鄧 波，王厚軍，王志剛

（電子科技大學(xué)，四川 成都 610054）

1 引 言

現(xiàn)代電磁環(huán)境具有復(fù)雜多變的特征，而在軍事領(lǐng)域中，由于各類(lèi)電子設(shè)備如雷達(dá)及導(dǎo)彈武器等的大量使用，形成了復(fù)雜、多變且具有嚴(yán)重威脅的電子對(duì)抗環(huán)境。為了能夠在這樣復(fù)雜的電磁環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和定位，就需要能實(shí)時(shí)分離出目標(biāo)雷達(dá)的脈沖包絡(luò)并測(cè)量其相關(guān)時(shí)域參數(shù)，如幅度（PA）、脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）、上升/下降時(shí)間（TR/TF）和脈沖寬度（PW）等。能否實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得脈沖包絡(luò)的時(shí)域參數(shù)直接影響偵查設(shè)備的性能的好壞[1]。設(shè)計(jì)研究并提出了基于中頻數(shù)字化平臺(tái)對(duì)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)檢測(cè)出的目標(biāo)信號(hào)的包絡(luò)波形相關(guān)時(shí)域參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法，并最終在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具有實(shí)時(shí)性好、精度較高等特性，可以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)的識(shí)別和定位。

2 脈沖參數(shù)定義

現(xiàn)代通信中，為了實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)在天線端的發(fā)送或?qū)崿F(xiàn)不同信號(hào)源、不同系統(tǒng)的頻分復(fù)用，提高信道利用率、發(fā)射效率以及改善通信質(zhì)量，都在發(fā)送方進(jìn)行調(diào)制，即在發(fā)射端將信號(hào)從低頻段變換到高頻段，而在接收端再將其解調(diào)出來(lái)[2]。解調(diào)是在接收端將接收到的調(diào)制信號(hào)從高頻段變換到低頻段，恢復(fù)為發(fā)送方的原信號(hào)。包絡(luò)檢波的原理就是利用普通調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)反映調(diào)制信號(hào)波形變化的特點(diǎn)，提取該調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)即為原信號(hào)。設(shè)計(jì)中對(duì)脈沖包絡(luò)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的輸入波形是敵方雷達(dá)輸入信號(hào)經(jīng)絕對(duì)值法檢波及CIC濾波后的包絡(luò)信號(hào)輸入。

設(shè)計(jì)中的參數(shù)測(cè)量是要對(duì)經(jīng)絕對(duì)值法檢波及CIC濾波后的雷達(dá)脈沖包絡(luò)輸入信號(hào)的幅值（PA）、脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖上升時(shí)間（TR）及下降時(shí)間（TF）進(jìn)行測(cè)量[3]，各參數(shù)定義為[4]：

幅值（PA）：脈沖頂值與底值之差，當(dāng)輸入脈沖有高頻干擾信號(hào)時(shí)，頂值與底值即為比較穩(wěn)定的頂值區(qū)與底值區(qū)內(nèi)的平均值。

脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）：脈沖到達(dá)時(shí)間分為脈沖前沿到達(dá)時(shí)間和脈沖后沿到達(dá)時(shí)間，其定義為脈沖上升和下降到幅值的一半的時(shí)間點(diǎn)，脈沖到達(dá)時(shí)間又可以分為脈沖后沿到達(dá)時(shí)間和脈沖前沿到達(dá)時(shí)間，分別記為T(mén)OA+和TOA-。

脈沖寬度（PW）：脈沖幅值50%的兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，可以表示為T(mén)OA+和TOA-之間的時(shí)間寬度。

脈沖上升時(shí)間（TR）：脈沖幅度由幅值的10%上升到90%的時(shí)間。

脈沖下降時(shí)間（TF）：脈沖幅度由幅值的90%下降到10%的時(shí)間。

3 脈沖參數(shù)測(cè)量設(shè)計(jì)

脈沖波形參數(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量是實(shí)時(shí)地識(shí)別、告警、正確引導(dǎo)干擾系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行干擾的前提。參數(shù)測(cè)量模塊主要是完成前級(jí)檢波結(jié)果的輸入脈沖波形的上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度、到達(dá)時(shí)間及幅值等時(shí)域參數(shù)的測(cè)量[4-6]。

3.1 脈沖幅值（PA）測(cè)量

幅值測(cè)量是求幅值區(qū)各采樣點(diǎn)的幅值之和的平均值所得，即：

式中：M——幅值區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)；

SPK——各采樣點(diǎn)的幅值。

幅值區(qū)的求取是通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)求導(dǎo)數(shù)獲得，由于在幅值區(qū)內(nèi)，信號(hào)的導(dǎo)數(shù)基本為零，而在上升沿和下降沿的開(kāi)始和結(jié)束部分其導(dǎo)數(shù)都有較大的跳變，由此可以確定幅值區(qū)的開(kāi)始和結(jié)束位置，從而求平均值得到脈沖信號(hào)的幅度值。

3.2 脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）測(cè)量

脈沖到達(dá)時(shí)間分為脈沖前沿到達(dá)時(shí)間和脈沖后沿到達(dá)時(shí)間，根據(jù)計(jì)算出的脈沖幅值PA，找出-6 dB門(mén)限附近的兩點(diǎn)A和B，以它們的連線與-6 dB門(mén)限的交點(diǎn)確定TOA，交點(diǎn)與A點(diǎn)的時(shí)間偏移量，再加上A點(diǎn)的時(shí)間TA，即為T(mén)OA。該設(shè)計(jì)中只給出脈沖前沿到達(dá)時(shí)間計(jì)算方法，后沿到達(dá)時(shí)間與前沿到達(dá)時(shí)間計(jì)算方法相似[7]：

3.3 脈沖寬度（PW）測(cè)量

脈沖寬度測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)計(jì)算出的脈沖前沿到達(dá)時(shí)間和脈沖后沿到達(dá)時(shí)間即可求得：

3.4 脈沖上升時(shí)間（TR）和下降時(shí)間（TF）測(cè)量

上升時(shí)間即為信號(hào)從其幅值的10%到90%所用的時(shí)間，根據(jù)以上計(jì)算出的幅值，可算得上升時(shí)間和下降時(shí)間的起始點(diǎn)和終點(diǎn)，分別設(shè)為T(mén)R-、TR+、TF-和TF+，則上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為T(mén)R+-TR-和TF+-TF-。

根據(jù)以上參數(shù)測(cè)量原理，設(shè)計(jì)脈沖參數(shù)測(cè)量總體框圖如圖1所示。

由此原理設(shè)計(jì)FPGA程序框圖如圖2所示。其中False_Alarm模塊是根據(jù)預(yù)設(shè)的脈沖上升時(shí)間TR_Preset信號(hào)判斷干擾信號(hào)，當(dāng)輸入的脈沖信號(hào)上升時(shí)間小于預(yù)設(shè)的脈沖上升時(shí)間的50%時(shí)，視為干擾信號(hào)，置輸出Real_Pulse無(wú)效，后級(jí)參數(shù)測(cè)量模塊不予處理，從而達(dá)到去除干擾的目的。

圖1 參數(shù)測(cè)量總體框圖

模塊Parameter_Measure是參數(shù)測(cè)量模塊，該模塊同時(shí)輸出脈沖包絡(luò)的各參數(shù)值。由于不同雷達(dá)信號(hào)的頻率范圍較寬，脈內(nèi)跳頻較大，但其上升時(shí)間和下降時(shí)間基本固定[7-8]，變化不大。由此特性，邏輯設(shè)計(jì)中將輸入脈沖包絡(luò)緩存預(yù)估脈沖上升時(shí)間TR_cal的兩倍時(shí)間，從而可以完全包含幅值區(qū)的開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)，由此即可測(cè)出幅值。由于雷達(dá)信號(hào)脈內(nèi)跳頻相對(duì)較大，即脈沖幅值區(qū)的寬度相差較大，設(shè)計(jì)中幅值區(qū)內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)固定為上升時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)。當(dāng)幅值區(qū)較寬時(shí)，幅值區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到上升時(shí)間的采樣點(diǎn)數(shù)后，若幅值區(qū)還在持續(xù)，則以后每次幅值區(qū)內(nèi)新的采樣值替換前一個(gè)值保存，即將當(dāng)前采樣點(diǎn)的值作為新的幅值，從而達(dá)到節(jié)約邏輯資源并自適應(yīng)脈內(nèi)跳頻的效果，最終輸出的幅值是將幅值區(qū)內(nèi)上升時(shí)間點(diǎn)個(gè)數(shù)的幅度值采樣點(diǎn)求平均值即可；若幅值區(qū)較窄，區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)小于上升時(shí)間點(diǎn)數(shù)，則對(duì)幅值區(qū)內(nèi)的采樣值求平均值即可。根據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出的脈沖幅值可以計(jì)算出各參數(shù)前后采樣點(diǎn)的值，從而可以得到各參數(shù)的開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)，計(jì)算始點(diǎn)和終點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)，用點(diǎn)數(shù)值乘以采樣時(shí)鐘周期即為測(cè)得的各參數(shù)值，并在脈沖結(jié)束時(shí)同時(shí)輸出測(cè)得的各脈沖參數(shù)。

圖2 參數(shù)測(cè)量邏輯設(shè)計(jì)

4 仿真結(jié)果

在仿真階段，設(shè)計(jì)中的輸入波形用Matlab產(chǎn)生.mif文件模擬，其波形如圖3中Data_Detected所示。該信號(hào)是經(jīng)過(guò)絕對(duì)值檢波器、CIC濾波器之后的雷達(dá)脈沖包絡(luò)信號(hào)，該脈沖包絡(luò)信號(hào)經(jīng)參數(shù)測(cè)量模塊后所得的仿真結(jié)果如圖3所示，實(shí)際輸入脈沖包絡(luò)信號(hào)的各參數(shù)值分別為：PA=145、PW=485、TOA=120、TR=240、TF=140。

圖3 仿真參數(shù)測(cè)量輸出

由此可知，經(jīng)絕對(duì)值檢波、CIC濾波后輸入的脈沖包絡(luò)波形的參數(shù)測(cè)量仿真結(jié)果跟實(shí)際波形參數(shù)基本一致，仿真所得波形參數(shù)與實(shí)際波形參數(shù)相差最大的是下降時(shí)間TF，誤差為真實(shí)時(shí)間的5%。所以設(shè)計(jì)參數(shù)測(cè)量結(jié)果精度較高，可以用于對(duì)目標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)的識(shí)別和定位，且設(shè)計(jì)都是在FPGA中進(jìn)行，沒(méi)有用到乘法器等資源占用量大的模塊，節(jié)省資源的同時(shí)也提高了運(yùn)行速率，可以達(dá)到波形時(shí)域參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量的目的[9]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)中選用德州儀器的TMS320VC5416這款DSP芯片進(jìn)行系統(tǒng)功能的在線測(cè)試，輸入波形為仿真時(shí)輸入的脈沖包絡(luò)，經(jīng)DSP仿真器輸出數(shù)據(jù)如圖4所示。

脈沖包絡(luò)信號(hào)連續(xù)輸入，參數(shù)測(cè)量模塊對(duì)輸入的每一個(gè)脈沖包絡(luò)的時(shí)域參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并依次存儲(chǔ)到從0x4 000開(kāi)始的空間中，輸出順序依次為幅值PA、脈沖寬度PW、下降時(shí)間TF、到達(dá)時(shí)間TOA和上升時(shí)間TR所持續(xù)的采樣點(diǎn)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中的采樣頻率為66MHz，各參數(shù)所持續(xù)采樣點(diǎn)數(shù)乘以采樣周期1/66μs即為所得的各參數(shù)值。

5.1 精度分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，測(cè)得的值與實(shí)際值相差很小，誤差最大的參數(shù)是下降時(shí)間TF，誤差為4.3%，時(shí)間誤差為（1/66）×0.043=0.65 ns，誤差根據(jù)實(shí)際采樣率的不同而不同，降低采樣率會(huì)導(dǎo)致精度的降低，但由于采樣點(diǎn)數(shù)的減少，可以提高信號(hào)處理速度。如用20 MHz的采樣率時(shí)，最大時(shí)間誤差即為0.043×（1/20）=2.15 ns，測(cè)量精度較高，可以滿足精度要求。

5.2 實(shí)時(shí)性分析

由設(shè)計(jì)可知，脈沖包絡(luò)的采樣值是在采樣點(diǎn)順序輸入FPGA的同時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)脈沖信號(hào)結(jié)束后，輸出各參數(shù)的時(shí)間延遲分別為：PAdelay=2Ts、TOA-delay=TOA+delay=4Ts、TRdelay=2Ts、PWdelay=2Ts、TFdelay=2Ts，由此可知輸出脈沖參數(shù)時(shí)間延遲為：

所以，脈沖包絡(luò)后沿結(jié)束242.2 ns后即可完成測(cè)量并輸出，完全可以滿足實(shí)時(shí)性測(cè)量的要求。

圖4 DSP實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)脈沖包絡(luò)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，具有良好的實(shí)時(shí)性和較高的測(cè)量精度，可以用于后續(xù)DSP算法中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)的定位和識(shí)別。設(shè)計(jì)沒(méi)有用到乘法器等資源占用量很大的模塊，節(jié)約硬件資源的同時(shí)也縮短了運(yùn)行時(shí)間，從而達(dá)到了較好的實(shí)時(shí)性目的，最終獲得了較為準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)時(shí)域參數(shù)，在雷達(dá)識(shí)別和定位領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。

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