基于FPGA的某火控雷達目標視頻信息模擬

趙建軍，肖雄波，朱民權(quán)，楊利斌

（1.海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92910部隊 浙江 舟山 316000）

在雷達裝備設(shè)計和雷達性能評估的各種實驗中，雷達回波信號模擬器用于雷達裝備性能的測試和實際工作狀態(tài)仿真，設(shè)計高仿真的雷達脈沖信號模擬器，能在一定程度上提高設(shè)備的設(shè)計效率和調(diào)試準確度，并且可以大大簡化實驗難度，降低實驗成本，增加實驗靈活性[1-2]。

某雷達對全空域或者某空域進行空中、海面觀測，某火控系統(tǒng)接收某雷達的一次視頻信息，對某雷達的一次雷達信息進行處理，解算目標的現(xiàn)在點坐標和運動參數(shù)，同時將有關(guān)信息傳輸?shù)街缚刂行摹?/p>

某雷達有跟蹤和搜索兩種工作方式，有兩個信號輸出通道（主通道A1和備用通道A2），輸出給某火控系統(tǒng)的一次視頻信息有：零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART，模擬視頻信息BC，波束當前方位的13位并行碼HSQ，波束當前高低角的并行碼VSQ，雷達工作狀態(tài)標志MOD，通道2接通信號A2ON。

筆者基于總線技術(shù)和FPGA技術(shù)，利用Xilinx公司的產(chǎn)品ISE 8.1軟件設(shè)計某火控雷達目標視頻信息模擬器。

1 總體方案設(shè)計

搜索方式的時序如圖1所示。對目標視頻信息的模擬，主要模擬包含目標方位、仰角和距離的一次視頻信息。

圖1 搜索方式工作時序圖Fig.1 Working sequence chart of searching mode

對目標視頻信息的模擬采用可編程邏輯器件的實現(xiàn)方案[3-4]，實現(xiàn)原理框圖如圖2所示?？偩€控制器實現(xiàn)PC/104總線與計數(shù)器模塊的接口，計數(shù)器實現(xiàn)方位角計數(shù)、仰角計數(shù)、距離計數(shù)，并接收當前計算機的方位角、仰角、距離量，實時生成數(shù)字視頻信息。

圖2 總體設(shè)計原理框圖Fig.2 Principle block diagram of overall design

1.1 總線控制器

總線控制器實現(xiàn)PC/104總線與計數(shù)器的接口，總線控制器轉(zhuǎn)換16位的地址信號、16位的數(shù)據(jù)信號、ALE、IOCS16、IOCHRDY信號，在系統(tǒng)設(shè)計中，運用16位數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，為保證對數(shù)據(jù)有效讀寫，采用延遲線技術(shù)。當總線空閑時，即讀寫信號均為高電平時，延遲線輸出為0，當總線對數(shù)據(jù)進行讀寫時，在參考時鐘的輸入下，設(shè)定DEL2～DEL12為寫數(shù)據(jù)有效，DEL2～DEL15為讀數(shù)據(jù)有效。具體的電路實現(xiàn)如圖3所示。

1.2 計數(shù)器模塊

計數(shù)器模塊包括水平掃描計數(shù)器、垂直掃描計數(shù)器以及距離計數(shù)器，水平掃描計數(shù)器模塊完成全方位0～360°掃描計數(shù)，垂直掃描計數(shù)器完成垂直方向上通道1仰角范圍0～β1和通道2仰角范圍0～β2的掃描計數(shù)，距離計數(shù)器產(chǎn)生零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖 DSTNTER，掃描起始脈沖 SCANSTART，下面分別介紹其設(shè)計方案。

1.2.1 水平掃描計數(shù)器

鑒于雷達天線為背靠背兩個通道，則通道1的方位角為計數(shù)器寄存器的值，通道2的方位角為計數(shù)器寄存器最高位取反后輸出數(shù)字量，水平掃描計數(shù)器的原理框圖如圖4所示。

圖4 水平掃描計數(shù)器的原理框圖Fig.4 Principle block diagram of horizontal scan counter

1.2.2 垂直掃描計數(shù)器

某雷達垂直方向為相掃描，通道1仰角范圍為0～β1，通道2仰角范圍0～β2，假設(shè)某雷達由31個波束號組成，通道1和通道2的第個i波束號對應(yīng)的仰角為β1i，β2i，垂直掃描計數(shù)器以距離終點作為時鐘脈沖，對31個波束號進行循環(huán)計數(shù)，同時通道數(shù)據(jù)選擇電路選擇波束號對應(yīng)的通道1和通道2的角度值輸出，垂直掃描計數(shù)器的原理框圖如圖5所示。

圖5 垂直掃描計數(shù)器的原理框圖Fig.5 Principle block diagram of vertical scan counter

1.2.3 距離掃描計數(shù)器

距離計數(shù)器產(chǎn)生零距離脈沖ZERODSTN，相對零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART。假設(shè)雷達掃描周期為Tss，選用16位計數(shù)器，設(shè)16位計數(shù)器的計數(shù)模值為M，若以4.8 MHz作為基準時鐘，則距離計數(shù)器的分頻系數(shù)NR的計算表達式為

鑒于某雷達有跟蹤和搜索兩種工作方式，在這兩種工作方式下視頻脈沖的時序不同，確立如下的設(shè)計方案，原理框圖如圖6所示。

圖6 距離掃描計數(shù)器原理框圖Fig.6 Principle block diagram of distance scan counter

1.3 數(shù)字視頻脈沖計數(shù)器

數(shù)字視頻脈沖計數(shù)器在當前方位角、仰角和距離輸出數(shù)字視頻脈沖，進而轉(zhuǎn)換為模擬視頻脈沖。若采用7位計數(shù)器，計數(shù)時鐘為CLK，則當13位方位角計數(shù)器的寄存器的值、10位仰角計數(shù)器寄存器的值、16位距離計數(shù)器寄存器的值與總線發(fā)送過來的包含方位角、仰角、距離的數(shù)字信息同時相等時，觸發(fā)數(shù)字視頻脈沖計數(shù)器進行計數(shù)，進而輸出視頻信息數(shù)字量至后端電路進行D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字視頻脈沖計數(shù)器的原理框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)字視頻脈沖生成原理框圖Fig.7 Principle block diagram of digital video formation

2 硬件電路功能仿真分析

2.1 總線控制器電路功能仿真

ISE仿真[6]如圖8所示。仿真表明，按照圖5設(shè)計的電路，功能時序滿足PC/104總線的時序關(guān)系，表明電路功能的正確性。

2.2 水平掃描計數(shù)電路功能仿真

假設(shè)分頻系數(shù)NH=1 456，其ISE電路仿真如圖9所示。仿真結(jié)果表明，10位計數(shù)器在清零信號的作用下從零開始計數(shù)，計至1 023后歸0重新開始計數(shù)，功能滿足設(shè)計需求。

2.3 垂直掃描計數(shù)電路功能仿真

假設(shè)采用5位計數(shù)器對31個波束號進行循環(huán)計數(shù)，垂直掃描計數(shù)器ISE電路仿真如圖10所示。仿真結(jié)果表明，5位計數(shù)器在清零信號的作用下從零開始計數(shù)，計至31后歸0重新開始計數(shù)，功能滿足設(shè)計需求。

圖8 總線控制器電路仿真圖Fig.8 Circuit simulation diagram of bus controller

圖9 水平掃描ISE電路仿真圖Fig.9 ISE circuit simulation of horizontal scan

圖10 垂直掃描ISE電路仿真圖Fig.10 ISE circuit simulation of vertical scan

2.4 距離掃描計數(shù)電路功能仿真

以搜索方式為例，基準時鐘為40 MHz，搜索方式下距離掃描仿真如圖11所示。仿真結(jié)果滿足圖1所示的搜索方式視頻信息時序圖，功能仿真滿足設(shè)計要求。

圖11 搜索方式下距離掃描仿真圖Fig.11 Circuit simulation diagram of distance scan in searching mode

3 軟件設(shè)計

雷達掃描計數(shù)器模塊接收計算機的控制指令，計算機模擬目標的距離、方位角、仰角，并將距離值和角度值轉(zhuǎn)化為計數(shù)器的值，通過總線控制器發(fā)送到各個計數(shù)器模塊的寄存器。計數(shù)器模塊按照計算機設(shè)定的工作方式和通道指令，在對應(yīng)點輸出數(shù)字視頻信息，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬視頻信息。軟件控制流程如圖12所示。

圖12 軟件控制流程圖Fig.12 Flow chart of software control

4 結(jié) 論

筆者針對某火控系統(tǒng)接收目標視頻信息的特點和某雷達的工作方式以及工作時序，采用CPU＋FPGA的方式，設(shè)計了目標視頻信息模擬器，結(jié)合ISE 8.1軟件進行了電路功能仿真，并轉(zhuǎn)化為硬件實現(xiàn)。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的設(shè)計具有可行性和有效性。該模擬器已經(jīng)和火控系統(tǒng)完成了對接實驗并得到應(yīng)用，為模擬訓(xùn)練和火控系統(tǒng)維修保障提供了方便，具有重大的軍事經(jīng)濟效益。同時，該模擬器的設(shè)計思路可推廣到其他雷達模擬器的設(shè)計中。

[1]王勇平.某火控雷達訓(xùn)練模擬器[J].山西電子技術(shù)，2008（5）：21－23.

WANG Yong-ping.Some fire control radar training simulator[J].Shanxi Electronic Technology，2008（5）：21－23.

[2]廖建國，李永，李繼杰.線性調(diào)頻脈沖壓縮雷達仿真研究[J].空間電子技術(shù)，2010（2）：59－62.

LIAOJian-guo， LIYong， LIJi-jie.LinearFMpulsecompression radar simulation[J].Space Electronic Technology，2010（2）：59－62.

[3]童維健，蔡桂友.便攜式模擬器的可靠性設(shè)計[J].艦船電子工程，2008（7）：169－171.

TONG Wei-jian，CAI Gui-you.The reliability design of portable simulator[J].Ships electronic engineering，2008（7）：169－171.

[4]張恒，韓壯志，何強，等.基于DSP的便攜式火控雷達信號模擬器設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009（9）：5500－5503.

ZHANG Heng， HAN Zhuang-zhi， HE Qiang， et al.Design of portable fire control radar signal simulator based on DSP[J].Science Technology and Engineering，2009（9）：5500－5503.

[5]李翰山，雷志勇.光電探測假彈丸信號消除的設(shè)計與分析[J].電光與控制，2010（3）：75－79.

LI Han-shan，LEI Zhi-yong.The design and analysis of fake projectile signals'elimination in the photoelectric detecting[J].Electro-optic and Control，2010（3）：75－79.

[6]孫航，胡靈博，等.Xilinx可編程邏輯器件應(yīng)用與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.