基于DSP、DDS和ARM雷達(dá)中頻信號模擬器的硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

雷達(dá)信號模擬器是模擬技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它通過模擬的方法產(chǎn)生雷達(dá)回波信號，以便在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)前端不具備的條件下對雷達(dá)系統(tǒng)后級進(jìn)行調(diào)試。隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，高速、超大規(guī)模集成電路的使用，雷達(dá)信號模擬系統(tǒng)正朝著靈活、通用的方向發(fā)展。筆者設(shè)計(jì)了一種基于PC+ARM+DSP+DDS體系結(jié)構(gòu)的能家長雷達(dá)中頻信號模擬器，介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并以模擬相參數(shù)脈沖雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)信號為例，介紹了本系統(tǒng)的應(yīng)用。
　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　現(xiàn)代雷達(dá)信號模擬的設(shè)計(jì)偏重于運(yùn)用數(shù)字化方式實(shí)現(xiàn)，隨著實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，PC+DSP+D/A的體系結(jié)構(gòu)成了雷達(dá)模擬器實(shí)現(xiàn)的主要方式。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）以其在頻率捷變速度、相位連續(xù)性、相對帶寬、高分辨率以及集成化等方面的優(yōu)異性能，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者，同時(shí)也為雷達(dá)中頻信號模擬的實(shí)現(xiàn)方式提供了新的選擇。
　　本設(shè)計(jì)采用PC+ARM+DSP+DDS的體系結(jié)構(gòu)。PCM機(jī)對目標(biāo)及環(huán)境進(jìn)行建模、運(yùn)算，生成雷達(dá)中頻信號仿真數(shù)據(jù)庫，DSP根據(jù)模擬的雷達(dá)實(shí)時(shí)狀態(tài)及目標(biāo)、環(huán)境的實(shí)時(shí)特性，進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度、運(yùn)算和處理，最后形成控制DDS所需的調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻等控制字，通過DDS產(chǎn)生雷達(dá)中頻模擬信號。
　　由于對模擬器通用性的考慮，PC機(jī)與DSP間的通信，希望不僅能實(shí)時(shí)改變雷達(dá)模擬信號的參數(shù)，還可以適應(yīng)不同雷達(dá)體制和不同信號處理機(jī)的具體要求，方便加載新的程序。雖然通過PCI（或CPCI）能實(shí)現(xiàn)程序加載，并且傳輸速率快，但不能脫機(jī)工作，且插拔麻煩，不能用于筆記本調(diào)試。本設(shè)計(jì)采用ARM作為主控模塊，控制USB接口器件和DSP的主機(jī)口，完成程序的加載和參數(shù)的實(shí)時(shí)設(shè)置。
　　2 硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　本系統(tǒng)主要包括以ARM為核心的主控模塊，以DSP為核心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊，以DDS為核心的信號生成模塊，以及包括USB、RS-232和鎖存器等的通信模塊和電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。
　　
　　2．1 主控模塊
　　系統(tǒng)主控模塊負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各種工作。ARM采用Samsung公司生產(chǎn)的S3C44B0X微處理器，通過集成鎖相環(huán)倍頻系統(tǒng)主頻可達(dá)66MHz，最大外部存儲空間256MB，片上資源豐富，外圍控制能力強(qiáng)，性價(jià)比高。由它控制USB模塊接收PC機(jī)計(jì)算生成的雷達(dá)模擬信號的數(shù)據(jù)及代碼，控制主機(jī)口加載DSP，控制UART實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)在PC機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。
　　2．2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊
　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊利用PC機(jī)生成的雷達(dá)信號模擬數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的雷達(dá)工作狀態(tài)及目標(biāo)、環(huán)境的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算DDS的控制字，控制三片DDS輸出雷達(dá)模擬信號。同時(shí)通過串口與信號處理機(jī)交換信息，通過鎖存器向處理板提供控衰減控制信號。
　　DSP采用TI公司C6000系列中的TMS320C6416，系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)600MHz，數(shù)據(jù)處理速率可達(dá)4800MIPS。提供32/16bit主機(jī)口，具有兩個(gè)獨(dú)立的外部存儲器接口，其中EMIFA支持64bit總線寬度。
　　2．3 信號生成模塊
　　DDS信號產(chǎn)生模塊采用三片ADI公司生產(chǎn)的AD9852ASQ，它們同時(shí)生成三路中頻信號。根據(jù)雷達(dá)體制和信號處理機(jī)要求不同，可分別對應(yīng)不同的信號，如雷達(dá)的目標(biāo)回波、雜波和發(fā)射信號，或外輻射源雷達(dá)的直達(dá)波、目標(biāo)回波和多徑信號，以及跟蹤雷達(dá)回波信號的和支路∑、俯仰左支路Δα以及方位差支路Δβ等。
　　
　　AD9852最高工作頻率300MHz，可工作在單頻、FSK、Ramped FSK、Chirp、BPSK五種模式。具有豐富的寄存器組，通過設(shè)置相應(yīng)控制字可方便生成多種信號。
　　2．3．1 總線及時(shí)序控制設(shè)計(jì)
　　AD9852的頻率、相位和幅度控制字的設(shè)置和控制信號的產(chǎn)生由TMS320C6416完成，AD9852可以看作是異步存儲設(shè)備與TMS320C6416的EMIFA相連，EMIFA采用32bit總線。
　　AD9852采用并行輸入，總線寬度為8位，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100MHz。為了提高控制DDS的速度，本系統(tǒng)采用了地址總線復(fù)用、數(shù)據(jù)總線、“分裂”的技術(shù)。即三片AD9852的6位地址線同時(shí)占用TMS320C6416地址總線A2～A7位，而它們的數(shù)據(jù)線分別占用TMS320C6416數(shù)據(jù)總線的D0～D7、D8～D15和D16～D23位。這樣可以由DSP對三片DDS的I/O緩沖寄存器同時(shí)進(jìn)行寫操作，提高了總線利用率，并保證了三片AD9852輸出信號的相位相參。TMS320C6416與AD9852接口示意圖如圖2所示。
　　三片AD9852的控制時(shí)序信號由EPLD產(chǎn)生。本設(shè)計(jì)采用ALTERRA公司生產(chǎn)的可編程邏輯器件EPM7128AETC100，對TMS320C6416的高位地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號編碼，產(chǎn)生三片AD9852全局復(fù)位、讀/寫使能、頻率或相位切換等控制信號。
　　寫入AD9852的數(shù)據(jù)先存入I/O緩存器，在I/O更新信號到來時(shí)寫入相應(yīng)的寄存器改變AD9852的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中，I/O更新信號既可以由DSP寫完控制字后產(chǎn)生，也可由EPLD將系統(tǒng)時(shí)鐘分頻定時(shí)產(chǎn)生，兩種方式的選擇以及分頻倍數(shù)的控制同樣由EPLD對TMS320C6416的信號編碼實(shí)現(xiàn)。