[摘要]雷达信号视频信号对于雷达信号处理系统的调试、标校、性能检测有重要的意义。采用基于FPGA的DDS软件编程实现了雷达视频信号的模拟，并以雷达相参视频信号和雷达非相参视频信号的模拟为例，详细分析了该方法实现雷达信号模拟的原理及具体过程。最后给出了雷达视频信号模拟的部分实验结果。
[关键词]雷达 信号模拟 FPGA DDS
中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)0810025－01
雷达信号模拟是一门综合技术。在理论上要研究不同体制的雷达回波信号的特征、各种杂波的统计规律以及信号模拟的原理等。在技术上要研究各种信号参数的模拟方法。雷达的信号模拟可以是视频的、中频的和射频的。例如目标信号模拟，噪声及杂波背景信号模拟，中频或视频信号模拟等。由于模拟的目标信号参数可以根据需要灵活的设置，因而可信度高；并且雷达信号的模拟设备可以在实验室条件下工作，因而与常规飞行（航行）实验相比，节省了大量的费用[1][2]。
在雷达系统中采用DDS技术可以灵活地产生不同脉冲宽度、不同载波频率以及不同脉冲重复频率的信号，为雷达系统的设计者提供了全新的思路[3][4]。利用专用DDS芯片是目前比较流行的信号产生方法，专用DDS芯片把所有功能集中在一块芯片上，需要设计者以此为平台进行开发。而基于FPGA的DDS软件编程则根据DDS技术的基本原理，充分利用了FPGA作为大规模芯片的资源优势和高速运算能力，除了能产生专用DDS芯片所具备的单频连续波、非连续波、各种形式的线性调频信号以外，还可以借助FPGA的庞大的资源优势和内部存储器[5][6]，使非线性调频等更复杂的信号更容易实现。
本文以此为出发点，将最新发展的FPGA技术与DDS技术结合采用基于FPGA的DDS软件编程来实现雷达信号的模拟。
一、系统的硬件结构
在具体实现过程中主要采用一块基于FPGA的雷达信号处理卡，既可以采集来自雷达接收机的中频、视频信号并对其进行数字信号处理，又可以自身模拟产生雷达中频、视频信号进行数字信号处理或不处理直接送往雷达信号处理机。雷达信号处理卡的硬件电路结构框图如图1所示：
FPGA采用的是Xilinx公司的10万门FPGA芯片XC2S100E，其配置芯片为Xilinx公司的1Mbits容量PROM芯片XC18V01，以主动串行方式对FPGA进行上电配置。AD、DA分别为ADI公司12位高速模数转换芯片AD9224与14位高速数模转换芯片AD9764。SRAM采用Cypress公司的256k×16bits SRAM芯片CY7C1041。
设计中利用FPGA实现32位/33MHz的PCI接口逻辑，进行实时信号采集和传输控制。由于FPGA具有层次化的存储器系统，其基本逻辑功能块可以配置成16×1，16×2或32×1的同步RAM，或16×1的双端口同步RAM，因此可以在FPGA内部配置高速双口RAM用来作为信号传输的数据缓冲器。同时，为了节省FPGA的内部逻辑资源，在FPGA外围配置了适当的SRAM用来存储数据。
二、雷达视频信号的模拟
雷达视频信号的模拟分为相参视频信号和非相参视频信号的模拟。通常，视频信号产生的方法一般有两种：一种是利用计算机模拟产生目标和杂波数据，通过计算机接口发往信号处理卡上的大容量存储器中，从该存储器中将模拟数据读出，便得到数字量的视频信号；另一种方法是采用FPGA软件编程利用FPGA硬件实现目标和杂波的产生，目标和杂波的参数可以通过计算机设置。本设计中采用的是后一种方法，目标和杂波的参数可以通过计算机更改。
（一）雷达非相参视频信号的模拟
模拟产生仅含有幅度信息的非相参视频信号，根据参数设置直接在FPGA中产生。利用FPGA软件编程实现非相参视频信号的原理如图2所示。
（二）雷达相参视频信号的模拟
模拟产生含有幅度与相位信息的相参视频信号，根据参数设置直接在FPGA中产生。相参视频信号的实现方法与非相参视频信号相类似，只是在产生目标信号后，需要对输出的目标信号相位采用查找正弦、余弦表的方法在FPGA中产生正交的I/Q信号。利用FPGA软件编程实现相参视频信号的原理如图3所示。
三、杂波信号的模拟
在雷达系统中，常需要杂波信号的模拟，即加入一定的随机噪声，给出具有所要求的统计特性和频率特性的噪声，并可控制其强度，从而可以得到不同信噪比条件下的系统性能。
由于伪随机噪声具有类似于随机噪声的一些统计特性，并具有随机噪声的特点，便于重复产生和处理，得到了日益广泛的应用。如果采用硬件电路来实现伪随机噪声，其电路结构相当复杂，采用FPGA软件编程可以很好的解决这个问题。利用FPGA软件编程实现m序列时，产生的m序列与噪声强度相乘，即可得到原始的白噪声信号。由于硬件实现杂波的困难性，因此实际中只模拟出了m序列近似服从均值为零的均匀分布的杂波。
四、雷达视频信号的模拟实验
基于上述原理，首先对VHDL代码进行了时序仿真，然后将编译综合后的BIT文件下载到FPGA芯片中进行系统联调。实验表明，采用FPGA软件编程技术较好地实现了雷达信号的模拟，而且信号波形比较稳定。
在15km（）距离上模拟产生一个周期、脉宽的雷达非相参视频信号，在示波器上的观察结果如图4所示。
在15km距离上模拟产生一个周期 、脉宽、速度10m/s（多普勒频移200Hz）的相参的正交I/Q视频信号。D/A输出I、Q两路信号在示波器上的观察结果如图5。
从图5可以看出，输出的单路信号的包络为正弦波，从而说明模拟的相参信号取得了较好的效果。
五、结束语
基于FPGA的系统功能完全取决于设计需求，可以复杂也可以简单，而且FPGA芯片还可在系统现场升级，使系统具有较大的可扩展性[6]。另外，将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中，只是充分利用了FPGA系统的软件资源，其系统的硬件成本并不会增加多少，而购买专用DDS芯片则使系统的硬件成本和体积都增加很多。因此，采用基于FPGA的DDS软件编程技术具有较高的性价比，并提高了系统的性能和可靠性。
本系统所模拟产生的雷达视频信号基本达到了预定的指标，能够满足实际工程中的应用，在雷达系统中有着较好的应用前景。本文原理以及本系统亦可用于构成产生相位编码脉冲信号等其它形式的复杂雷达信号形式，具有较大的可扩展性。
参考文献：
[1]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.
[2]弋稳. 雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社,2005.
[3]张明友,汪学刚.雷达系统[M]. 北京:电子工业出版社, 2006.
[4]马合营, 杨子杰等. 基于DDS技术的雷达波形产生系统[J]. 武汉大学学报（理学版）, 2002(6):379-382.
[5]姜田华.实现直接数字频率合成器的三种技术方案[J].电子技术应用. 2004(3):33-35.
[6]张华桦. 基于FPGA的直接数字频率合成技术设计与实现[J].国外电子元器件, 2003(12):33-35.
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”