雷達壓制式干擾信號的研究與FPGA設(shè)計

創(chuàng)新者：龍 凱 龔 望 張 宇

雷達壓制式干擾信號的研究與FPGA設(shè)計

創(chuàng)新者：龍 凱 龔 望 張 宇

本文研究了雷達壓制式干擾基帶信號的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)。使用直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）技術(shù)產(chǎn)生正弦載波，再使用一系列的數(shù)字處理技術(shù)對載波處理得到噪聲壓制干擾信號。FPGA通過串口從上位機獲取控制參數(shù)，這些干擾波形在基帶單元的FPGA內(nèi)計算生成，系統(tǒng)將根據(jù)控制參數(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的噪聲類型，最后經(jīng)過脈沖信號調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻及功率放大，得到射頻噪聲壓制干擾信號。

自雷達問世以來，雷達對抗技術(shù)的研究持續(xù)至今。而隨著信息化戰(zhàn)爭的提出，雷達干擾和抗干擾的斗爭必將愈演愈烈。壓制干擾是一種使發(fā)射的大功率的噪聲信號經(jīng)過敵方雷達接收天線進入敵方雷達接收機的干擾技術(shù)。雷達接收機系統(tǒng)內(nèi)部存在無法消除的內(nèi)部噪聲，內(nèi)部噪聲一直是影響雷達性能的主要因素。雷達作用距離、發(fā)現(xiàn)概率、測量精度都是雷達性能的重要指標(biāo)，壓制干擾的目的就是通過噪聲使敵方雷達不能正常工作，這是一種通用性很強的干擾技術(shù)，在雷達對抗中得到廣泛應(yīng)用。壓制干擾對敵方雷達信息要求較低，使其得到廣泛應(yīng)用。本文采用Xilinx Spartan3E-500E平臺實現(xiàn)壓制干擾的基帶信號。

壓制干擾系統(tǒng)整體設(shè)計

噪聲壓制干擾波形利用數(shù)字方式產(chǎn)生，最后進過DA變換、上變頻及功率放大控制后，得到射頻噪聲壓制干擾信號。壓制干擾系統(tǒng)主要由直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）、窄帶白噪聲發(fā)生模塊、通信模塊以及其他稍次要的模塊組成。干擾波形在基帶單元的FPGA內(nèi)計算生成，系統(tǒng)將根據(jù)控制參數(shù)產(chǎn)生對應(yīng)的噪聲類型。

壓制干擾系統(tǒng)的具體設(shè)計

載波信號

一般來說，數(shù)字射頻系統(tǒng)實現(xiàn)的難度大，價格昂貴，所以實用的射頻系統(tǒng)大多都是模擬系統(tǒng)。由傅立葉級數(shù)可知，任何一個信號都可以由一連串的正弦信號經(jīng)過疊加得到，所以選擇正弦信號作為壓制干擾載波信號。

常用的使用FPGA產(chǎn)生正弦波的方法主要是CORDIC算法和DDS技術(shù)。CORDIC是一種迭代算法，通過使用移位和加法求解函數(shù)值。DDS技術(shù)是一項關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS主要由累加器、加法器、查找表組成，頻率控制字和相位控制字最終都映射到了對查找表地址控制上。查找表中存儲一個完整周期的正弦波數(shù)字信號，根據(jù)相位控制字和頻率控制字得到地址。運用DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦波和使用CORDIC算法產(chǎn)生正弦波相比，DDS對輸出波形的頻率和相位控制更為方便，響應(yīng)時間短，頻率分辨率高（與查找表深度有關(guān)），輸出信號穩(wěn)定度高，即使在頻率改變過程中仍能夠保證輸出信號相位連續(xù)，易集成。DDS憑借這些優(yōu)勢，超越了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)，在現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

M為頻率控制字，控制正弦波的頻率。P為相位控制字，對正弦波相位進行調(diào)整。累加器在時鐘沿觸發(fā)下，以步長M遞增，加法器把累加器的輸出值和相位控制字相加，得到正弦波新的相位。由于查找表中已存儲正弦波一個完整周期的采樣點，這些采樣點實際上就是正弦波在不同相位的采樣值。為了使加法器輸出值能與查找表一一對應(yīng)，常常把地址控制參數(shù)的位寬設(shè)置成與查找表深度位寬一致。這樣直接數(shù)字式頻率合成器波的相位映射成了查找表的地址，查找表輸出相應(yīng)輸入地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)，即為正弦波某相位的值。查找表地址計算方法：

輸出信號頻率fout計算方法：

圖1　DDS系統(tǒng)基本原理圖

fclk是查找表輸入時鐘頻率，n是查找表地址線位寬。

對于頻率控制字M固定不變，通常稱為點頻信號。在DDS輸出點頻信號的基礎(chǔ)上使頻率控制字在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化，就實現(xiàn)了掃頻信號。常用掃頻方式有線性掃頻、指數(shù)掃頻、三角掃頻，響應(yīng)的頻率控制字以線性、指數(shù)、三角規(guī)律變化。

調(diào)頻信號，也可以利用DDS產(chǎn)生。用調(diào)制信號控制頻率控制字就可以實現(xiàn)調(diào)頻，掃頻也是一種線性調(diào)頻。

窄帶噪聲

根據(jù)極限中心定理知道隨機過程服從高斯分布。通信系統(tǒng)內(nèi)的主要噪聲熱噪聲和散彈噪聲也叫做高斯噪聲。理想白噪聲的功率譜密度Pn（ω）在（）整個頻率范圍內(nèi)都是均勻分布，為了使用白噪聲模型對實際噪聲做近似處理，只要噪聲功率譜寬度遠大于它作用的系統(tǒng)，在系統(tǒng)帶通范圍內(nèi)功率譜密度基本是常數(shù)，這樣的噪聲就作為白噪聲處理。使用隨機過程來產(chǎn)生噪聲，常用的實現(xiàn)方法有物理方法和數(shù)學(xué)方法。物理法需要安裝物理隨機數(shù)發(fā)生器，隨機數(shù)發(fā)生器增加了額外的成本，也不利于FPGA實現(xiàn)。FPGA具有豐富的邏輯資源，使用數(shù)序方法產(chǎn)生隨機數(shù)更加方便。使用數(shù)學(xué)法產(chǎn)生的隨機數(shù)雖然是偽隨機數(shù)，但是只要選取合適的參數(shù)，能夠使得偽隨機數(shù)的周期足夠大，能進行白噪聲近似處理。

M序列是一種廣泛應(yīng)用的偽隨機序列。本原多項式使線性反饋移位寄存器的輸出序列為M序列，可通過查本原多項式系數(shù)表得到本原多項式的系數(shù)。n級反饋線性移位寄存器的最大周期為：

圖2就是一個本原多項式參數(shù)為八進制23的線性反饋移位序列。如果移位寄存器初始狀態(tài)為1100，輸出（A4）M序列為：001111010110010

簡單的窄帶噪聲的實現(xiàn)——可以通過M序列產(chǎn)生的偽隨機序列得到的白噪聲再通過一個帶通濾波器實現(xiàn)，噪聲帶寬由加載的濾波器系數(shù)決定。

圖2　線性反饋移位示例

RS232是最常用的異步串行通信接口，通信距離一般不超過15m。RS232數(shù)據(jù)發(fā)送規(guī)則：（1）在發(fā)送有效的數(shù)據(jù)前會發(fā)送一個邏輯“0”，表示數(shù)據(jù)開始。（2）在結(jié)束發(fā)送有效數(shù)據(jù)之后會一直發(fā)送邏輯“1”。（3）發(fā)送數(shù)據(jù)是從低比特位向高比特位發(fā)送。數(shù)據(jù)接收方可以在未接收數(shù)據(jù)的時候一直檢測數(shù)據(jù)起始標(biāo)志（從邏輯“1”到邏輯“0”的跳變）來接收有效數(shù)據(jù)。接收有效數(shù)據(jù)之后，把參數(shù)傳遞給控制字計算模塊，為DDS提供頻率控制字。在RS232通信模塊中加入數(shù)據(jù)發(fā)送部分，方便上位機用指令讀取參數(shù)，調(diào)試程序。

上位機通過RS232接口發(fā)送參數(shù)到FPGA，F(xiàn)PGA接收參數(shù)后，串口接收模塊把控制參數(shù)傳遞到DDS模塊，DDS根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)計算頻率控制字和相位控制字，輸出對應(yīng)波形，再經(jīng)過發(fā)射脈沖信號調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、射頻處理得到射頻信號。

結(jié)束語

本文針對壓制干擾所涉及的各個方面展開了研究，重點研究了壓制干擾基帶信號的數(shù)字產(chǎn)生和數(shù)字處理方法，完成了壓制干擾基帶信號的設(shè)計以及FPGA實現(xiàn)，通過示波器或ChipScope觀察到FPGA輸出控制參數(shù)對應(yīng)的壓制干擾信號。

致謝

本文受大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目201410619028資助。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.025