要　闡述了雷達(dá)多目標(biāo)模擬器的設(shè)計，給出了一種可實時模擬多批目標(biāo)回波的雷達(dá)信號模擬器的實現(xiàn)方案，重點介紹了該模擬器主控DSP軟件設(shè)計思想及其實現(xiàn)，對整個系統(tǒng)工作性能做了簡要分析。 　　關(guān)鍵詞　DSP，SHARC，雷達(dá)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(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對雷達(dá)的性能提出了越來越高的要求。同時，縮短雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試、聯(lián)調(diào)和外場實驗周期顯得極為重要。而現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn)是雷達(dá)工作環(huán)境的惡劣，要求在強雜波中檢測目標(biāo)和提取目標(biāo)參數(shù)。因此，在雷達(dá)設(shè)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(huán)境、配套服務(wù)、成本等諸多因素的影響,在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計、試驗、訓(xùn)練過程中, 不可能總是采用真實目標(biāo)。在這種情況下，雷達(dá)信號模擬得到了普遍重視。ADSP-2106x SHARC(Super Harvard Architecture Computer，超級哈佛結(jié)構(gòu)計算機)是美國Analog Device公司生產(chǎn)的高性能的32位通用數(shù)字信號處理器（DSP）［１］。它具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和與外部進行數(shù)據(jù)交換的能力，適于高速實時運算，廣泛應(yīng)用于通用數(shù)字信號處理、通信、雷達(dá)和聲納、圖像處理、醫(yī)學(xué)電子、高速控制等領(lǐng)域。 　　本文對一種基于ADSP-2106x SHARC的雷達(dá)多目標(biāo)視頻回波信號模擬器的方案作了簡要介紹，該模擬器結(jié)合某型雷達(dá)的調(diào)試、性能評估等要求，采用PC上位機加基于DSP的目標(biāo)模擬板等系統(tǒng)組合的方法實現(xiàn)。目標(biāo)模擬板根據(jù)通過串口傳來的由PC界面設(shè)置的目標(biāo)信息和雷達(dá)參數(shù)等數(shù)據(jù)進行實時運算和調(diào)度，依次實時地產(chǎn)生相應(yīng)的多目標(biāo)雷達(dá)視頻信號。其中主控DSP是整個系統(tǒng)的核心，其軟件設(shè)計的思想和實現(xiàn)是本文介紹的重點。 2 多目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)構(gòu)成 　　圖1所示為雷達(dá)多目標(biāo)模擬器的結(jié)構(gòu)框圖。 　　該系統(tǒng)主要由上位機和目標(biāo)模擬器處理板兩部分組成，PC機負(fù)責(zé)產(chǎn)生雷達(dá)參數(shù)、目標(biāo)信息和航跡數(shù)據(jù)，可根據(jù)不同工作狀態(tài)和不同運動形式進行仿真運算，將運算得到的目標(biāo)航跡和狀態(tài)數(shù)據(jù)以文件的形式存儲起來，供實際模擬時調(diào)用。該雷達(dá)模擬器系統(tǒng)能模擬徑向運動、切向運動、曲線運動目標(biāo)，不同運動方式可通過PC界面設(shè)置進行選擇，系統(tǒng)自動調(diào)用相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。PC機與目標(biāo)模擬板進行串口通信，天線每次掃描經(jīng)過正北時目標(biāo)模擬板向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)傳送請求一次，PC機接到數(shù)據(jù)傳送請求后，通過RS-232接口或RS-485接口向模擬板發(fā)送下一次天線掃描周期的目標(biāo)批數(shù)和信號波形碼以及各批目標(biāo)的方位、距離、信噪比、多普勒頻率等參數(shù)。 　　目標(biāo)模擬板主要由串并轉(zhuǎn)換、噪聲產(chǎn)生、數(shù)據(jù)運算調(diào)度、時序控制和地址產(chǎn)生、DA轉(zhuǎn)換及其外圍電路等五個部分組成：串并轉(zhuǎn)換模塊接收串口來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)寫入乒乓雙口RAM，并向噪聲產(chǎn)生模塊發(fā)送三位噪聲模式碼；噪聲雜波數(shù)據(jù)生成模塊由專用芯片（FPGA）實現(xiàn)，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(shù)分布、瑞利分布四種隨機數(shù)之一；時序控制和地址產(chǎn)生模塊由EPLD來實現(xiàn)，其接收來自雷達(dá)信號處理機的正北脈沖和PRT同步信號，自行產(chǎn)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(biāo)航跡和狀態(tài)信息、FPGA中的噪聲、來自EPLD的方位碼，并通過運算、處理和調(diào)度實時完成雷達(dá)波形的產(chǎn)生、多普勒信息的調(diào)制、噪聲雜波的疊加，并根據(jù)目標(biāo)的距離延時依次將I、Q兩路回波和噪聲數(shù)據(jù)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(xiàn)與RAM、FPGA和其它外設(shè)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(jīng)高速DA轉(zhuǎn)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(tǒng)軟件設(shè)計思想 3.1 雷達(dá)信號波形的形成 　　采用數(shù)字方法直接產(chǎn)生脈沖壓縮中頻信號的基本原理和實現(xiàn)方法主要有兩種：一種是基于相位累加器的頻率合成技術(shù)，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(yīng)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(yīng)的數(shù)字化幅度，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器后得到調(diào)頻模擬信號；另一種是基于存儲器直讀法的波形合成技術(shù)，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(tǒng)工作時，按一定的時序要求讀出ROM中的數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為調(diào)頻模擬信號［４］。按模擬要求，本系統(tǒng)應(yīng)能提供四種雷達(dá)信號波形：線性調(diào)頻信號兩種（頻率遞增和遞減）；非線性調(diào)頻信號兩種（頻率遞增和遞減）。考慮到ADSP-2106x具有大容量內(nèi)存的優(yōu)勢，及前一種方法不易產(chǎn)生非線性調(diào)頻波形等因素，擬采用后一種方法。具體實現(xiàn)是：有效利用DSP芯片內(nèi)部存儲器資源，形成正、余弦ROM，預(yù)存調(diào)頻波的幅度量化值，在系統(tǒng)時鐘控制下，對只讀存儲器進行尋址來實現(xiàn)。 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(biāo)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(nèi)部存儲器資源，預(yù)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(nèi)部存儲器中的線性、非線性調(diào)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(diào)頻相位，θ是多普勒相位)，由此完成附加多普勒信息的數(shù)字回波的產(chǎn)生。模擬器產(chǎn)生的回波信號應(yīng)能在天線波束角內(nèi)受天線方向圖的調(diào)制，具體實現(xiàn)是：模擬天線的圓周掃描，接收由雷達(dá)信號處理機提供的周期為定值的正北脈沖，并自行產(chǎn)生12位天線方位碼（即方位碼每增加1，相當(dāng)于天線掃過360/4096度），由此天線指向信息結(jié)合該雷達(dá)天線的波束形狀形成回波信號的幅度加權(quán)值，最后與調(diào)制了多普勒信息的波形值相乘即可。加權(quán)值也可由matlab仿真得到不同方位上的值預(yù)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(biāo)模擬的方法及噪聲、雜波的形成 　　按要求，模擬器應(yīng)能模擬多批目標(biāo)，目標(biāo)批數(shù)在1~128 批之間，這就要求在同一天線波束內(nèi)能同時模擬多批目標(biāo)，每個目標(biāo)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(biāo)的回波數(shù)據(jù)，然后在距離上將多個目標(biāo)疊加，合成一個等效的單點目標(biāo)輸出。以兩目標(biāo)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(biāo)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(qū)內(nèi)的I、Q兩路數(shù)據(jù)相加，其它數(shù)據(jù)不變；無重疊時，原數(shù)據(jù)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(chǎn)生由噪聲發(fā)生器來完成，它由專用芯片實現(xiàn)，此發(fā)生器可生成均勻分布、高斯分布、指數(shù)分布、瑞利分布四種定點和浮點格式的隨機數(shù)，噪聲模式的選擇由PC界面的選項設(shè)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(shù)字值相加。從而完成整個目標(biāo)和環(huán)境的模擬。 4　雷達(dá)多目標(biāo)模擬器的軟件設(shè)計和實現(xiàn) ADSP2106x 完成實時運算、數(shù)據(jù)調(diào)度，是整個模擬器的核心和瓶頸，其軟件編程的質(zhì)量直接影響到系統(tǒng)的性能。 4.1 DSP的主程序流程 　　DSP的主程序流程為：ADSP2106x上電復(fù)位后，首先進行初始化，設(shè)置相應(yīng)寄存器使可編程I/O管腳FLAG0-2為輸入，接收來自雷達(dá)信號處理機的正北標(biāo)志和主脈沖標(biāo)志，F(xiàn)LAG3為輸出，作為指示燈的控制信號，并且設(shè)置各BANK塊的大小均為16K；然后執(zhí)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(tǒng)進入循環(huán)等待狀態(tài)，反復(fù)檢測FLAG2管腳的輸入電平，當(dāng)DSP檢測到有正北標(biāo)志來到時，通過外總線將雙口RAM中的目標(biāo)航跡和狀態(tài)數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，其中包括本次模擬的雷達(dá)參數(shù)和天線這一圈掃描發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)信息；其后循環(huán)檢測FLAG0，當(dāng)檢測到有主脈沖標(biāo)志到來時，進行回波數(shù)據(jù)的實時調(diào)度輸出，循環(huán)檢測FLAG0的次數(shù)取決于天線轉(zhuǎn)速和主脈沖周期；這一循環(huán)結(jié)束后再等待下一正北標(biāo)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(biāo)回波數(shù)據(jù)生成模塊軟件實現(xiàn) 　　圖5所示為目標(biāo)回波數(shù)據(jù)生成模塊的軟件流程圖，其工作過程為：①當(dāng)DSP檢測到M0標(biāo)志到來時，首先打開主脈沖定時器，讀取當(dāng)前的天線碼，并轉(zhuǎn)化成角度信息；②判斷并讀取處于當(dāng)前天線波束內(nèi)的目標(biāo)批數(shù)和目標(biāo)信息，根據(jù)各個目標(biāo)的距離計算其雙程延時并轉(zhuǎn)化成其在輸出序列中的位置碼，計算各批目標(biāo)的幅度加權(quán)值，讀取其多普勒頻率；③讀取I、Q兩路需要的兩組噪聲數(shù)據(jù)；④由波形碼尋址波形數(shù)據(jù)查找表產(chǎn)生每點波形數(shù)據(jù)，由各批目標(biāo)的多普勒頻率尋址多普勒信息查找表得到其多普勒數(shù)據(jù)，并將二者進行乘加運算，完成回波數(shù)據(jù)的生成，同時，將當(dāng)前波束內(nèi)的多點目標(biāo)等效合成為一個目標(biāo)；⑤將噪聲與目標(biāo)回波數(shù)據(jù)相加，將相加后的浮點數(shù)轉(zhuǎn)化為DA要求的偏置碼，最后，將此幀數(shù)據(jù)寫入I、Q兩路乒乓雙口RAM；⑥關(guān)閉主脈沖計時器，等待響應(yīng)下一M0中斷。 5　 結(jié)束語 　　本文對基于SHARC的雷達(dá)多目標(biāo)模擬器的總體方案和具體實現(xiàn)進行了簡要闡述。重點介紹了該模擬器主控DSP的軟件設(shè)計和實現(xiàn)，此系統(tǒng)已通過了軟件模擬和硬件調(diào)試，DSP計算一個主脈沖周期內(nèi)最多包含六個目標(biāo)回波數(shù)據(jù)所需的時間不超過3ms，完全可以滿足該雷達(dá)的實時性要求。并初步實現(xiàn)了與雷達(dá)信號處理機的聯(lián)調(diào)，實驗證明此系統(tǒng)方案是可行的，DSP軟件工作穩(wěn)定、可靠。設(shè)計中引入系統(tǒng)模擬的思想和模塊化設(shè)計的方法，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活，只需做較少的改動即可滿足通用性的要求。