趙建軍，肖雄波，朱民權(quán)，楊利斌

（1.海軍航空工程學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍92910部隊(duì) 浙江 舟山 316000）

在雷達(dá)裝備設(shè)計(jì)和雷達(dá)性能評(píng)估的各種實(shí)驗(yàn)中，雷達(dá)回波信號(hào)模擬器用于雷達(dá)裝備性能的測(cè)試和實(shí)際工作狀態(tài)仿真，設(shè)計(jì)高仿真的雷達(dá)脈沖信號(hào)模擬器，能在一定程度上提高設(shè)備的設(shè)計(jì)效率和調(diào)試準(zhǔn)確度，并且可以大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)難度，降低實(shí)驗(yàn)成本，增加實(shí)驗(yàn)靈活性[1-2]。

某雷達(dá)對(duì)全空域或者某空域進(jìn)行空中、海面觀測(cè)，某火控系統(tǒng)接收某雷達(dá)的一次視頻信息，對(duì)某雷達(dá)的一次雷達(dá)信息進(jìn)行處理，解算目標(biāo)的現(xiàn)在點(diǎn)坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，同時(shí)將有關(guān)信息傳輸?shù)街缚刂行摹?/p>

某雷達(dá)有跟蹤和搜索兩種工作方式，有兩個(gè)信號(hào)輸出通道（主通道A1和備用通道A2），輸出給某火控系統(tǒng)的一次視頻信息有：零距離脈沖ZERODSTN，相對(duì)零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點(diǎn)脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART，模擬視頻信息BC，波束當(dāng)前方位的13位并行碼HSQ，波束當(dāng)前高低角的并行碼VSQ，雷達(dá)工作狀態(tài)標(biāo)志MOD，通道2接通信號(hào)A2ON。

筆者基于總線技術(shù)和FPGA技術(shù)，利用Xilinx公司的產(chǎn)品ISE 8.1軟件設(shè)計(jì)某火控雷達(dá)目標(biāo)視頻信息模擬器。

1 總體方案設(shè)計(jì)

搜索方式的時(shí)序如圖1所示。對(duì)目標(biāo)視頻信息的模擬，主要模擬包含目標(biāo)方位、仰角和距離的一次視頻信息。

圖1 搜索方式工作時(shí)序圖Fig.1 Working sequence chart of searching mode

對(duì)目標(biāo)視頻信息的模擬采用可編程邏輯器件的實(shí)現(xiàn)方案[3-4]，實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖2所示?？偩€控制器實(shí)現(xiàn)PC/104總線與計(jì)數(shù)器模塊的接口，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)方位角計(jì)數(shù)、仰角計(jì)數(shù)、距離計(jì)數(shù)，并接收當(dāng)前計(jì)算機(jī)的方位角、仰角、距離量，實(shí)時(shí)生成數(shù)字視頻信息。

圖2 總體設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Principle block diagram of overall design

1.1 總線控制器

總線控制器實(shí)現(xiàn)PC/104總線與計(jì)數(shù)器的接口，總線控制器轉(zhuǎn)換16位的地址信號(hào)、16位的數(shù)據(jù)信號(hào)、ALE、IOCS16、IOCHRDY信號(hào)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用16位數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為保證對(duì)數(shù)據(jù)有效讀寫(xiě)，采用延遲線技術(shù)。當(dāng)總線空閑時(shí)，即讀寫(xiě)信號(hào)均為高電平時(shí)，延遲線輸出為0，當(dāng)總線對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，在參考時(shí)鐘的輸入下，設(shè)定DEL2～DEL12為寫(xiě)數(shù)據(jù)有效，DEL2～DEL15為讀數(shù)據(jù)有效。具體的電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

1.2 計(jì)數(shù)器模塊

計(jì)數(shù)器模塊包括水平掃描計(jì)數(shù)器、垂直掃描計(jì)數(shù)器以及距離計(jì)數(shù)器，水平掃描計(jì)數(shù)器模塊完成全方位0～360°掃描計(jì)數(shù)，垂直掃描計(jì)數(shù)器完成垂直方向上通道1仰角范圍0～β1和通道2仰角范圍0～β2的掃描計(jì)數(shù)，距離計(jì)數(shù)器產(chǎn)生零距離脈沖ZERODSTN，相對(duì)零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點(diǎn)脈沖 DSTNTER，掃描起始脈沖 SCANSTART，下面分別介紹其設(shè)計(jì)方案。

1.2.1 水平掃描計(jì)數(shù)器

鑒于雷達(dá)天線為背靠背兩個(gè)通道，則通道1的方位角為計(jì)數(shù)器寄存器的值，通道2的方位角為計(jì)數(shù)器寄存器最高位取反后輸出數(shù)字量，水平掃描計(jì)數(shù)器的原理框圖如圖4所示。

圖4 水平掃描計(jì)數(shù)器的原理框圖Fig.4 Principle block diagram of horizontal scan counter

1.2.2 垂直掃描計(jì)數(shù)器

某雷達(dá)垂直方向?yàn)橄鄴呙?，通?仰角范圍為0～β1，通道2仰角范圍0～β2，假設(shè)某雷達(dá)由31個(gè)波束號(hào)組成，通道1和通道2的第個(gè)i波束號(hào)對(duì)應(yīng)的仰角為β1i，β2i，垂直掃描計(jì)數(shù)器以距離終點(diǎn)作為時(shí)鐘脈沖，對(duì)31個(gè)波束號(hào)進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，同時(shí)通道數(shù)據(jù)選擇電路選擇波束號(hào)對(duì)應(yīng)的通道1和通道2的角度值輸出，垂直掃描計(jì)數(shù)器的原理框圖如圖5所示。

圖5 垂直掃描計(jì)數(shù)器的原理框圖Fig.5 Principle block diagram of vertical scan counter

1.2.3 距離掃描計(jì)數(shù)器

距離計(jì)數(shù)器產(chǎn)生零距離脈沖ZERODSTN，相對(duì)零距離脈沖前置脈沖PRE，距離終點(diǎn)脈沖DSTNTER，掃描起始脈沖SCANSTART。假設(shè)雷達(dá)掃描周期為Tss，選用16位計(jì)數(shù)器，設(shè)16位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模值為M，若以4.8 MHz作為基準(zhǔn)時(shí)鐘，則距離計(jì)數(shù)器的分頻系數(shù)NR的計(jì)算表達(dá)式為

鑒于某雷達(dá)有跟蹤和搜索兩種工作方式，在這兩種工作方式下視頻脈沖的時(shí)序不同，確立如下的設(shè)計(jì)方案，原理框圖如圖6所示。

圖6 距離掃描計(jì)數(shù)器原理框圖Fig.6 Principle block diagram of distance scan counter

1.3 數(shù)字視頻脈沖計(jì)數(shù)器

數(shù)字視頻脈沖計(jì)數(shù)器在當(dāng)前方位角、仰角和距離輸出數(shù)字視頻脈沖，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為模擬視頻脈沖。若采用7位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)時(shí)鐘為CLK，則當(dāng)13位方位角計(jì)數(shù)器的寄存器的值、10位仰角計(jì)數(shù)器寄存器的值、16位距離計(jì)數(shù)器寄存器的值與總線發(fā)送過(guò)來(lái)的包含方位角、仰角、距離的數(shù)字信息同時(shí)相等時(shí)，觸發(fā)數(shù)字視頻脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而輸出視頻信息數(shù)字量至后端電路進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)字視頻脈沖計(jì)數(shù)器的原理框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)字視頻脈沖生成原理框圖Fig.7 Principle block diagram of digital video formation

2 硬件電路功能仿真分析

2.1 總線控制器電路功能仿真

ISE仿真[6]如圖8所示。仿真表明，按照?qǐng)D5設(shè)計(jì)的電路，功能時(shí)序滿足PC/104總線的時(shí)序關(guān)系，表明電路功能的正確性。

2.2 水平掃描計(jì)數(shù)電路功能仿真

假設(shè)分頻系數(shù)NH=1 456，其ISE電路仿真如圖9所示。仿真結(jié)果表明，10位計(jì)數(shù)器在清零信號(hào)的作用下從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)至1 023后歸0重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，功能滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 垂直掃描計(jì)數(shù)電路功能仿真

假設(shè)采用5位計(jì)數(shù)器對(duì)31個(gè)波束號(hào)進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，垂直掃描計(jì)數(shù)器ISE電路仿真如圖10所示。仿真結(jié)果表明，5位計(jì)數(shù)器在清零信號(hào)的作用下從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)至31后歸0重新開(kāi)始計(jì)數(shù)，功能滿足設(shè)計(jì)需求。

圖8 總線控制器電路仿真圖Fig.8 Circuit simulation diagram of bus controller

圖9 水平掃描ISE電路仿真圖Fig.9 ISE circuit simulation of horizontal scan

圖10 垂直掃描ISE電路仿真圖Fig.10 ISE circuit simulation of vertical scan

2.4 距離掃描計(jì)數(shù)電路功能仿真

以搜索方式為例，基準(zhǔn)時(shí)鐘為40 MHz，搜索方式下距離掃描仿真如圖11所示。仿真結(jié)果滿足圖1所示的搜索方式視頻信息時(shí)序圖，功能仿真滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 搜索方式下距離掃描仿真圖Fig.11 Circuit simulation diagram of distance scan in searching mode

3 軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)掃描計(jì)數(shù)器模塊接收計(jì)算機(jī)的控制指令，計(jì)算機(jī)模擬目標(biāo)的距離、方位角、仰角，并將距離值和角度值轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)器的值，通過(guò)總線控制器發(fā)送到各個(gè)計(jì)數(shù)器模塊的寄存器。計(jì)數(shù)器模塊按照計(jì)算機(jī)設(shè)定的工作方式和通道指令，在對(duì)應(yīng)點(diǎn)輸出數(shù)字視頻信息，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬視頻信息。軟件控制流程如圖12所示。

圖12 軟件控制流程圖Fig.12 Flow chart of software control

4 結(jié) 論

筆者針對(duì)某火控系統(tǒng)接收目標(biāo)視頻信息的特點(diǎn)和某雷達(dá)的工作方式以及工作時(shí)序，采用CPU＋FPGA的方式，設(shè)計(jì)了目標(biāo)視頻信息模擬器，結(jié)合ISE 8.1軟件進(jìn)行了電路功能仿真，并轉(zhuǎn)化為硬件實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有可行性和有效性。該模擬器已經(jīng)和火控系統(tǒng)完成了對(duì)接實(shí)驗(yàn)并得到應(yīng)用，為模擬訓(xùn)練和火控系統(tǒng)維修保障提供了方便，具有重大的軍事經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，該模擬器的設(shè)計(jì)思路可推廣到其他雷達(dá)模擬器的設(shè)計(jì)中。

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