一种无线电高度表的回波信号产生方法与流程

本发明属于信号产生及处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种无线电高度表的回波信号产生方法。

背景技术：

无线电高度表，也称为雷达高度表。是各种类型航空及航天设备广泛装备并使用的一种高度测量设备。无线电高度表根据截体的不同，可以分为星载、弹载和机载三大类。从发射信号的类型来区分，无线电高度表可以分为脉冲式和连续波两大类。无线电高度表的基本工作原理是发射测高信号，再接收目标面反射回来的回波信号，通过计算信号的传播时间，从而得到载体设备与目标面的高度或距离。早期的无线电高度表，仅仅只能实现高度或距离的测量，测量精度低，抗干扰能力差。随着技术的发展，当代的无线电高度表，测量精度不断提高，能够适应诸如海洋、森林、草地、沙漠等不同反射面应用场景，最新一代的无线电高度表，还可以实现成像的功能。

在无线电高度表的生产、研发、测试以及日常保障维护过程中，需要使用测试仪器对回波信号进行模拟，从而判断各项技术功能以及参数指标是否正常。传统的测试仪器通常只是进行功能模块的分解测试，或者是采用声表面波滤波器、行波管、电子延迟线、光纤延迟线来实现信号的延迟和模拟，而针对不同的目标面特征、信号的多普勒频移、反射回波的多径效应等影响因素的回波模拟及测试则难以实现。因此，设计一种能够模拟上述高阶测试特征的无线电高度表回波模拟装置，具有重要的理论和实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无线电高度表的回波信号产生方法，用于机载脉冲式无线电高度表和连续波高度表测试过程中，对测高信号进行接收并根据测试场景需要产生回波信号。

为实现上述发明目的，本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、信号预处理

将无线电高度表被测设备(DUT)发射端输出的测高信号输入至功率分配器，通过功率分配器分为两路信号，对其中一路信号先进行分频及整形，再进行电平变换，得到满足FPGA输入条件的瞬时测频信号，FPGA对输入的瞬时测频信号进行频率测量，得到载波频率值，并根据得到的载波频率值设置本振(LO)频率；在本振频率的控制下，利用下变频器对另外一路信号进行下变频处理，得到中频测高信号；

(2)、数据采集及转存

利用ADC对下变频后的中频测高信号进行高速采样，将模拟信号转换成I、Q两路数字信号，FPGA再将I、Q两路数字信号转存到片外的大容量动态存储器DDR SDRAM中；

(3)、传播延迟模拟

上位机根据需要模拟回波的空间距离传输时间，设置延迟计数器的延迟计数值CNT；当延迟计数器计数到设定的延迟计数值CNT后，从大容量动态存储器DDR SDRAM中读出原始的I、Q两路数字信号；

(4)、回波合成

FPGA根据需要模拟回波的反射面特征，将延迟后的I、Q两路数字信号进行波形的变换和叠加处理，得到合成后的数字波形信号；

(5)、信号输出

将数字波形信号通过DAC进行数模转换，得到中频模拟回波信号，中频模拟回波信号在本振频率控制下进行上变频处理，输出C波段的测高回波信号，并送入到DUT中，从而实现回波的模拟。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法，基于波形采集存储、数据延迟转发、高阶场景特征叠加、回波模拟生成等步骤，采用可编程器件FPGA以及ADC、DAC、DDR SDRAM等辅助器件实现，能够实现对连续波和脉冲式两类无线电高度表回波的模拟，从而完成DUT的功能和指标测试，具有非常好的扩展性和灵活性。

同时，本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法还具有以下有益效果：

(1)、由于FPGA芯片内的存储器资源有限，而需要进行存储和延迟转发的波形数据量较大，为了保证足够的存储深度，采用了DDR SDRAM来进行波形数据的存储；

(2)、本发明具有体积小、功耗低、集成度高、数据处理能力强、响应速度快、执行代码升级更新便捷等优点；

(3)、本发明回波模拟的实现方法以及FPGA可编程的特点，使得本发明还能够进行动态航姿下的回波模拟和其它体制雷达信号回波模拟的功能扩展；

(4)、本发明能够实现对连续波和脉冲式两种体制无线电高度表测高回波的模拟，能够作为单独的模块化仪器使用，也能够与其它测试测量仪器共同构建自动测试系统，满足无线电高度表生产、研发、测试及日常保障维护等过程中内外场测试的需要；

(5)、相比较于传统的回波模拟方法，本发明不仅能对回波模拟的高度值和步进值自由调整，而且还具有能够模拟生成包含速度和反射面特征的高阶测试场景回波。

附图说明

图1是本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法原理图；

图2是图1所示FPGA的功能逻辑原理框图；

图3是图2所示场景处理部分的功能框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种无线电高度表的回波信号产生方法，包括以下步骤：

S1、信号预处理

无线电高度表DUT通过发射端口输出中心频率为4.3GHz的测高信号，测高信号输入至功率分配器分为两路信号，对其中一路信号进行32分频及信号整形后，变成中心频率为134.375MHz的瞬时测频信号，该信号经过单端到差分的电平变换后送到FPGA，FPGA对输入的瞬时测频信号进行频率测量，得到载波频率值，并根据得到的载波频率值设置本振(LO)频率，从而改变本振的输出频率值；在本振频率控制下，对另外一路信号进行下变频处理，得到载波频率为100MHz中频测高信号；

其中，下变频处理方法为：以功率分配器的一路信号频率值减去本振频率值，得到下变频处理后的信号频率值。

S2、数据采集及转存

根据奈奎斯特采样定理，如果要得以无失真及无频谱混叠的数字信号，采样频率必须要高于信号最高频率的2倍，在本回波模拟方法中，ADC的采样频率为1GHz，能够满足采样定理在实际工程应用中的要求。ADC对输入信号进行采样和转换后，输出同相I和正交Q两路采样数据到FPGA进行后继处理。

由于FPGA芯片内部的存储器资源有限，不能满足回波模拟过程中波形数据采集及存储的需要。因此，本发明采用了一片容量为32M Bit的DDR SDRAM存储器来存放波形数据，DDR SDRAM进行转存时采用两个先入先出(FIFO)存储器对数据进行乒乓操作。根据采样数据量及存储器容量的关系，该DDR SDRAM存储器可以存储1M个样点数据。在距离分辨率0.3米的情况下，能够存储1ms的波形数据。该存储深度对应的距离模拟延迟时间大于无线电高度表的测高工作范围，能够满足实际测试的需要。

S3、传播延迟模拟

在进行波形采集存储的同时，计数器根据上位机发送的高度模拟参数进行计数延迟。上位机根据实际需要的模拟回波信号设置延迟计数器的延迟计数值CNT，当延迟计数器计数到设定的延迟计数值CNT后从动态存储器DDR SDRAM中读出原始的I、Q两路数字信号；具体为：计数分为预读取和正式读取两个节点阶段，当计数到预读取节点时，FPGA从外部的DDR SDRAM中读取波形数据到片内的FIFO存储器；当计数到正式读取阶段时，输出FIFO中存储的数据进行波形处理。

其中，延迟计数值CNT的计算公式为：

CNT＝2D/CTs-Tp

其中，D表示无线电高度表与地面的相对高度；C为电磁波的传播速度；Ts为延迟计数器的计数时钟周期；Tp为回波模拟信号的数据处理延迟。

S4、回波合成

根据高阶测试参数对待产生波形的频率以及幅度分量进行运算和处理。FPGA根据实际需要的模拟回波信号的反射特性，调用高阶数据处理单元生成多普勒频移分量、幅度调制分量和调制展宽分量，再结合这些分量将延迟后的I、Q两路数字信号进行波形变换和叠加处理，得到合成后的数字波形信号；

S5、信号输出

将数字波形信号通过DAC进行数模转换，得到中频模拟回波信号，中频模拟回波信号在本振频率控制下进行上变频处理，输出C波段的测高回波信号，并送入到DUT中，从而实现回波的模拟。

其中，上变频处理方法为：将数模转换后得到的中频模拟回波信号频率值加上本振频率值，得到上变频处理后的信号频率值。

图2是图1所示FPGA的功能逻辑原理框图；

FPGA的主控制逻辑接收上位机发出的控制命令输入，根据控制命令设定延时参数和高阶测试场景参数。FPGA器件的时钟频率为250MHz，ADC的采样频率为1GHz，DDR SDRAM的工作频率为266MHz，为了避免数据在存储过程中由于工作速度不一致而出现数据流中断或丢失，本发明在FPGA器件内部分别通过两个FIFO存储器对数据进行乒乓操作，实现数据的无间歇传输和存储。控制计数器在根据回波延迟进行计数后，在预读取时间节点将DDR SDRAM的数据读入到输入缓冲区，然后在正式读取阶段将数据从输入缓冲区送到后端数据处理模块中进行处理。高阶测试场景数据生成模块则是根据回波模拟的需要，对采集并延迟后的I、Q两路数字分量进行处理，产生频率及幅度调整系数与原始波形进行合成，生成包括高度延迟、目标面反射特征和信道传输特征的数字波形数据。该波形数据经过格式转换后，再送到DAC生成中频调制信号。

图3是图2所示场景处理部分的功能框图。

在高阶测试中，无线电高度表回波模拟装置产生的回波除了高度延迟外，还包含了传播特性模拟和反射特性模拟两部分。其中，传播特性包括由于飞行器相对速度变化引入的回波多普勒频移以及由于信号传播过程中经多个反射面引入的多径分量。在具体的信号中，则表现在信号频率的变化。对于脉冲式无线电高度表，其脉冲宽度也可能变宽或出现多个脉冲。因此，在FPGA中通过载波频率变换以及幅值色散两部分功能逻辑进行处理。而对于反射特征模拟，则是由不同目标反射面的特征所决定，在FPGA中利用延迟及重映射模块、快速傅里叶变换模块、数字滤波等模块来实现后向散射系数以及背景杂波调制函数的处理。此外，反射特征模拟是通过对整个目标反射面进行基本单元分解、处理和再合成三个步骤来完成的。

基于FPGA器件并行处理能力强的优点，各个分量由各自对应的功能逻辑单元进行并行运算，再经过叠加和格式转换后送到DAC得到模拟波形。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。