器,等待响应下一M0中断。

5  结束语

  本文对基于SHARC的雷达多目标模拟器的总体方案和具体实现进行了简要阐述。重点介绍了该模拟器主控DSP的软件设计和实现,此系统已通过了软件模拟和硬件调试,DSP计算一个主脉冲周期内最多包含六个目标回波数据所需的时间不超过3ms,完全可以满足该雷达的实时性要求。并初步实现了与雷达信号处理机的联调,实验证明此系统方案是可行的,DSP软件工作稳定、可靠。设计中引入系统模拟的思想和模块化设计的方法,整个系统实现了小型化、低成本、结构简单、设计灵活,只需做较少的改动即可满足通用性的要求。

 

(责任编辑:admin)

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