基于软件无线电的卫星通信模拟源设计

1引言   

       雷达是无线电测向和测距，测距是其主要的功能之一，雷达是通过测试发射脉冲和目标回波之间的时间差来测量目标距离的。雷达模拟器的主要功能是逼真地模拟雷达接收到的目标回波。根据雷达模拟器的输出频率可以将雷达模拟器分为射频雷达模拟器、中频雷达模拟器及视频雷达模拟器。在雷达模拟器中，目标航路通常是由计算机实时计算产生的。如何将实时计算的目标距离数据转化为模拟的目标回波是设计雷达模拟器需要解决的关键问题之一。对高重复频率的雷达而言，由于存在距离模糊，雷达通常使用多个不同的重复频率，这就要求回波模拟电路必须具备适应不同重复频率的功能，而且在雷达切换重复频率的瞬间模拟电路必须能够快速适应。   

       我们在研制某种型号雷达模拟器的过程中遇到了以上问题，为此设计了基于FIFO的目标距离脉冲模拟电路，此模拟方案具有与雷达发射脉冲频率无关、自动适应雷达模拟发射脉冲频率变化、适应高重复频率和易于使用EPLD实现等优点。

       2基于FIFO的脉冲模拟电路   

       图1是雷达测距原理图。雷达接收机通过测量发射脉冲和回波脉冲之间的时延来测量目标距离，一般用下式表示：   

       式中，c为光速；T为发射脉冲重复频率。雷达的最大单值测距范围由其脉冲重复周期T决定。为保证单值测距，通常应选取

       式中，Rmax为雷达的最大作用距离。

图1雷达测距原理

       有时雷达重复频率的选择不能满足单值测距的要求，例如脉冲多普勒雷达或远程雷达，这时目标回波对应的距离R为（m为正整数）

       式中，τ1为测得的回波信号与发射脉冲间的时延。这时将产生测距模糊，如图2所示，为了得到真实的距离R，必须判明式（2）中的模糊值m。

图2雷达测距模糊（m=1）

        常用的距离解模糊方法有多重复频率解模糊和舍脉冲解模糊等方法[1]，在此不再赘述。   

        对有距离模糊的雷达回波模拟器而言，必须准确地模拟每1个回波脉冲。如果使用记发射脉冲个数m、再模拟τ1的方法，必须准确知道雷达发射脉冲的周期T，否则会造成距离模拟误差，而且此误差随目标距离的增大而增大。我们在开发某种雷达模拟器的过程中设计了一种新的模拟方法，能够克服以上缺点。  

       由1个计数器、加法器、比较器、FIFO以及相应的控制电路构成。其结构如下图3所示。

图3基于FIFO的目标距离脉冲模拟电路框图

       其设计的基本思想是：将目标距离按时钟频率量化生成延时数据锁存在锁存器2中，利用计数器产生1个循环的数值序列作为时间基准，雷达每发射1个脉冲的同时，锁存器1冻结，加法器将两个锁存器的输出相加，其结果表示目标回波应该出现的时刻，在控制电路的控制下将加法器结果存入先进先出（FIFO）存储器；FIFO的输出为下1个回波脉冲出现的时刻，它和时间序列在比较器内进行比较，如果两者相等则说明当前时刻应该输出1个回波脉冲，同时此脉冲又驱动FIFO将下1个数据送到比较器，为下1个脉冲输出作准备。在整个工作过程中只用到雷达的发射脉冲。   

       下面以1个具体例子说明其工作原理。

       设时钟频率为20MHz（周期为50ns），计数器字长16位，易知计数器每隔216×50=3276800ns溢出1次，此时间对应距离为491.52km,即此电路模拟的目标最远为491.52km；假设目标处在100km外，因为时钟周期为50ns，对应的距离为7.5m，延时数据为100×103/7.5=13333；这个数据表明发射脉冲发出以后再过13333个时钟周期回波应该出现。假定第1个发射脉冲发射时计数器的计数值为10000，两者相加得23333，此值送到FIFO后，出现在FIFO的输出端，当计数器计到23333时，比较器输出1个脉冲。可见整个电路的工作不需要知道雷达的重复周期。   

         当没有距离模糊时，FIFO在逻辑上和1个16位锁存器等价，即FIFO的使用深度总为1；当存在距离模糊时，第一个发射脉冲的回波还没有出现时，第二个发射脉冲已经发射，这样第二个发射脉冲对应的回波时间存储在下1个FIFO单元中，当第一个回波产生后，在控制电路的作用下将FIFO中下1个位置的数据送到比较器，为第二个回波的产生作准备。可见FIFO的深度决定了最大的模糊值mMAX。   

        3提高距离模拟精度的方法   
        显然计数器和加法器的溢出不会影响距离模拟的准确性，因为加法器的位数和计数器的位数是一样的，只要目标距离不超过最大模拟距离，则模拟就是准确的。以上电路我们均已集成到EPLD中（EPF10K10）FIFO使用两片CY7C421[4]（512×9），经过实际使用，效果良好。

        因为EPLD及FIFO的速度有限，所以计数器时钟不可能很高。我们在实验中发现，当时钟频率接近器件的标称值时，整个电路工作不稳定，实际使用时一般只能作到30MHz左右。这样，模拟目标的距离量化单位大概在5m以上。不适用于精度较高的雷达。   

        为此，可在以上电路的基础上，再加一些修改，例如选用20MHz时钟周期为50ns，距离精度为7.5m，如果按12.5ns量化即将距离量化单位改为12.5ns（1.87m）。将时延数据的高16位锁存在锁存器2中，则电路输出量化单位仍为7.5m，根据低两位数据，再对输出的脉冲进行延时（以12.5ns为单位），就可以将量化精度提高4倍，简单稳定的方法是用EPLD中的门电路实现延时。

        4结束语   

        本文介绍的距离模拟电路是按照真实的目标测距过程设计的，其延时精度高，工作稳定，对雷达的要求低（只需雷达提供发射脉冲）且不受雷达变重频、扣脉冲的影响。经过实际使用，效果良好。