第２期 ２０１０年４月 雷达科学与技术 Ｒａｄａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏＩｏｇＹ Ｖ０Ｌ ８ ＮＯ．２ Ａｐｒｉｌ ２０１０
一种宽带雷达回波信号模拟器设计
刘夷，宿绍莹，陈曾平
（罔防科技大学ＡＴＲ国家重点实验室，湖南长沙４１００７３）
摘 要：雷达回波信号模拟是雷达系统研制的重要组成部分，通过分析对比三种信号模拟方法各自的 特点，根据实际工程背景选择了一种最适合的宽带雷达回波信号模拟器设计方法。该设计方法基于ＦＰＧＡ ＋ＡＤ９９５７结构．文中首先以固定点目标为例分析了ＩＳＡＲ信号目标回波的特点，然后根据相应的回波信号 特点介绍了模拟器的设计思路及模块构成并阐述了基于ＡＤ９９５７的宽带信号生成方式。经实验证明，该回 波信号模拟器具有输出带宽大和产生复杂信号的能力，满足工程技术指标要求。 关键词：信号模拟器；宽带雷达回波；ＡＤ９９５７芯片；正交数字上变频
中图分类号： ＦＮ９５８ 文献标识码：Ａ 文章编号：ｌ６７２ ２３３７（２０１０）０２—０１２５—０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｒａｄａｒ Ｅｃｈｏ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ
Ｉ ＩＵ Ｙｉ，ＳＵ Ｓｈａｏ ｙｉｎｇ．ＣＨＥＮ Ｚｅｎｇ ｐｉｎｇ （ＡＴＲ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｋｅｙ Ｌａｂ，Ｎａｔｉｏｎａｆ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＤｅＪｅｌｉｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３．Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｄａｒ ｅｃｈｏ ｓｉｇｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｓｉｇｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｒａｄａｒ ｅｃｈｏ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｂｅｓｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ａｎｄ ＡＤ９９５７．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙ— ｚｅｓ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｂａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＩＳＡＲ（Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）ｅｃｈｏ ｏｆ ｆｉｘｅｄ—ｐｏｉｎｔ ｔａｒｇｅｔ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ａｆｔｅｒ ｔｈａｔ，ｉｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｈｏｗ ｔＯ ｇｅｎｅｒａｔｅ ｗｉｄｅｂａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｕｓｉｎｇ ＡＤ９９５７．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ｗｉｄｅｂａｎｄ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ；ＡＤ９９５７；ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｕｐｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
１ 引言
雷达系统的研制过程中，通过模拟雷达回波 信号来评估雷达信号处理设备的性能是一个很好
的方法，它既可以节省研制时问、节约研制经费， 同时也对雷达系统的调试、设计、改进和定期检查
有着很重要的意义。近年来，雷达信号模拟作为 雷达领域的一个分支得到＿ｒ迅猛发展。由于宽带
信号可以得到高的距离分辨率，所以宽带信号模
拟也是近些年信号模拟的一个热点 一。宽带雷达 信号的模拟主要有以下三种方式：（１）采用专用
ＤＤＳ芯片；（２）采用ＦＩ ＧＡ＋双高速ＤＡ结构；（３）
采用ＦＰＧＡ＋专用正交数字上变频（ＱＤＵＣ）芯片。 第一种方式，即采用专用ＤＤＳ芯片的方式，具有产
收稿日期：２００９ ０８ ２８；修［ｎ１日期：２００９ ｌ０ １４ 生信号带宽大、易于编程等特点，ＡＤ公司最新的
ＤＤＳ芯片最大可产生４００ ＭＨｚ带宽的基带信号，但
是由于它的信号形式是固化在ＤＤＳ芯片内部的，所 以只能产生正弦波、三角波等几种简单的波形，不
能满足雷达回波信号复杂的要求；第二种方式，即 采用ＦＰＧＡ＋双高速ＤＡ结构的方式，同样具有产
生信号带宽大的特点，由于这种方式采用ＦＰＧＡ 产生基带信号，因此可以产生复杂的信号形式，但
是这种方式在双ＤＡ后还要加模拟调制器和混频 器，这部分电路都是工作在模拟部分，在Ｉ／Ｑ相位
对齐和噪声抑制方面都有一定困难；第三种方式，
即采用ＦＰＧＡ＋专用正交数字上变频芯片的方式， 带宽相对前两种方式而言较窄，但是这种方式既
可以产生复杂的回波信号，同时信号的调制以及
初级混频均在数字域完成，避免了模拟器件给信 １２６ 雷达科学与技术 第８卷第２期
号带来的非线性失真的影响。在信号带宽满足系
统要求的情况下，第三种方式无论在信号产生方
面还是工程实现方面都有一定的优势。 根据工程要求，雷达信号模拟器需要产生最大
带宽为２００ ＭＨｚ的雷达回波信号。因此本文采用 ＦＰＧＡ＋ＱＤＵＣ（ＡＤ９９５７）芯片的结构，首先ＦＰＧＡ 根据主机指令生成基带信号再由ＡＤ公司的高性
能正交数字上变频芯片ＡＤ９９５７将基带信号调制
到中频，输出后再通过ＡＤ８３４３进行混频。整个信 号产生过程除混频外都是在数字域实现的。模拟
器最大输出带宽为２００ＭＨｚ，满足工程要求。
２宽带雷达目标回波信号
宽带信号一般应用于高分辨成像雷达中，如
ＳＡＲ雷达和ＩＳＡＲ雷达。高分辨成像雷达发射信号
分为宽带和窄带两种，宽带信号用于对目标的结构 进行分析和成像，而窄带发射信号用于对目标进行
搜索跟踪，确定目标的斜距和轨迹等，对应的回波有 宽带回波和窄带回波两种。通常的做法是雷达将
宽带回波信号进行Ｓｔｒｅｔｃｈ处理将其压缩为窄带
信号之后传给雷达信号处理设备，而窄带回波信 号则是直接传给雷达信号处理设备。随着高速采
集技术的发展，现代高分辨雷达还采用了将宽带
回波信号直接传给雷达信号处理设备的方式，由 信号处理设备对其进行采集、存储，以便于在后续
处理中得到更高质量的成像，这样就可以避免由
于采用模拟器件对雷达信号进行Ｓｔｒｅｔｃｈ处理对 成像所带来的各种非线性的影响 ］。这就意味着
雷达回波模拟器作为雷达信号处理系统的检验设 备就除了需要产生常规的宽带Ｓｔｒｅｔｃｈ信号和窄
带回波信号外还要产生宽带雷达回波信号。 设雷达发射信号的形式ｌ＿３ 如下：
ｓ（￡）一ｒｅｃｔ（睾）ｅｘｐＥｊ２ ７ｒ（ｆ ｔ＋而Ｄ ｔ ）］（１）
式中，Ｔ为脉宽；ｆ。为载频；Ｂ为宽带线性调频信
号带宽（窄带信号的带宽为６）；ｒｅｃｔ（ｔ／Ｔ）为线性 调频信号的脉冲包络。对于距离雷达Ｒ的点目标，
设其静止不动，则相应的宽带回波信号Ｓ （ ）和窄
带回波信号Ｓ （ ）分别为
ｓ ｒｅｃｔ（ ）・
ｅｘｐ｛ｊ２７ｃ［ （ｆ一鲨）＋ Ｂ（ｆ一 ）ｚ］）（２） Ｓｒ２（￡）一ｒｅｃｔ（ ）．
ｅｘｐ｛ｊ２７【［－ｆｃ（ 一鲨）＋ ｂ（￡一鲨） ］｝（３）
而宽带Ｓｔｒｅｔｃｈ信号ｓ，。（￡）则是由宽带回波信号
Ｓ （￡）和一延时固定，而带宽、脉宽与发射信号相 同的线性调频信号作差频处理所得的信号。设参
考距离为Ｒ ，则参考信号为
（￡）一 ｔ（ ）．
ｅｘｐ｛ｊ２兀Ｅｆｔ（ 一 ）＋ （ 一 ）
根据Ｓｔｒｅｔｃｈ原理，若Ｒ 一Ｒ—Ｒ ｒｅ｛，其差频输出为
ｓｒ３（ｆ）：ｓ，ｌ（￡）ｓ （￡） （５）
即 跏（￡）一ｒｅｃｔ（ ）ｅｘｐ［一ｊ （￡一型 ）｜Ｒ ］．
ｅｘｐ［一ｊ 。风＋ｊ ４ｒ ｒＢＲ ２ａ ｑ （６）
在实际中雷达目标一般都是运动的，则其对应
的回波信号还应包含运动目标的多普勒分量。此外
由于雷达带宽大，距离分辨率高，所以接收到的宽带
目标回波也不再是“点”目标回波，而是沿距离分开
的距离像，这就使模拟回波信号的复杂性大大增 加 ］。该模拟器的目标建模部分是由计算机来完
成的，ＦＰＧＡ根据计算结果生成基带数据，再由固定
载频调制到所需要的频带上去。
３系统设计与实现
本文所设计的宽带雷达回波模拟器结构如图１
所示。该模拟器采用了标准ＣＰＣＩ总线接口接收来 自ＰＣ的控制命令字和回波模拟数据，之后用ＦＰＧＡ 产生相应的Ｉ／Ｑ基带信号，然后通过ＡＤ９９５７完成
数字信号调制和数模转换，最后采用ＡＤ８３４３进行
混频输出。
图１ 宽带雷达回波信号模拟器结构图
３．１ ＦＰＧＡ内部模块设计
ＦＰＧＡ模块主要包括接口单元、参数控制单 ２０１０年第２期 刘夷：一种宽带雷达回波信号模拟器设计 ｌ２７
元、噪声产生单元和波形产生单元。其具体结 构如图２所示。
－＿
ＡＤ９９５７
—一．－．
图２ ＦＰＧＡ模块结构
①接口模块：接收主机发过来的数据并解析
由ＣＰＣＩ桥片发过来的信息参数命令；②参数控 制单元：根据解析的命令产生相应的控制参数；
③波形产生单元：根据控制参数产生相应的波形， 如连续波、脉冲波等；④噪声产生单元：根据控制
参数产生所需要的噪声信号；⑤ＳＰＩ控制模块：配
置ＡＤ９９５７的各种寄存器参数。 ３．２ ＡＤ９９５７的接口设计
（１）串行控制接口 ＡＤ９９５７采用兼容性同步串行通信接口，可以 方便地与多种微处理器进行连接。在本设计方案
中，通过在ＦＰＧＡ内部编写串行通信接口控制逻 辑来实现对ＡＤ９９５７的配置。ＡＤ９９５７的串行通
信接口由片选信号ＣＳ，时钟信号ＣＩ Ｋ和串口输入 输出数据引脚ＳＤＩＯ组成。 （２）并行数据接口 ＡＤ９９５７具有一个ｌ８位的并行数据接口。 ＦＰＧＡ通过该接口将１８位的Ｉ／Ｑ基带数据交替
输入ＡＤ９９５７内部。基带数据的数字基准时钟由 ＡＤ９９５７提供，最高支持２５０ ＭＨｚ的并行数据时钟
输出，同时它也是并行数据口的采样时钟。例如并 行数据时钟输出频率为２００ ＭＨｚ，采用上升沿采Ｉ 路数据、下降沿采Ｑ路数据的方式，则Ｉ／Ｑ数据率
可达２００ＭＨｚ。Ｉ／Ｑ数据的仿真波形如图３所示。
图３ Ｉ／Ｑ数据仿真波形
４ 基于ＡＤ９９５７的宽带数据生成
ＡＤ９９５７是ＡＮＡ１ ＯＧ公司推出的第三代正 交数字上变频芯片。它将高速ＤＤＳ核、高性能１４ 位ＤＡＣ、时钟倍频电路、数字滤波器和其他的数字
信号处理功能集成到一个芯片上，可以为信号系 统中的基带数据提供出色的上变频功能。它的特 点主要有： （１）支持高达１ ＧＨｚ的系统内部时钟和
４００ＭＨｚ的模拟输出； （２）基带Ｉ、Ｑ数据通路为１８位，传输速率最
高支持２５０ＭＨｚ； （３）集成１ ＧＳ／ｓ的１４位ＤＡ转换器和１４位 输出幅度控制寄存器； （４）集成３２位频率分辨率和１４位幅度分辨
率的正交ＤＤＳ核； （５）可编程插值速率寄存器。 ＡＤ９９５７有三种工作方式：单频模式、内插 ＤＡＣ模式和正交调制模式。单点频模式是指通过
内部集成的ＤＤＳ核直接生成单点频信号；内插 ＤＡＣ模式是指将并行数据接口输入的数字信号通
过数模转换直接输出；正交调制模式是指基带Ｉ、Ｑ
数据经过数字调制后再进行数模转换输出。本文 中选用的是正交调制模式，该模式下ＡＤ９９５７的内
部结构如图４所示。
图４ ＡＤ９９５７内部结构图
Ｉ、Ｑ两路基带数据通过１８位的并行数据接口