基于FPGA的海杂波信号产生电路系统研究

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摘要：本文研究并模拟产生符合K分布的海杂波模拟噪声信号，介绍并论述了符合K分布杂波的产生原理和基本流程。基于fpga并运用verilog语言编程进行仿真，其具有的可移植性可以方便模拟出符合其它分布的海杂波信号。仿真结果表明通过实验产生的模拟数据在对雷达环境特性分析及工程实践中可以得到很好的应用。

关键词：K分布；海杂波；FPGA；verilog语言

在现代雷达系统测试与仿真中，我们把海杂波信号看作是平稳随机序列，在大多数情况下，它的幅度特性可由瑞利分布、对数正态分布、韦伯分布及K分布来描述。本文研究分析海杂波特性所引入的K分布混合模型能更好的模拟海杂波的实际形式，不仅满足杂波的幅值特性统计，还可以正确的描述杂波回波脉冲间的相关特性。

1　K分布杂波模型

K分布主要用于描述多种高分辨雷达低擦地角的海杂波，是目前能仿真出更精确接近于实际形式的雷达杂波模型。

其中为杂波幅度，为形状参数，它来决定K分布的形状，越小，K分布曲线越陡峭，反之越平缓；为尺度参数，它与杂波的强度有关。

对于大多数雷达杂波而言，形状参数的取值范围是-1

2　伪随机序列的生成

最长线性反馈移存器序列是最常见和最常用的一种伪随机序列，简称m序列，它是由具有线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。不同特征多项式对应不同的反馈逻辑，即对应不同的序列。由n级移存器组成的线性反馈电路所产生的序列周期不会超过2n-1，其中周期等于2n-1的序列即为m序列。产生m序列的充分必要条件是其特征多项式是本原多项式。因此本文采用生成周期为2047的11位伪随机码，利用11级线性移位寄存器加反馈生成，其结构用本原多项式表示为：f（x）=x11+x2+1。有了m序列的生成多项式，就可以给出m序列的生成框图。如图1所示。

对此m序列的伪随机性分析主要在其均衡性和游程特性方面。m序列一个周期经历2n-1个状态，少一个全0状态，因此，在一个周期中1的个数比0的个数多1。

而一个周期中长度为1的游程数占游程总数的1/2；长度为2的游程数占游程总数的1/4；长度为k的游程数占游程总数的1/2k，其中1≤k≤（n-1）[2]。

运用verilog语言编程来仿真m序列，可知该随机序列按照一定的规律产生，可认为其服从均匀分布。仿真波形如图2所示。

3　符合K分布杂波模拟信号的生成

查找表的原理等同于用存储器实现组合逻辑函数，输入等效于存储器的地址码，通过查找ROM中的地址表，可得到相应的组合逻辑函数输出[3][4]。

系统采用11位m序列生成器生成的伪随机码作为地址来随机抽取存储器里2000个符合K分布的噪声数值，再输出到D/A转换器生成模拟杂波信号，系统框图如图3。

11位m序列作为查询地址，输入100MHz系统时钟信号clk，对m序列和存储器进行分频操作，得到较低频率的适合海杂波的时钟信号，每个时钟噪声生成器都会根据地址输入查询到一个高斯噪声数值并输出，最后得到符合K分布的杂波噪声序列。根据以上的设计分析，编写了FPGA程序进行仿真测试。仿真图如图4所示。

4　符合K分布杂波模拟信号的输出

本文利用10位D/A转换器AD9740来输出符合K分布的模拟噪声。AD9740是一个管脚兼容的高性能部件，优良的无假响应动态范围性能，差分电流输出：2mAto20mA。针对通信系统的发射信号路径进行了优化，所有器件都采用相同的接口选项、小型封装和引脚排列，可以根据性能、分辨率和成本，向上或向下选择适合的器件。AD9740提供出色的交流和直流性能，同时支持支持最大采样速率210MSPS。通过配置这些器件，最终输出模拟信号。AD9740功能框图如图5所示。输出的符合K分布模拟噪声波形如图6所示。

5　总结

本文系统基于verilog语言描述，利用FPGA的灵活操控性为核心，设计m序列发生器产生均匀分布的随机序列，通过查找表方法对其进行转换，再通过D/A转换器仿真出模拟杂波信号，此设计具有的可移植性可以方便模拟出符合其它分布的海杂波信号。仿真结果表明测试产生的噪声信号特性能够在特定条件下更精确地逼近真实的数据特性，验证了本文设计的有效性。

参考文献：

[1]朱先正，雷达杂波研究及模拟， 南京理工大学，2006-12-06

[2]庞沁华，续大我，通信原理，北京邮电大学

[3]艾余雄，寇艳红，一种基于FPGA的高斯白噪声发生器的设计与实现，遥测遥控，2009，TN911

[4]张惠国，唐玉兰，于宗光，陶宇峰，FPGA高性能查找表的设计与实现，固体电子学研究与进展，2008，TN47