基于RFSoC的宽带雷达辐射源设计与实现
雷达辐射源在雷达设备测试标校系统中占据至关重要的地位。某型号脉冲多普勒雷达所配备的信标机体积大，信号单一、带宽小、无法模拟多普勒信号等缺陷，难以满足复杂的测试需求。为此，本文设计了一种基于RFSoC实现的宽带小型化雷达辐射源。该辐射源通过单片RFSoC，利用其内部的DDS核和集成的DAC模块的协同运作实现了快速频率调整、使得载波可叠加多普勒信息。此外，辐射源产生的信号频率和幅度控制方式灵活，既能进行无线实时调整，也可按照预存数据输出。传统的辐射源采用FPGA+DDS专用芯片或者FPGA+DSP的方式实现，体积大，功耗大，信号带宽也比较小，不适合单兵使用，而本文设计的小型化宽带辐射源基于Xilinx的RFSoC芯片进行设计，有效弥补了传统辐射源的不足，可实现波束图模拟且最大带宽可达2GHz，为雷达测试标校工作提供了有力支撑。1 引言在现代雷达技术领域，多普勒因其能够通过回波的频率变化获取目标的速度信息，而被广泛应用于气象监测，交通测速以及军事目标跟踪等领域。然而，随着雷达技术的快速发展，传统的雷达测试标校方法逐渐暴露出一些局限性：例如信标机通常体积庞大、功耗高，且无法动态调整信号的多普勒和电平，信号类型单一、带宽小、难以满足复杂测试场景的需求，而且难以满足无人机挂载试验等动态测试需求。本文设计了一种基于RFSoC的小型化宽带动态辐射源。RFSoC芯片集成了高速ADC和高速DAC、ARMCortex-A53处理器及丰富的逻辑资源，具有尺寸小、功耗低的特性。本文通过单片RFSoC设计的辐射源实现了大带宽以及频率可快速调整等功能，不仅体积小、功耗低，还可实现波束图模拟且带宽可达 2GHz2GHz ，有效的弥补了传统信标机的不足，可满足现代雷达的测试需求。2系统方案设计2.1 硬件设计系统硬件功能框图如图1所示，由单片RFSoC芯片配合相关外围电路完成。图1 中频辐射源硬件原理框图该系统采用模块化的设计方式进行设计，PL侧搭载2GB、32bit、3200MT/s的DDR4主要用于一些大脉宽、大带宽信号存储转发，PS侧搭载4GB、64bit、3200MT/s的DDR4用于干扰策略计算，ARM侧通过PHY芯片88E1111实现千兆以太网接口，满足系统和上位机通讯要求，由于PS和PL交互的数据量不大，二者之间的数据通信采用BRAM。另外在时钟设计时，考虑了单板调试和系统调试的需求设置了内时钟参考和外时钟参考。对外接口主要有26路GPIO、4路422接口、2路LVDS接口、一路千兆网口。2.2 软件设计现代雷达系统中常用的信号形式主要有简单脉冲信号、线性调频信号、相位编码信号（Barker码、M码等）、重频参差、重频抖动、频率捷变、频率分级等信号形式。其中线性调频应用最为广泛，下文以线性调频、相位编码信号（Barker码）为例，来说明辐射源信号的实现过程。2.2.1 线性调频信号线性调频信号具有较大的时宽、带宽积，高带宽有助于提高雷达的分辨能力和测距精度，而长时宽可以提高雷达的多普勒分辨力和测速精度。线性调频信号是指频率随时间做线性变化的调制信号，复数表达式为：信号的复包络为：其中，A为信号的幅度，T为信号脉冲宽度，调频斜率 K=B/T， BB 为信号带宽，线性调频的时频信号波形图如图2所示。图2 线性调频信号时频示意图按照信号中心频率 20MHz，带宽 20MHz ，脉宽 5μs ，正调频，采样率 300MHz 进行仿真，线性调频信号仿真结果如图3所示。实部波形图3 线性调频信号仿真结果2.2.2 相位编码信号Barber码相位编码信号又称做伪随机编码信号，与线性调频信号一样，常常用于脉冲压缩体制的雷达。相位编码信号是通过调相获得的，是将宽脉冲划分为多个相连的窄脉冲，各个窄脉冲的相位不同，但它们的载频具有一定的相关性。相位编码信号的复数表达式可写成：信号的复包络函数为： ，其中 ϕ(t) 为相位调制函数 f0 为载频，A为信号幅度。对二相编码而言， (t)∈{0,π}或者表示为二进序列 表示，则二相编码信号的复包络可写成：其中 其他为子脉冲函数， T 为子脉冲宽度， N为子脉冲个数或码长， Δ=NT为编码信号持续期。Barber码信号属于二相编码脉冲压缩信号，其相位仅有0和 π 两个值，具有较大的时间带宽积以及良好的相关特性，是一种最佳的二元序列码。Barber码自相关函数的主副瓣比等于压缩比，即为码长N。Barber码是一种较理想的编码压缩信号，可惜其长度有限，到目前为止发现的最长Barber码为13位。Barber码码值如表1所示。表1 Barber码编码规律及副瓣衰减注：表中"+"表示相位为0，"-"表示相位为 π
实际使用中以13位Barber码最为广泛。信号放 着时以正弦信号为载波信号，则13位Barber码序列的 信号波形如图4所示，在码字波形为0的情况下，正弦 信号反相（"1"表示相位为0，"0"表示相位为 π）图4Barber码调制过程图（13位）本方案选用码长度13位，编码规律为"++++- - +- +- +- +- +"，生成13位Barber码序列。按照信号中心频率2MHz，脉宽13us，子码脉宽1us，采样率300MHz进行仿真，13位Barber码信号仿真结果如图5所示。图5 13位Barber码信号仿真结果3功能实现过程3.1 实现过程本系统主要通过控制FPGA内部的DDS核，来产生各种样式的信号。DDS的原理如图6所示。图中FTW位频率控制字 f0输出信号的频率 fc位参考时钟频率。DDS主要由相位累加器，波形ROM、D/A转换器等组成。图6DDS原理框图DDS主要是利用一个相位累加器，以固定的步长（频率控制字）线性递增，将相位信息转化为幅度信息，从而重构出需要的波形。在小型化宽带辐射源中，系统的实现原理框图如图7所示。图7辐射源信号实现框图由图7可知，软件系统主要由参数解析模块、脉冲包络生成模块、脉内信号生成模块、频率调制、相位调制模块、功率调制模块和DAC模块组成。首先显控软件配置FPGA，生成脉冲描述字（脉冲宽度、信号载频、带宽，多普勒等信息），其次利用DDS技术灵活生成宽带雷达信号，最后通过DAC输出模块将信号准确输出。若要生更大的频率的信号，可在后级加微波模块以实现频率变化，实现流程如下：
[*]显控软件通过网口把即将要辐射的信号参数发送给ARM。
[*]FPGA端通过AXI总线从ARM哪里接收到辐射源的参数信息后，参数解析模块会对辐射源的参数分别进行解析和缓存；
[*]脉冲包络生成模块会根据信号类型、脉冲宽度、重频变化规律、重频个数、重复周期、等参数生成包络信号，生成1路包络信号；
[*]脉内信号生成模块根据信号调制类型、带宽等参数，在包络信号作用下控制DDS模块生成4800MHz采样率点频或者线性调频基带数字I、Q信号；
[*]频率调制模块一方面用于模拟信号的载频特性，如频率捷变、分时分集、脉内变频子脉冲等信号载频变化特性；另一方面用于模拟信号的速度带来的多普勒特性；基带数字I、Q信号经过混频后变为实信号；
[*]点频信号经过相位调制模块后会被调制成13位Barker码信号，点频、线性调频信号也可不调制直接输出给波束图模拟模块；
[*]信号进入功率调整模块后，会与显控下发的通道功率衰减系数相乘，得到幅度调制后的中频数字信号；
[*]随后将中频数字信号送入DAC模块，经过数模转换后变为中频模拟信号并播放输出。
3.2 功能测试本系统设计的辐射源输出信号频率为 2600MHz∼4600MHz 。测试时，在显控软件上设置信号的参数，用频谱仪测试信号的频域信息，用高速示波器测试信号的时域信息。显控软件如图8所示。图8辐射源显控参数设置框图3.2.1 线性调频信号测试显控软件设置信号参数：中心频率 3600MHz脉冲宽度100μs 、带宽为 100MHz，测试结果如图9所示。图9 线性调频信号100MHz带宽测试结果信号参数：中心频率为3600MHz，带宽1000MHz，脉冲宽度 100μs ，带宽测试结果如图10所示。图10线性调频信号1000MHz带宽测试结果信号参数：中心频率为3600MHz，带宽2000MHz，脉冲宽度 100μs，带宽测试结果如图11所示。图11线性调频信号2000MHz带宽测试结果为了验证信号的正确性，我们用采集设备对辐射源输出的信号进行采集后，采集信号的参数为：中心频率 3600MHz ，脉冲宽度 100μs、带宽为 10MHz 。用matlab软件进行脉压处理，处理结果如图12所示。由图可知，脉冲压缩的主副比和理论值相当，说明信号准确无误。图12 线性调频信号脉压结果3.2.2 相位编码信号测试相位编码测试：码元宽度1us、载频 3600MHz时域测试结果如图13所示。图13 Barker码信号时宽测试结果3.2.3 多普勒测试在显控界面中上设置信号为简单脉冲，分别设置速度为 3400m/s 和 −2000m/s，信号载频频率为 3600MHz ，由公式，可知多普勒分别为： 81.6kHz 和 −48kHz。辐射源多普勒测试结果如图14、图15所示。图14 速度为 3400m / s多普勒频率测试结果图15 速度为-2000m/s测试结果3.2.4 波束图测试设置扫描类型为：圆周扫描，转速为6转，每10秒扫描一个周期，波束图：文件选择360度文件，起始扫描方向选择顺时针。波束图参数设置如图16所示，波束图测试结果如图17所示。图16 显控软件波束图参数设置图17 波束图测试结果4结语本文设计并实现了一种基于RFSoC的小型化、大宽带雷达中频信号辐射源。该系统利用RFSoC集成的FPGA的DDS核实现了辐射源信号的产生，利用RFSoC集成的ARM系统实现了与显控软件的数据通信。给出了辐射源的设计流程，测试结果表明输出信号正确，实现结构简单、可行，具有很强的实用性，有效的弥补了传统信标机的不足，可满足现代雷达的测试需求。作者：师浪，李云峰来源：无线通信技术
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