| 以文本方式查看主題 - 曙海教育集團論壇 (http://m.adgdgn.cn/bbs/index.asp) -- DSP系統和硬件開發討論區 (http://m.adgdgn.cn/bbs/list.asp?boardid=5) ---- 一種雷達多目標模擬器的主控DSP的軟件設計和實現 (http://m.adgdgn.cn/bbs/dispbbs.asp?boardid=5&id=1314) |
| -- 作者：wangxinxin -- 發布時間：2010-11-13 12:22:26 -- 一種雷達多目標模擬器的主控DSP的軟件設計和實現 要 闡述了雷達多目標模擬器的設計，給出了一種可實時模擬多批目標回波的雷達信號模擬器的實現方案，重點介紹了該模擬器主控DSP軟件設計思想及其實現，對整個系統工作性能做了簡要分析。 關鍵詞 DSP，SHARC，雷達信號模擬 Design and Implementation of Software for the DSP of A Radar Multi-Target Simulator Li Weijiang Chen He Han Yueqiu (Department of Electronic Engineering,School of Information Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081) Abstract The paper briefly presented the design of A Radar Multi-Target Simulator. At the same time, the design and realization of the radar signal simulator which can simulate multiple targets are introduced in detail. In this paper, the DSP software scheme and it’s realization of the radar signal simulator are presented mainly . It also made a simple analysis to the system’s performance. Keywords DSP, SHARC, Radar Multi -Target Simulator 1 引 言 隨著軍事技術和信息技術的飛速發展，對雷達的性能提出了越來越高的要求。同時，縮短雷達系統設計、調試、聯調和外場實驗周期顯得極為重要。而現代雷達系統面臨的嚴重挑戰是雷達工作環境的惡劣，要求在強雜波中檢測目標和提取目標參數。因此，在雷達設計和分析中必然需要考慮大量非線性因素和隨機因素, 而由于環境、配套服務、成本等諸多因素的影響,在現代雷達系統的設計、試驗、訓練過程中, 不可能總是采用真實目標。在這種情況下，雷達信號模擬得到了普遍重視。ADSP-2106x SHARC(Super Harvard Architecture Computer，超級哈佛結構計算機)是美國Analog Device公司生產的高性能的32位通用數字信號處理器（DSP）［１］。它具有很強的數據處理能力和與外部進行數據交換的能力，適于高速實時運算，廣泛應用于通用數字信號處理、通信、雷達和聲納、圖像處理、醫學電子、高速控制等領域。 本文對一種基于ADSP-2106x SHARC的雷達多目標視頻回波信號模擬器的方案作了簡要介紹，該模擬器結合某型雷達的調試、性能評估等要求，采用PC上位機加基于DSP的目標模擬板等系統組合的方法實現。目標模擬板根據通過串口傳來的由PC界面設置的目標信息和雷達參數等數據進行實時運算和調度，依次實時地產生相應的多目標雷達視頻信號。其中主控DSP是整個系統的核心，其軟件設計的思想和實現是本文介紹的重點。 2 多目標模擬器的系統構成 圖1所示為雷達多目標模擬器的結構框圖。 該系統主要由上位機和目標模擬器處理板兩部分組成，PC機負責產生雷達參數、目標信息和航跡數據，可根據不同工作狀態和不同運動形式進行仿真運算，將運算得到的目標航跡和狀態數據以文件的形式存儲起來，供實際模擬時調用。該雷達模擬器系統能模擬徑向運動、切向運動、曲線運動目標，不同運動方式可通過PC界面設置進行選擇，系統自動調用相應的信息數據。PC機與目標模擬板進行串口通信，天線每次掃描經過正北時目標模擬板向PC機發送數據傳送請求一次，PC機接到數據傳送請求后，通過RS-232接口或RS-485接口向模擬板發送下一次天線掃描周期的目標批數和信號波形碼以及各批目標的方位、距離、信噪比、多普勒頻率等參數。 目標模擬板主要由串并轉換、噪聲產生、數據運算調度、時序控制和地址產生、DA轉換及其外圍電路等五個部分組成：串并轉換模塊接收串口來的數據轉換成并行數據寫入乒乓雙口RAM，并向噪聲產生模塊發送三位噪聲模式碼；噪聲雜波數據生成模塊由專用芯片（FPGA）實現，其接受上位機傳來的噪聲碼從而可生成均勻分布、高斯分布、指數分布、瑞利分布四種隨機數之一；時序控制和地址產生模塊由EPLD來實現，其接收來自雷達信號處理機的正北脈沖和PRT同步信號，自行產生12位天線方位增量碼、各模塊所需的控制信號和輸出地址；ADSP2106x是模擬板的核心，其讀取乒乓雙口RAM中的目標航跡和狀態信息、FPGA中的噪聲、來自EPLD的方位碼，并通過運算、處理和調度實時完成雷達波形的產生、多普勒信息的調制、噪聲雜波的疊加，并根據目標的距離延時依次將I、Q兩路回波和噪聲數據分別寫入兩個乒乓雙口RAM，DSP通過其外部總線地址空間的合理分配實現與RAM、FPGA和其它外設的無縫連接（DSP外總線地址空間分配如圖2所示）； 最后在正確的時序控制下經高速DA轉換、濾波、放大后形成I、Q兩路正交視頻模擬輸出。 3 模擬器主控系統軟件設計思想 3.1 雷達信號波形的形成 采用數字方法直接產生脈沖壓縮中頻信號的基本原理和實現方法主要有兩種：一種是基于相位累加器的頻率合成技術，是將輸出信號的頻率以頻率控制字的形式在每一個時鐘周期與相位累加器累加一次，得到相應的相位值，用相位累加器輸出的相位值對只讀存儲器尋址，得到相應的數字化幅度，經數模轉換器后得到調頻模擬信號；另一種是基于存儲器直讀法的波形合成技術，是把理想的信號波形進行采樣、量化而后在ROM中存儲起來，系統工作時，按一定的時序要求讀出ROM中的數據，經D/A轉換為調頻模擬信號［４］。按模擬要求，本系統應能提供四種雷達信號波形：線性調頻信號兩種（頻率遞增和遞減）；非線性調頻信號兩種（頻率遞增和遞減）。考慮到ADSP-2106x具有大容量內存的優勢，及前一種方法不易產生非線性調頻波形等因素，擬采用后一種方法。具體實現是：有效利用DSP芯片內部存儲器資源，形成正、余弦ROM，預存調頻波的幅度量化值，在系統時鐘控制下，對只讀存儲器進行尋址來實現。 3.2 多普勒頻率的計算及回波信號幅度的確定 該模擬器可對目標附加多普勒頻率信息，多普勒頻率的范圍為0到1500Hz之間。因此，可以同樣利用DSP內部存儲器資源，預存1.5kHz的余弦表，通過由上位機傳過來的多普勒頻率值對余弦表進行尋址，得到多普勒信息的幅度量化值(COS(θ)和SIN(θ))；然后將多普勒信息的幅度量化值與同樣存儲在DSP內部存儲器中的線性、非線性調頻波量化值(COS(θ)和SIN(α))進行乘加運算，得到COS(α＋θ)和SIN(α＋θ)(其中?琢是調頻相位，θ是多普勒相位)，由此完成附加多普勒信息的數字回波的產生。模擬器產生的回波信號應能在天線波束角內受天線方向圖的調制，具體實現是：模擬天線的圓周掃描，接收由雷達信號處理機提供的周期為定值的正北脈沖，并自行產生12位天線方位碼（即方位碼每增加1，相當于天線掃過360/4096度），由此天線指向信息結合該雷達天線的波束形狀形成回波信號的幅度加權值，最后與調制了多普勒信息的波形值相乘即可。加權值也可由matlab仿真得到不同方位上的值預存于ROM中，工作時由天線方位碼實時尋址得到，以此提高DSP的運算效率。 3.3 多目標模擬的方法及噪聲、雜波的形成 按要求，模擬器應能模擬多批目標，目標批數在1~128 批之間，這就要求在同一天線波束內能同時模擬多批目標，每個目標具有不同的多普勒頻率和距離。模擬方法是：先計算得到各個目標的回波數據，然后在距離上將多個目標疊加，合成一個等效的單點目標輸出。以兩目標的合成為例，如圖3所示，有重疊和不重疊兩種情況，首先需要確定兩目標回波的起始共四個位置，由其決定是否有重疊，有重疊時將重疊區內的I、Q兩路數據相加，其它數據不變；無重疊時，原數據不變，而在無回波位置補0值以備與噪聲進行相加。［５］ 噪聲和雜波的產生由噪聲發生器來完成，它由專用芯片實現，此發生器可生成均勻分布、高斯分布、指數分布、瑞利分布四種定點和浮點格式的隨機數，噪聲模式的選擇由PC界面的選項設置來完成，噪聲和雜波可由DSP的一個外部地址讀入，并進行一定比例的壓縮后與回波數字值相加。從而完成整個目標和環境的模擬。 4 雷達多目標模擬器的軟件設計和實現 ADSP2106x 完成實時運算、數據調度，是整個模擬器的核心和瓶頸，其軟件編程的質量直接影響到系統的性能。 4.1 DSP的主程序流程 DSP的主程序流程為：ADSP2106x上電復位后，首先進行初始化，設置相應寄存器使可編程I/O管腳FLAG0-2為輸入，接收來自雷達信號處理機的正北標志和主脈沖標志，FLAG3為輸出，作為指示燈的控制信號，并且設置各BANK塊的大小均為16K；然后執行一段自檢程序后點亮指示燈；程序正常運行后首先將I、Q兩路乒乓雙口RAM清0，而后系統進入循環等待狀態，反復檢測FLAG2管腳的輸入電平，當DSP檢測到有正北標志來到時，通過外總線將雙口RAM中的目標航跡和狀態數據讀入內存，其中包括本次模擬的雷達參數和天線這一圈掃描發現的目標信息；其后循環檢測FLAG0，當檢測到有主脈沖標志到來時，進行回波數據的實時調度輸出，循環檢測FLAG0的次數取決于天線轉速和主脈沖周期；這一循環結束后再等待下一正北標志的到來，進行下一圈的模擬。DSP主程序流程如圖4所示。 4.2 目標回波數據生成模塊軟件實現 圖5所示為目標回波數據生成模塊的軟件流程圖，其工作過程為：①當DSP檢測到M0標志到來時，首先打開主脈沖定時器，讀取當前的天線碼，并轉化成角度信息；②判斷并讀取處于當前天線波束內的目標批數和目標信息，根據各個目標的距離計算其雙程延時并轉化成其在輸出序列中的位置碼，計算各批目標的幅度加權值，讀取其多普勒頻率；③讀取I、Q兩路需要的兩組噪聲數據；④由波形碼尋址波形數據查找表產生每點波形數據，由各批目標的多普勒頻率尋址多普勒信息查找表得到其多普勒數據，并將二者進行乘加運算，完成回波數據的生成，同時，將當前波束內的多點目標等效合成為一個目標；⑤將噪聲與目標回波數據相加，將相加后的浮點數轉化為DA要求的偏置碼，最后，將此幀數據寫入I、Q兩路乒乓雙口RAM；⑥關閉主脈沖計時器，等待響應下一M0中斷。 5 結束語 本文對基于SHARC的雷達多目標模擬器的總體方案和具體實現進行了簡要闡述。重點介紹了該模擬器主控DSP的軟件設計和實現，此系統已通過了軟件模擬和硬件調試，DSP計算一個主脈沖周期內最多包含六個目標回波數據所需的時間不超過3ms，完全可以滿足該雷達的實時性要求。并初步實現了與雷達信號處理機的聯調，實驗證明此系統方案是可行的，DSP軟件工作穩定、可靠。設計中引入系統模擬的思想和模塊化設計的方法，整個系統實現了小型化、低成本、結構簡單、設計靈活，只需做較少的改動即可滿足通用性的要求。 |