1、 南京航空航天大学硕士学位论文雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析姓名：陈振华申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：潘明海;朱根才20090101南京航空航天大学硕士学位论文摘要在现代雷达系统设计的过程中，雷达射频仿真系统研制已经成为其中的重要环节。雷达目标模拟系统是雷达射频仿真系统中产生目标、杂波和干扰信号的分系统，是雷达射频仿真系统中的重要组成部分，其性能的优劣对整个雷达射频仿真系统的性能具有举足轻重的影响。由于现代宽带雷达的基带信号带宽可高达几百兆赫兹，因此其雷达目标模拟系统须具有宽带相参的特点，其硬件电路是典型的高速电路，必须考虑信号完整性问题。本文首先详细阐述了
2、宽带相参雷达目标模拟系统的组成及原理，针对模拟器宽带相参的特点，提出了一种基于数字射频存储技术（DRFM）的模拟器系统解决方法，并设计实现了瞬时带宽为400MHz 的数字射频信号采集、存 储及实时处理系 统的高速硬件电路。可以满足瞬时带宽达400MHz的相参雷达目 标 、杂波与干扰等信号的模拟 要求。本文结合雷达目标模拟器400MHz带宽数字射频处理通道高速 电路的设计过程，对高速电路的信号完整性问题进行了较为深入的研究，分析了问题产生的原因并给出了高速电路PCB设计的信号完整性原则。在利用EDA软件Cadence对模拟器400MHz带宽数字射频处理通道PCB 进行信号完整性仿真过程中，针对现
3、有的SPI CE 模型到I BI S模型转化方法未考虑LVDS等差分类信号的缺点，提出了一种改进的模型转化方法，可以有效地消除现有方法因未考虑差分信号特点而产生的失真，并且使用转换得到的高速A/D 的IBIS 模型对400MHz 通道PCB进行信号完整性仿真。仿真的结果证明了转换方法的正确性，验证了400MHz带宽 数字射频处理通道的PCB 设计能够满足信号完整性要求。关键词：射频仿真，目标模拟，数字射频存储，高速电路，信号完整性,相参雷达I雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析Abstract In the modern radar system design process, th
4、e development of Radar RF simulation system hasalready become an important part . Radar target simulation system, Which simulates radar target ,clutter and jamming signals, is the key sub-systems of Radar RF simulation system, its performancehave the pivotal influence to the entire system. As the ba
5、se-band signal bandwidth of modernbroadband radar can be as high as hundreds megahertz., its radar target simulator must be broadbandand coherent,and its hardware circuit is the typical high-speed circuit, must take into account signalintegrity issues.In the beginning, the composition and principle
6、of the broadband coherent radar target simulatoris elaborated in detail. Considering the broadband coherent feature, one simulator solution based onDigital RF Memories technology (DRFM) is proposed in this paper. And the high-speed circuit ofsimulator is designed and realized,it can satisfy the simu
7、lation request of the broadband coherent radartarget, clutter and jamming signals. Whose instantaneous bandwidth is as high as 400MHz.Combining with the high-speed circuits design process of 400MHz bandwidth Digital RFchannel, some comparatively deeply research on Signal integrity issues of high-spe
8、ed circuit is done,then analyse the reasons for it and give the SI principle of high-speed circuit PCB design. Afterrouting ,In the SI simulation process to the simulator 400MHz channel PCB with Cadence, In view ofthe disadvantage of the existing method of Transforming LVDS Spice Model to IBIS Model
9、 withoutconsidering the differential signal such as LVDS, one improved method is presented,which caneffectively eliminate the distortion which results from not considering the differential signalcharacteristic .and then using the transformed IBIS model of A/D chip to do SI simulation for400MHz bandw
10、idth Digital RF channel PCB,The simulation result indicate that the method iseffective,accurate and the PCB design of simulator 400MHz bandwidth Digital RF channel can meetthe SI requirement.Keywords: RF simulation, target simulation,DRFM, high-speed circuit, signal integrity, coherentradarII南京航空航天大
11、学硕士学位论文图、表清单图 2.1雷达射频仿真系统总体框图.5图 2.2 DRFM的原理框图（单通道） .7图 2.3 DRFM的原理框图（正交双通道） .7图 2.4基于 DRFM的相参雷达目标、杂波与欺骗干扰模拟系统框图9图 2.5模拟器系统硬件总体框图.10图 2.6高速数据处理通道硬件电路框图. 11图 2.7高速数据处理通道硬件电路 PCB 走线图 .13图 2.8高速数据处理通道 PCB 实物图 .14图 2.9基于 DRFM的模拟器 400MHz 带宽数字射频处理通道硬件电路框图15图 2.10 AT84AD004外围接口电路框图 .16图 3.1 Cadence SigWave
12、仿真的芯片接收端典型波形19图 3.2 PCB中典型的单一网络 走线图 .20图 3.3均匀传输线模型.21图 3.4典型的 PCB走线截面 图.22图 3.5入射信号从不匹配的负载终端反射回来.22图 3.6计算传输线上多次反射的格形图.23图 3.7相邻走线串扰示意图.25图 3.8相邻走线互容示意图.25图 3.9相邻走线容性串扰及感性串扰示意图.26图 3.10静态线容性耦合近端电压噪声及远端电压噪声.27图 3.11 LVDS信号 PSPICE 仿真波形29图 3.12边缘耦合微带差分对差分信号驱动示意图.30图 3.13两种差分对形式.30图 3.14模拟器 400MHz 带宽 数
13、字射频处理通道 PCB 叠层结构 .32图 3.15模拟器 400MHz 带宽 数字射频处理通道 PCB 布局图 .34图 3.16 PCB中差分对布线约 束.35图 3.17模拟器 400MHz 带宽 数字射频处理通道 PCB 布线图 .35图 4.1基本的 COMS输入输出缓冲模型组成图 .37图 4.2 IBIS模型的组成40V雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析图 4.3 A/D LVDS驱动电路结构框图.42图 4.4 LVDS驱动输出电路.42图 4.5输出 OUTP，OUTN电压及差分电压波形图 .43图 4.6提取驱动电路 Pull-up I/V曲线的电路框图44图
14、4.7 PSPICE仿真得到的 Pull-up I/V曲线44图 4.8 Pull-up 在 Ground Relative坐标下的曲线 45图 4.9 PSPICE仿真得到的 Pull-down I/V曲线.45图 4.10提取驱动电路 Rising与 Falling V/T曲线曲线的电路框图46图 4.11 PSPICE仿真得到的 Rising与 FallingV/T曲线46图 4.12仿真网络的拓扑结构.47图 4.13使用转换 IBIS模型的仿真波形 .47图 4.14高亮的走线是 400MHz带宽数字射频处理通道 PCB中要仿真的网络 .48图 4.15仿真网络的拓扑结构.49图 4
15、.16仿真得到的输出端和接受端的波形.49图 4.17 400MHz 带宽数字射频处 理通道 PCB 实物图.50表 2.1 26bi t传输数据定义.12表 3.1常用半固化片厚度及其介电常数32表 3.2常用芯板厚度及其介电常数.33VI南京航空航天大学硕士学位论文注释表RFSSDRFMLVDSSIRadio Frequency Simulation System（射频仿真系统）Digital Radi o Frequency Memories（数字射频存储）low voltage differential signal（低压差分信号）Signal Integrity（信号完整性）PI P
16、ower Integrity（电源完整性）SPICE Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis（以集成电路为对象的仿真程序）IBIS Input/Output Buffer Information Specification（输入输出缓冲模型规范）VII承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或
17、部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日 期：南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1 引言雷达是对远距离目标进行无线电探测、定位、测轨和识别的电子设备，无论军用还是民用，其都占据非常重要的位置 1 。随着现代电子信息技术的迅速发展，特别是数字信号处理技术（DSP）、超大规模集成电路、计算机技术以及通信技术的高速发展，促使雷达性能的不断提高，高距离分辨雷达、合成孔径雷达、宽带、超宽带雷达、双（多）基地雷达等纷纷问世。其中宽带、超宽带雷达因其高距离分辨率、强抗干扰能力、低截获率等优异的性能受到越来
18、越多的关注。美国国防部近几年一直将超宽带雷达技术列为国防关键技术计划中的重要研究内容。过去雷达性能的评估方法，一般是通过对目标在外场试验获得，但是在外场模拟真实战场的复杂电磁环境是非常困难而且耗资巨大，难以全面测量雷达系统在各种复杂环境下的性能参数的 ,再加上环境、配套服务等诸多因素的影响，因此，在现代雷达系统的设计、试验、训练过程中，不可能总是采用真实目标。通常情况下，通过雷达射频仿真系统中的雷达目标模拟器可以仿真出各种符合实验要求的目标信号，且操作简单、代价低、可重复性强，给雷达系统的设计带来了极大的便利。但是对于宽带、超宽带雷达，由于其相对带宽和绝对带宽都比较宽，且在此带宽内系统的幅度频
19、率特性和相位频率特性必须满足严格的要求，因此对其雷达目标模拟器的设计和研制也提出了更高的要求。1.2雷达射频仿真技术的发展一台雷达在研制过程中，需经历大量的目标、杂波实验才能验证及评价其战术、技术性能指标能否满足实战要求。雷达射频仿真系统是一种半实物仿真系统，是在微波暗室中通过仿真手段建立起来的电磁环境来模拟雷达目标和环境的电磁散射特性。可以在复杂电磁环境下（存在空中、地面、海面目标的欺骗式、宽带压制式等干扰情况），为现代雷达、电子对抗及其它射频系统提供实验室条件下的系统仿真、系统性能测试、系统性能验证与技术指标评估、系统和分系统开发以及故障诊断手段等。其仿真试验可以灵活便捷地再现雷达可能面对
20、的各种环境和条件，而且数据稳定可靠、重复性好。因此在雷达试验及鉴定过程中可以快速而准确地对设备的性能进行全面而系统的考核。从而取代部分气球及飞机校飞，甚至实弹发射，还没有电波泄密的危险。在现代电子战争中，确实是一种既经济又可靠的试验方法。雷达射频仿真技术以其真实、经济、方便、用途广的特点，在各种雷达的研制定型中得到越来越广泛的应用，大大促进了雷达技术的发展。1雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析目前国外的仿真系统已经发展的较完备，最有代表性的如美国陆军的高级仿真中心 (ASC)始建于 1960年代，ASC的半实物仿真系统支持全波段的射频制导导弹从发射到拦截全过程的半实物仿真。已经支持
21、了“爱国者”导弹(PAC3),“地狱火”导弹和“霍克”导弹 23 等项目的开发。因保密原因，国外关于现代雷达系统的半实物仿真技术研究与应用的情况在公开发表的文献资料中很难看到。我国半实物仿真技术的研究与应用始于 1980年代，目前的研究工作也主要集中在天线口径较小的窄带制导雷达系统上，已建成了多种制导雷达系统的半实物仿真系统。但是对于新体制雷达（如宽带、超宽带雷达）半实物仿真技术的研究在我国开展较晚，不仅试验设备还在逐步探索完善中，而且技术上还有很多难点，比如需要保证雷达模拟回波信号的相参性，保证其远场条件和宽的视场角条件；需要模拟多波束、多目标、复杂的杂波背景情况，需要进一步研究面、体目标的
22、半实物仿真技术。这些都是现代雷达半实物仿真技术研究的新课题。1.3宽带相参雷达目标模拟系统雷达射频仿真系统主要由阵列及阵列馈电系统、雷达目标模拟系统、阵列校准系统、微波暗室、飞行仿真转台、仿真主控计算机等子系统组成。其中雷达目标模拟系统是射频仿真系统中的重要组成部分，主要负责计算产生地海杂波、多目标、电磁干扰等信号。随着现代新体制雷达技术的飞速发展，雷达目标模拟技术也必须不断进行技术革新。由于现代宽带雷达的基带信号带宽可高达几百兆赫兹，因此其雷达目标模拟系统须具有宽带相参的特点。对于宽带相参雷达目标模拟系统来讲，一般采用数字射频存储处理（DRFM）技术来实现。DRFM技术可以高数据率的将雷达脉
23、冲信号按要求进行精确复制，特别是能够将雷达的一些脉内调制特征(如线性调频 方式，相位编码方式等) 无失真地复制下来，然后 对数据进行实时存储、处理和传输，由于整个过程采用了统一的高稳定性采样时钟及相关的高性能器件，确保产生的输出信号除了加入相应的延时外，与输入信号完全一致，即有良好的相参性，因此相参雷达目标仿真采用DRFM技术有很大的优势 3 7。DRFM技术并不是一个全新概念，早在上世纪60、70年代国外就提出采用数字射频存储技术实现雷达信号复制，但由于当时器件的局限性，数字射频存储只能在较低的频率和很窄的带宽上进行，并没有真正使用在工程上，近年来随着微电子技术和数字技术的迅猛发展，使得A/
24、D 、D/A 及存 储器的速度能够满足对射频信号和宽带信号的量化、存储要求，而高位数变换器的出现，使得其在A/D、D/A 变换过程中的信号损耗越来越小，从而保证了对原始信号的精确复制与再生。DRFM技术已经成为宽带相参雷达目标仿真领域的关键技术之一。2南京航空航天大学硕士学位论文1.4模拟器高速电路的信号完整性问题由于基于DRFM技术的宽带相参雷达目标模拟器实时存储、处理的雷达基带信号带宽高达几百兆赫兹，其硬件电路是典型的高速电路，因此设计实现模拟器硬件电路的关键是高速电路设计与信号完整性分析。高速电路的信号完整性( Signal Integrity，简称SI)指信号从驱动端沿传输线到达接收端
25、后波形的完整程度，随着电子系统中逻辑和系统时钟频率的提高和信号上升，下降时间的缩短，印刷电路板的线间互连和板层特性对系统电气性能的影响更加突出，高速数字电路设计中的信号完整性问题成为当今电子设计工程师不可回避的问题 912 。因此，在理论上对高速电路进行信号完整性分析并通过EDA仿真软件对 具体电路进行实验上分析是研究高速数字电路设计中的信号完整性的重要手段。现今，有关高速数字电路设计中的信号完整性还是一门尚未成熟的学科，虽然在国内外己有相关的理论书籍及有关的仿真软件和建模方法，由于其分析方法和实践都还没有很好的定义，还处于不断的探索阶段。一般以麦克斯韦电磁场理论和传输线理论作为研究高速数字电
26、路设计中的信号完整性的理论基础。对高速数字电路设计中的信号完整性进行有效的仿真分析，其关键是建立正确的仿真模型并采用EDA仿真软件对所设计的高速 电路进行分析、实验研究。目前在高速电子系统设计中己经有多种可以用于高速PCB 板级信号完整性分析的模型，其中最为常用的有两种：SPICE和IBIS模型 1318 。目前国外己经有多种仿真软件，如: Cadence 系列软件 19 、Mentor软件、Ansoft系列软件和PowerPCB 等，它们都是通过建立和运用相关模型，采用不同的分析方法，从不同的角度对高速数字电路设计中的信号完整性问题的某些方面进行分析。国内有关高速数字电路设计中的信号完整性的
27、研究起步较晚，应用也相对落后于国外，目前国内的高校、科研机构及企业已逐步认识到高速电路信号完整性分析技术的重要性，并开始进行这方面的研究、探索与应用。1.5本文研究内容及论文结构本文主要研究宽带相参雷达目标模拟系统的电路设计及模拟器高速电路的信号完整性分析与仿真。宽带相参雷达目标模拟系统是雷达射频仿真系统中的关键组成部分，文中详细阐述了宽带相参雷达目标模拟系统的工作原理，提出了一种基于数字射频存储（DRFM）技术的模拟器系统解决方法，设计实现了模拟器高速数据处理通道和400MHz带宽数字射频处理通道的硬件电路，并讨论了系统中关键芯片的功能、原理以及外围电路设计。给出了两高速数据处理通的PCB实
28、物图。由于模拟器400MHz带宽数字射频处理通道硬件电路LVDS总线工作频率高达500MHz，是典型的高速 电路，其 PCB设计必须考虑信号完整性( Signal Integrity，简称SI) 问题。本文重点在单一网络的信号完整性问题、传输线的串扰、差分对及差分阻抗三个方面对信号完3雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析整性问题进行了详细的理论研究，得到了一系列的布局、布线指导原则、约束条件。并以此指导设计400MHz 带宽数字射频处 理通道PCB 电路。由于对PCB进行布线后的信号完整性仿真可以尽可能的发现和消除隐藏的信号完整性问题，是高速电子系统设计过程中的关键环节。而进行信号完
29、整性仿真前提是获取芯片的相关模型，文中讨论了常用的SPICE模型和IBIS模型的语法及组成，提出了一种改进的LVDS差分驱动SPICE 模型到IBIS模型转化方法，并且使用转换得到的IBIS模型对400MHz 带宽数字射 频处理通道PCB 进行信号完整性仿真。仿真的结果证明了转换方法的正确性，验证了模拟器400MHz带宽数字射频处理通道 PCB板的设计满足信号完整性要求，最后给出了400MHz 带宽 数字射频处理通道的PCB 实物图。本文第一章介绍了发展雷达射频仿真系统的必要性、历史过程，以及设计宽带相参雷达目标模拟系统中硬件电路所遇到的信号完整性问题的产生原因和研究现状。第二章介绍了宽带相参
30、雷达目标模拟系统的原理，提出了基于DRFM技术的模拟器系统解决方法，设计实现了其硬件电路。第三章对高速电路设计中所可能遇到的信号完整性问题进行了较为深入的理论分析，得到了一系列的布局、布线指导原则、约束条件，并以此指导设计400MHz带宽数字射频处理通道PCB电路。第四章主要研究PCB布线后的信号完整性仿真，提出了一种 LVDS差分驱动SPI CE 模型到I BI S模型 转化方法，并用 转换得到的I BI S模型对400MHz带宽数字射频处理通道PCB进行布线后的信号完整性仿真。4南京航空航天大学硕士学位论文第二章宽带相参雷达目标模拟器高速电路设计2.1雷达射频仿真系统的原理和组成雷达射频仿
31、真系统的原理是在微波暗室中利用仿真手段和设备建立起来的电磁环境来逼真地模拟雷达目标、杂波及干扰等雷达回波信号。射频仿真系统在仿真主控计算机系统的控制下，根据雷达体制或信号波形的不同，将雷达目标模拟器生成的目标、杂波及干扰等模拟回波信号在微波暗室中通过天线面阵在特定的空间位置辐射出去供转台上的雷达捕获和跟踪，根据雷达捕获和跟踪的效果来判断雷达系统的性能 2 4。雷达射频仿真系统主要由阵列及阵列馈电系统、阵列校准系统、仿真主控计算机、微波暗室、飞行仿真转台、雷达目标模拟系统等子系统组成。其总体系统框图如图 2. 1所示。射频信号产生系统馈电系统阵列微波暗室 被测雷达转台目标射频信号控制杂波信号控制
32、干扰信号控制 阵列控制 转台控制 数据记录校准系统仿真主控计算机图 2. 1雷达射频仿真系统总体框图阵列及阵列馈电子系统主要由目标、干扰阵列及馈电系统、天线面阵等组成。它的主要功能是将雷达目标模拟系统计算产生的目标回波信号、杂波信号及各种干扰信号从天线面阵特定空间的等效位置辐射出去。从而可以模拟真实的雷达目标回波及干扰信号。5雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析阵列校准系统主要由校准设备组成，它是射频仿真系统中的校准工具，不参与仿真试验过程，主要用于阵列及馈电控制系统中参数的校准，即为控制计算机所存储的程控衰减器和程控相移器修正获得数据，从而用于对幅相控制部件进行补偿和控制。仿真主控
33、计算机系统主要由仿真主控计算机、目标与环境模型计算机、阵列控制计算机以及相关软件等组成。是射频仿真系统的总控系统，可以控制各子系统，使之协调一致的工作。微波暗室用于在地面的有效空间内模拟空中自由的电磁空间环境，为仿真试验提供和外界电磁隔离的措施，可以防止外来电磁波的干扰以及试验电磁波的泄漏。天线目标阵面及转台系统均置于其中。飞行仿真转台系统用于安装雷达，可以复现弹载雷达飞行中的姿态，在做仿真试验时，可以在主控计算机的控制下，做俯仰和偏移运动，以跟踪仿真目标的回波信号。雷达目标模拟系统主要功能是产生仿真试验所需的目标模拟信号、杂波及各种干扰信号，进而生成实际的雷达回波模拟信号。其能够模拟目标的距
34、离衰减特性、目标 RCS特性变化、幅度起伏、目标回波的时间延迟、多普勒频移等目标基本特征；能模拟地海杂波特性、气象杂波、欺骗式干扰以及压制式干扰等。对于宽带相参雷达射频仿真系统来说，还必须保证雷达的回波信号和发射信号的相参性。从频段范围上分，系统又可以分为基带和射频两部分。本文主要研究瞬时带宽达 400MHz 的相参雷达目 标模拟系统基带部分的硬件 设计。2.2宽带相参雷达目标模拟器高速电路设计对于本文研究的宽带相参雷达目标、杂波与欺骗干扰的模拟系统来讲，由于其基带瞬时信号带宽高达四百兆赫兹以上，为了保证模拟的回波信号和雷达发射信号的相参性，需要采用数字射频存储处理（DRFM）技术来实现 2
35、5，DRFM 可实现高数据率的雷达射频信号数据采集、数据存储、实时处理和传输。2.2.1数字射频存储处理技术数字射频存储处理技术（Digital RF Memories 简称 DRFM），其基本功能是存储和复制射频信号。数字射频存储器通过对接收到的射频信号进行高速采样、存储、变换处理和重构，实现信号捕获和保存的高速性、干扰技术的多样性以及控制的灵活性。其基本工作过程一般包括：将截获的射频波形下变频到中频或基带；采用高速 A D转换器对信号进行采样和量化，并存入存储器；利用高速 DA转换器将适当处理过的波形重建并 转换到模拟形式；采用下变频时用的同一本振信号进行上变频调制，重建射频干扰波形 4
36、5。由于其能对射频信号进行实时处理，因此模拟器是以数字射频存储处理（DRFM）为核心实现的。图 2. 2显示了单通道的 DRFM原理框图：6南京航空航天大学硕士学位论文图 2. 2 DRFM的原理框图（单通道）单通道DRFM虽然有结构简单的优点，但是主要缺点是采样频率高，而电路的设计会随着采样频率的提高而大大复杂化，以及带来更严重的高速电路信号完整性、EMC、EMI问题，由于模拟器所处理的雷达信号带宽高达400MHz，使用单通道技 术难度较高。通常使用正交双通道采样的DRFM技术，如图2. 3所示：低通滤波实时存储处理低通滤波器A/D D/A射频输入 求和电路cos( L0t) cos( L0
37、t)低通滤波器实时存储处理低通滤波器A/D D/Asin( L0t) sin( L0t)图 2. 3 DRFM的原理框图（正交双通道）它相当于两路共用采样、读出控制信号的单通道DRFM，图中sin(LOt )、cos(LOt )表示相互正交的本振信号。正交双通道DRFM一般采用正交下变频零中频处理，带宽B的输入信号正交下变频后频率范围为 - B / 2, B / 2。对于每一路储频电路的输入信号频率范围仅为 0, B / 2 ,它的采样频率只需 满足:fc B （2. 1）可以看出处理相同带宽的信号，可以降低采样的频率，从而使硬件电路设计难度降低。因此在设计中，带宽为 400MHz的射频通道采
38、用双路正交采 样（2路采样频率都为 500MHz 、8Bi t的 A/ D通道）、存储与信号 处理、双 D/ A 变换器（500MHz、12Bi t ）、模拟正交调制输出的双通道DRFM技术方法。现在 DRFM技术已经可以在较宽的频带范围内“克隆”生成被测试雷达仿真的目标信号，且不论是什么体制，随着超大规模、高速、高精度集成电路的不断问市，数字射频存储技术得以迅速发展，处理的瞬时带宽越来越大，射频存储时间越来越长。按目前高速集成7雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析电路的水平，幅度量化 DRFM的瞬时带宽可以做到 1GHz ，幅度量化达 8bi t。2.2.2宽带相参雷达目标模拟器工
39、作原理雷达回波信号的模拟主要包括雷达目标回波信号模拟、地海杂波信号模拟、欺骗干扰模拟三个部分。对于相参宽带雷达系统来说，由于其宽带相参性，其回波信号仿真可以看作是雷达发射的脉冲信号经过一个系统后的输出或者可以理解为雷达发射信号和一种系统函数的卷积，该系统的系统函数取决于目标、环境信息，反映了目标、环境的电磁散射特性、距离、速度等参数。雷达目标回波信号的主要特征包括目标的幅度信息、频率域信息和时域信息，其中幅度信息是由距离、目标和杂波 RCS 、天线方向图调制等因素变化带来的；频域信息，即目标、杂波的多普勒频率；时域信息，即反映目标、产生杂波物体远近的距离延迟。雷达目标、杂波模拟主要通过目标、杂
40、波散射特性数据对雷达发射信号进行时延控制、幅度和多普勒频率上的调制等措施来模拟目标及杂波回波信号。而相参宽带雷达系统由于需要保证雷达发射和接收信号的相参性，还需要将雷达发射信号与目标、杂波的散射特性数据进行卷积运算后，才能够准确复现雷达目标、杂波的回波信号。其中目标的散射特性数据是根据目标的几何形状特点、材质、雷达信号形式、雷达天线照射角度等因素，利用计算电磁学的原理及计算机三维建模技术等，事先计算好存储在数据库中的。仿真开始的时候，根据相应的条件从数据库中提取出来直接传送给信号模拟器。杂波散射特性数据则根据地面、海洋在不同环境下的数学模型，运用 DSP等处理器在仿真中实时计算产生。目前使用的
41、杂波模型一般为描述杂波幅度和功率谱的统计模型，其中功率谱（相关性）是从时域和空域两个方面展开研究的。杂波幅度的分布函数可以使用高斯分布、rice分布、对数正态(lognormal)分布、K分布和 weibull分布来拟合。目前国内外 对杂波的仿真方法主要有零记忆非线性变化法(Zero Memory Nonlinerity，ZMNL ) 、球不变随机过程法(Spherically InvariantRandom Process, SIRP)和随机微分方程法(SDE)。各种干扰信号的产生，总体来说也是对干扰信号的频率、延迟时间、幅度进行控制，对于各种欺骗式干扰，它们与目标回波信号产生方法相同，仅是
42、特征信号的控制规律与目标回波信号不同，这些控制规律的不同在软件算法中实现，而硬件通道与目标信号通道完全一致，因此可以使用和目标通道相同的硬件电路来产生欺骗式干扰，但可以省去卷积运算这一步，在仿真过程中，模拟器通过对接收到的雷达信号进行多普勒频调制和延时转发来产生干扰信号。8南京航空航天大学硕士学位论文图 2. 4基于 DRFM的相参雷达目标、杂波与欺骗干扰模拟系统框图图 2.4是采用 DRFM为核心组件的雷达目标与干扰模拟器的框图。瞬时测频接收机主要完成对雷达信号各参数的测量，包括雷达载频信号的测量，雷达脉冲重复周期、脉宽、脉幅等参数，当雷达工作并辐射信号时，接收机通过被动接收向系统提供有关该
43、雷达的载频信息。雷达参数由 DSP处理后，得出与欺骗干扰方式和达到最佳欺骗干扰效果有关的分析结果，而系统总控机则根据 DSP的处理结果控制开关、DRFM 、干扰调制器以及功率合成等部件或子系统协调工作，完成对雷达的欺骗干扰任务。对于目标、杂波信号的模拟过程是，当雷达目标模拟器开始工作时，首先由雷达目标模拟器的射频接收系统实时接收被测雷达的天线辐射信号，经稳幅稳相处理后，由混频器将雷达信号下变频到 DRFM的工作频带，经 A/D变换、数据存储、信号处理（接收信号与雷达目标、杂波散射特性数据相卷积）、再由 DRFM模拟出距离延迟，并经 D/A变换后，利用同一本振将 该信号上变频到射频。在上变频时叠
44、加上多普勒频率，然后送入幅度电平处理器(即程控衰减器 组合) ，就得到了具有目 标信号特征的发射脉冲信号。该发射脉冲信号经阵列馈电系统叠加上角位置信息，送到面阵的辐射喇叭上，向空间辐射。至此，就模拟产生了一个完整的相参雷达目标、杂波与欺骗干扰信号。9雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析2.2.3宽带相参雷达目标模拟器系统级设计图 2. 5模拟器系统硬件总体框图图2. 5是该模拟器系统的硬件总体框图。其中宽带相参雷达目标模拟器系统主要由模拟器系统工控机、高速数据处理通道、400MHz带宽数字射频处 理通道以及相关的射频设备组成。射频输入是指来自空间辐射或电缆注入式的被测宽带雷达发射信号
45、，其信号瞬时带宽可达400MHz。首先瞬 时测频接收机的本振信号将雷达 载频下 变频到中频的一个较窄的固定频带内，此时多波段比幅测频接收机测量已经经过一次下边频的雷达信号载频，并提供给DRFM的混频器。DRFM的混频器然后将输入的雷达发射信号正交下变频为I、Q基带，其I 路和Q路的带宽均为瞬时带宽的一半约200MHz ，使用高速 A/ D以500MHz的采样速率对I / Q基带两路信号进行模数转换。从而完成400MHz 瞬时带宽的DRFM系统的数据采集工作。仿真系统主控机主要负责通过VMI C网高速下传有关控制命令，模拟系统工控机在接收到这些控制命令后将目标散射特性数据及相关命令经PCI总线下
46、传给插在PCI扩展槽上的高速数据处理通道。高速数据处理通道在工控机的控制下，主要负责完成杂波计算生成和杂波与背景散射特性数据的实时卷积并给目标散射特性数据向下传输提供通道，经LVDS总线将高速数据处理通道的运算结果下传到宽带相参雷达目标模拟系统的400MHz带宽数字射频处理通道，400MHz 带宽数字射频处理通道是模拟器的核心部件，数字射频数据的采集、存储、处理以及均在此通道的硬件上实现。400MHz 通道上的高速 FPGA完成LVDS下传 的模拟目标、杂波数据与宽带雷达发射信号采样值的实时卷积，经高速D/ A 和模拟正交上变频形成雷达目标中频信号，进而上变频为雷达射频信号输出。雷达目标模拟系
47、统400MHz带宽数字射频处 理通道在模拟控制机的命令控制下还10南京航空航天大学硕士学位论文负责欺骗干扰信号的生成，以及产生目标模拟和欺骗干扰模拟的多普勒频移，两者的多普勒频移在基带目标、干扰模拟信号上变频为中频时混入。2.2.4宽带相参雷达目标模拟器高速电路的设计实现2.2.4.1高速数据处理通道设计实现2xSRAM到400MHz数字射频处理通道工控目标、杂波特性数据PCI总线 Local Bus机 驱动接口PCI桥9054 FPGA目标特性数据及控制命令1bi t雷达重频脉冲插槽 杂波特性数据、命令 EMIF INTDSP6202图 2. 6高速数据处理通道硬件电路框图图2.6是高速数据
48、处理通道硬件电路框图，高速数据处理通道是插在模拟系统工控机的PCI扩展槽内的信号处理卡。其主要在宽带相参雷达目标模拟器中负责在模拟工控机的控制下经过PCI总线下传工控机中硬盘上存储的目标散射特性数据，同时使用高速数据处理通道上的高速DSP根据一定的杂波模型实时计算产生统计型杂波散射特性数据，最后通过LVDS总线驱动高速下传到模拟器400MHz 带宽数字射 频处理通道，在通道内完成高速卷 积运算。高速数据处理通道和400MHz带宽 数字射频处 理通道的通讯由26bit数据信号和1bit数据选通信号以及1bit雷达重频脉冲组成，其中1bit雷达重频脉冲为高速数据处理通道 输入信号，其余为输出信号，
49、皆为LVDS电平标准。1bit雷达重频脉冲信号作为中断信号给DSP和9054芯片，通知DSP开始运算实时产生杂波数据或通知9054下传目标特性数据。下传或产生的数据首先要经过“乒乓”存储入 SRAM中，此处的乒、乓SRAM分别有256k x 32bit，当写入乒SRAM时，同时可以读乓SRAM中数据到LVDS总线，这样可以保证传输和运算的实时性。 LVDS总线其余26bit传输数据定义如表2.1所示：11雷达目标模拟系统高速电路的设计与信号完整性分析表2.1 26bi t传输数据定义D25 D24 D23D000110101目标散射特性数据杂波散射特性数据实时命令或控制信息未用下面将对高速数据处理通道所用到的关键器件和模式的使用做简要介绍及性能分析：PCI总线协议及PLX9054 芯片：PCI 总线的全称是Peripheral Component Interconect ，即外围组件互连总线，它将外设直接挂到CPU的局部总线上，可大大提高外设的运行速度 21 。设计中PCI总线采用位宽32bi t，位速率 33MHz，理论峰值吞吐率为132MB/ s方法，足以满足目标散射特性数据下传的速度要求。PC
