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1、北京理工大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的研究背景和意义在雷达系统的开发和研制过程中，对雷达系统性能的调试和测试是其中一个重要环节。如果雷达的整机调试和性能鉴定都采用外场试飞，即用真实目标的飞行来给雷达提供测试信号，那么将耗费大量的人力、物力和财力，使研制周期加长，特别是对于机载和航天雷达尤其如此。此外，外场实验无法重现特定的场景，不满足某些调试的要求。因此，利用现代仿真技术产生逼真的雷达回波模拟信号是非常必要的，它对雷达技术的发展也具有极其重要的意义。雷达信号模拟是数字模拟技术与雷达技术相结合的产物，模拟的对象是雷达目标和环境，模拟的手段是利用数字计算机和相关设备以及数字信号处理技术
2、，模拟的方法是“复现”蕴含雷达目标和目标环境信息的雷达回波信号。目前宽带信号形式有好多种选择：冲激信号、短脉冲信号、线性调频信号（LFM）、步进频率信号和随机噪声信号等。目前在国内相对比较成熟的是冲激信号、线性调频信号；在国外步进频率信号也得到了充分的发展和应用。随着噪声雷达技术的成熟，超宽带噪声雷达已经在国内引起人们的关注。伴随着微电子技术的飞速发展，数字技术在雷达中获得了广泛的应用，如波束形成、数字频率合成、中频采样、数字接收机、雷达模拟以及雷达信号处理等等。由于数字系统比模拟系统采用了软件编程，使得产品灵活性高、对环境适应性强、性能更稳定，因此数字系统比模拟系统具有更高的综合性能。现代雷
3、达的研制和生产中，在缩短新型号研制周期，加速旧型号改进，提高产品质量和可靠性以及维护性方面、通用化、系列化、模块化具有重要的意义，越来越受到人们的重视。随着IC的发展，特别是大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）的迅速发展，以及专用集成电路（ASIC）和数字信号处理器（DSP）的广泛使用，使得数字技术在现代雷达中的地位显著提高。本课题研究的是雷达数字信号的合成，主要包括线性调频信号和高斯白噪声信号。数字信号合成的方法主要有存储法和直接数字合成法：波形存储法是预先将波形幅度存储起来，然后按照一定的时钟频率将存储的波形通过DAC变化成相应的模拟信号输出。直接数字合成（Direct
4、Digital Synthesis,简称DDS）法则是从相位的概念出发，采用数字方法合成信号。目前在国外已经将直接数字频率合成作为频率合成的发展方向，成为研究热点。1.2 有关领域的研究状况和发展动态在基于DDS技术的线性调频信号数字合成的应用方面，国内外都进行了比较多的研究，主要有两种技术方案。 采用高性能DDS单片电路目前性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路（monolithic）。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。其中AD9954内置高速、高性能D/A转换器及超高速比较器，可用为数字
5、编程控制的频率合成器，能产生200MHz的模拟正弦波。通过AD9954的串行I/O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。 自行设计的基于FPGA芯片的解决方案DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模在、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现DDS技术。Xilinx是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。该公司目前公布了采用90nm设计工艺生产的最尖端FPGA芯片Virtex-4，它提供了无与伦比的性能和超低的功耗和成本。武汉华中科技大学以直接数字频率合成技术（DDS）为基础，以单片机为控制核心，采用高速高精度脉内测频
6、技术精确测量米波脉冲雷达的发射频率，该系统在国产某型雷达上已经成功使用，显著提高了该型雷达的技术、战术性能。1.3 本设计的主要任务学习了VHDL语言的编程规范，熟悉了Xilinx公司最新高性能设计开发工具ISE（Integrated Software Environment）及第三方设计工具ModelSim。学习了直接数字合成原理，针对北京理工大学雷达研究所研制开发的PMC_2DAC_400M数据播放板的特点，设计了“基于FPGA的高速信号模拟发生器”的实施方案，产生了连续线性调频信号和调频脉冲串，并可通过上位机进行参数预置和波形控制。在此基础上，研究了高斯白噪声信号的产生原理，实现了基于查
7、找表的高斯白噪声信号并叠加到信号中去。1.4 本文内容安排本论文介绍了线性调频高速信号模拟发生器的实现，论文共分五章：第1章， 介绍了课题的研究背景和意义，本设计的主要任务，以及论文的内容安排。第2章， 介绍了雷达回波信号模拟的原理，直接数字信号合成技术，线性调频信号和高斯白噪声信号的数字产生，以及FPGA的相关知识。第3章， 阐述了基于FPGA的线性调频高速信号模拟发生器的设计方案和具体实现。第4章， 介绍了上位机模块和操作流程。第5章， 为本设计的功能验证和结果分析。2 信号的数字产生技术概述2.1 雷达信号模拟概述2.1.1 雷达信号模拟的方法 有两种基本的雷达模拟的方法，一种没有利用信
8、号的相位，因为没有相位信息，所以只能模拟雷达的功能，称为功能模拟；另外一种利用了回波的相位信息，称为相干视频信号模拟。功能模拟是实现雷达信号模拟的最简单方法，这种方法的基础是雷达距离方程。功能模拟基本上是对各种信号成分（如目标、热噪声、杂波和电子干扰）平均功率的一种描述，没有利用信号的相位信息，所以只能模拟雷达的功能。这些信号成分的换算关系由雷达距离方程确定。相干视频信号模拟，就是要逼真地复现既包含振幅又包含相位的相干视频信号，复现这种信号的发射、在空中传播、经反射体反射以及在接收机内进行处理的全过程。相干视频信号利用了信号的相位，它包含了雷达环境的全部有关信息。只要所提供的基本目标和环境模型
9、足够好，就可以使相干视频信号模拟的精度很高。2.1.2 雷达模拟的目标和环境模型雷达信号模拟系统的基本内容包括两个方面，一是雷达目标特性的模拟。雷达目标特性包括目标的空间运动特性、回波时延特性、回波相对于发射信号的相移特性、回波幅度的起伏特性等等。二是雷达工作环境特性的模拟。雷达的工作环境复杂多变，它包括除雷达目标以外所有可能出现在雷达回波中的信号，可以按内部噪声、外部杂波和各种干扰将其分类。2.1.3 雷达视频回波信号介绍雷达回波信号需经中频信号的正交相位检波后变成I/Q两路视频回波信号才能被处理及处理。视频回波信号是复信号，I表示同相分量，Q表示正交分量。设发射频率为f，调频斜率为k，目标
10、距离为r，速度v，加速度a。视频回波可表示为： 式2-1其中，令；。根据不同的参数选择，上面的公式可表示为线形调频信号、频率步进信号、调频步进信号和脉冲多普勒信号等多种典型雷波视频回波信号。2.1.4 频率合成的方法信号频率合成的方法很多，但大致可分成两大类：直接合成法和间接合成法。间接合成法一般可用一个受控源（例如压控振荡器）、参考源和控制回路组成一个系统来实现。即用一个频率源，通过分频产生参考频率，然后用锁相环（控制回路），把压控振荡器的频率锁定在某一频率上，由压控振荡器间接产生出所需要的频率输出。一个基本的锁相环路由以下3个部件组成：压控振荡器（VCO）、鉴相器（PD）和环路滤波器（LF
11、）。锁相环频率合成器的优点在于其能提供频率稳定度很高的输出信号，能很好地抑制寄生分量，避免大量使用滤波器，因而有利于集成化和小型化。而频率合成器中的程序分频器的分频比可以使用微机进行控制，易于实现发射机频率的更换及其频率显示的程控和遥控，促进全固态调频发射机的数字化、集成化和微机控制化。接下来我们详细介绍一下直接数字频率合成的方法。2.2 直接数字频率合成技术2.2.1 直接数字合成原理DDS的原理框图如图2-1所示，它包含相位累加器，波形存储器，数模转换器，低通滤波器和参考时钟五部分。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码
12、，经过数模转换器得到相对应的阶梯波，最后经过低通滤波器得到连续变化的所需频率的波形。图2-1 直接数字合成（DDS） 原理框图为了说明DDS量化相位的工作原理，可将正弦波一个完整周期内相位02的变化用相位圆表示，其相位与幅度一一对应，即相位圆上的每一点均对应输出一个特定的幅度值，如图22所示。一个N位的相位累加器对应相位圆上个相位点，其最低相位分辨率为。在图中N=3,则共有种相位值与8种幅度值相对应。该幅度值存储于波形存储器中，在频率控制字K的作用下，相位累加器给出不同的相位码（用其高位作地址码）去对波形存储器寻址，完成相位幅度变换，经过数模转换器变成阶梯正弦波信号，再通过低通滤波器平滑，便得
13、到模拟正弦波输出。 图2-2 相位码与幅度码的对应关系2.2.2 输出信号频率设系统时钟频率是，相位累加器字长为N,因此相位累加器的相位分辨率为。频率控制字控制输出信号的频率，设频率控制字为W，在每个时钟周期，相位累加器对相位累加，累加增量为W，相位累加器的输出是一个相位序列，正弦查找表将相位累加器的相位序列转换为D位的正弦信号幅度并通过D/A变换及低通滤波输出，因此输出信号的频率满足 式2-22.2.3 输出信号频谱由于D/A的“采样与保持”效应，输出信号的频谱为包络与脉冲流经过付里叶变换的乘积。因此，DDS输出的理想频谱F(f)如图2-3所示的经包络调制的离散谱。图2-3DDS输出的理想频
14、谱2.3 线形调频信号的数字产生2.3.1 线性调频信号概述线性调频矩形脉冲信号的复数表达式可写为： 式2-3式2-3中T为脉冲宽度，K为线性调频斜率，信号的瞬时频率可以写为： 式2-4 线性调频信号的波形如图所示：图2-4线性调频信号波形2.3.2 线性调频信号数字产生直接数字线性调频合成（DDCS）原理源于DDS，与DDS相比，DDCS在相位累加器前面增加了一个频率累加器，同时输入一个频率控制字W和调频斜率控制字L，在每一个时钟周期，相位进行一次累加，而每个P个时钟周期，频率也进行一次累加，因此可以得到线性变化的频率。取N位相位累加器的高A位去寻址正弦查找表，将相位信息转换成正弦幅度信息，
15、然后通过D/A变换和低通滤波就可以得到线性调频信号。 图25 直接数字线性调频合成设DDCS的时钟为，线性调频信号的起始频率为，调频斜率为K，频率累加器和相位累加器字长都是N，起始频率以及调频斜率K与频率控制字W和调频斜率控制字L之间满足关系： 式 2-5,62.4 高斯白噪声信号的直接数字合成2.4.1 均匀随机数的产生反馈移位寄存器（Feedback Shift Register Methods）简称为FSR方法或FSR发生器，它最初是由Tausworthe在1965年提出的，其思想来源于通信理论中的位移寄存器法。计算公式为： 式2-7其中=0或1，=1。此递推公式产生了一个由0和1组成的序列。我们按下面的方式用构造一个整数序列： （i=1，2，） 式2-8 其中L是预先给定的正整数。令，我们就得到0，1上的序列，并将其作为0，1上相
