NI USRP X410 无线电上的雷达目标仿真

发布于：2025-08-10 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)

此示例展示如何在 NI™ USRP™ 无线电的 FPGA 上部署雷达目标仿真算法。

介绍

在本例中，您将从 Simulink® 模型入手，该模型可模拟最多四个雷达目标响应。您将按照分步指南，在 Simulink 中从该模型生成比特流，并使用生成的 MATLAB® 主机接口脚本将其部署到 NI USRP 无线电上。该示例允许您发送线性 FM 雷达脉冲序列，然后在 MATLAB 中捕获并绘制模拟目标距离-多普勒响应。

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有关如何在 NI USRP 无线电的 FPGA 上原型化和部署软件定义无线电算法的更多信息，请参阅目标 NI USRP 无线电工作流程。

设计概述

该示例使用了来自雷达目标仿真器和 HDL 编码器(雷达工具箱)示例的算法。该算法接收线性 FM 脉冲序列，并通过对接收波形应用可变距离延迟、多普勒频移和增益来模拟最多四个目标。然后，该算法以已知的时间偏移重新传输修改后的波形。此设计修改了接口，使您能够将生成的比特流部署到 NI USRP 无线电的 FPGA 上。

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打开 Simulink 模型

Simulink 模型采用硬件建模方式实现目标仿真算法，并使用支持 HDL 代码生成的模块。它采用定点算法，并包含控制模型数据流的控制信号。

从 MATLAB 打开模型。

open_system('wtRADARTargetEmulatorSL');

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该模型为子系统提供数据并保存其输出数据wtRADARTargetEmulatorSL。

打开wtRADARTargetEmulatorSL子系统。

open_system('wtRADARTargetEmulatorSL/wtRADARTargetEmulatorSL');

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数据流经这些块和子系统：

  • AND 块在每个突发的最后一个数据包的最后一个样本上声明突发结束 (EOB) 信号。

  • 该Multiple Target Emulator子系统模拟四个不同目标的响应。

  • 该Sum Channels子系统将来自四个目标的响应合并为单个数据流。

  • 每 256 个有效样本或 EOB 信号被断言时，分组块就会断言最后一个信号。

  • 该区域通过由txTimeOffsetControl retransmission time relative to receive time端口控制的固定值生成从无线电重新传输下一个数据包的时间戳。

打开Multiple Target Emulator子系统。

open_system('wtRADARTargetEmulatorSL/wtRADARTargetEmulatorSL/Multiple Target Emulator');

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该Multiple Target Emulator子系统根据输入enable、delay、inc和gain端口，应用可变时间延迟、可变频移和可变衰减，模拟四个不同目标的响应。操作如下：

  • 当enable为真时，输入数据将提供给可变时间延迟。

  • 可变时间延迟将输入样本缓冲在内存中，缓冲的样本数量由延迟端口指定。

  • 延迟数据与数控振荡器 (NCO) 的输出相乘，以实现可变频率偏移。NCO 由inc端口值控制。

  • 延迟和移位的数据与增益端口值相乘，以实现可变衰减。

open_system('wtRADARTargetEmulatorSL');

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每个目标的输入都被指定为wtRADARTargetEmulatorSL子系统上的输入寄存器端口：e1、e2、e3和e4对应于启用输入端口；d1、d2、d3和d4对应于延迟输入；i1、i2、i3和i4对应于inc输入端口；g1、g2、g3和g4分别对应于四个目标的增益输入端口。

模拟设计

通过仿真模型验证设计。启用四个目标并指定初始雷达截面 (RCS)、距离和速度。

targetEnabled = [true true true true]; % 设置为 true 以模拟目标
targetRCS = [1 2 3 4]; % dBsm 
targetRange = [5e3 15e3 3e3 5e3]; % m 
targetSpeed = [-200 -100 100 200]; % m/s

设置模型应用的相对增益所基于的最大增益。这可以避免由于定点数据类型造成的不必要的信号损失，并且可以通过使用无线电前端的无线电增益来计算。指定maxGain为空可在辅助函数中使用计算出的最高实际增益helperRadarTargetSimulationSetup。

maxGain = [];

使用辅助函数在 MATLAB 中设置模型所使用的目标仿真参数helperRadarTargetSimulationSetup。

sl_in = helperRadarTargetSimulationSetup(targetEnabled,targetRCS,targetRange,targetSpeed,maxGain);

运行 Simulink 模型。

sl_out = sim("wtRADARTargetEmulatorSL.slx");

### Searching for referenced models in model 'wtRADARTargetEmulatorSL'.
### Total of 1 models to build.
### Building the rapid accelerator target for model: wtRADARTargetEmulatorSL
### Successfully built the rapid accelerator target for model: wtRADARTargetEmulatorSL

处理模拟输出数据并使用辅助函数绘制距离多普勒响应helperVisualizeRadarTargetSimulation。

创建距离多普勒响应对象来处理数据
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设置环境和无线电

要使用 Wireless Testbench™ 连接 NI USRP 无线电，您必须首先安装并配置其他工具箱、支持包和第三方工具。更多信息，请参阅NI USRP 无线电安装指南。

如果您之前未保存过无线电硬件的无线电设置配置，请使用此radioSetupWizard功能打开“无线电设置”向导并按照步骤操作。要查看之前保存的无线电设置配置，请使用此radioConfigurations功能。

配置模型以生成 IP 核

首先，使用(HDL Coder)函数设置 Xilinx® 工具链。指定 Vivado® bin 目录的路径。更多信息，请参阅设置第三方工具。hdlsetuptoolpath

>> hdlsetuptoolpath('ToolName','Xilinx Vivado','ToolPath','/opt/Xilinx/Vivado/2021.1/bin');

在Simulink 工具条的“应用”选项卡中，选择“HDLCoder”。打开“HDL 代码”选项卡并按照以下步骤操作：# 确保子系统已在“代码”选项wtRADARTargetEmulatorSL中固定。要固定此选项，请在 Simulink 模型中选择子系统，然后单击固定图标。# 在“输出”>“IP 核”选项中选择“IP 核”。wtRADARTargetEmulatorSL

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配置 HDL 代码生成设置

要打开“配置参数”窗口，请点击“HDL 代码”选项卡中的“设置”。然后，请按照以下步骤操作：

在HDL 代码生成面板的基本选项中，确保将语言设置为Verilog。默认情况下，HDL Coder 会在文件夹中生成 Verilog 文件hdlsrc。您可以选择其他位置。如果您进行了任何更改，请点击应用。
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在HDL 代码生成 > 目标 > 工作流设置中，单击浏览并选择要保存生成的项目文件的项目文件夹。

在HDL 代码生成 > 目标 > 工具和设备设置中，将目标平台设置为USRP X410。如果您使用的是其他 USRP 无线电，请选择相应的目标平台并相应地调整参考设计参数。

在“HDL 代码生成”>“目标”>“参考设计设置”中，将“参考设计”设置为X1_200 10GigE，或者如果您使用的是其他 USRP 无线电，则设置为所需的参考 FPGA 映像。使用以下值设置参考设计参数：

  • 外部存储器- 设置为PL DDR Buffer通过无线电上的内存缓冲区传输样本。此设置可确保 MATLAB 和无线电之间的样本连续。

  • 输入流的数量- 设置为1，因为 DUT 连接到一个数据输入流。

  • 输出流的数量- 设置为1，因为 DUT 连接到一个数据输出流。

  • 天线数量- 设置为1，因为 DUT 有一个无线电接收和发射通道。

  • 采样率 (S/s) - 设置250e6为无线电支持的目标模拟器硬件所需的基带采样率。有关支持的采样率列表，请参阅NI USRP 无线电中的基带采样率。

  • BlockID - 设置为任意 32 位十六进制数。默认值为12345678。

  • DUT 时钟源- 设置为Radio。此选项选择无线电前端的主时钟速率 (MCR) 作为 DUT 时钟。

  • 流端口 FIFO 长度（样本） - 设置为Auto。

  • 寄存器端口 FIFO 长度（样本） - 设置为Auto。

在HDL 代码生成 > 目标 > 目标设置中，目标频率默认设置为无线电支持的最大 MCR。

单击“应用”。
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有关更多信息，请参阅配置 HDL 代码生成设置。

配置目标接口

  • 在HDL Code选项卡中，单击Target Interface以打开 IP Core 编辑器。

  • 在“接口映射”选项卡中，单击重新加载端口接口映射选项Reload IP core settings and interface mapping table from model：
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  • 将 DUT 的输入寄存器指定为写入寄存器。

  • 为输入和输出流接口分配数据、有效、就绪、最后、突发结束 (EOB)、hastime 和时间戳信号。
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    每个流接口数据输入和输出端口都有一个选项菜单。要重新传输接收到的样本，请将源和接收器连接选项设置为Radio。对于这些adcDataIn选项，请将流缓冲区大小设置为32768，这是默认设置。缓冲区大小必须是 2 的幂，以确保最佳利用 FPGA RAM 资源。缓冲区大小根据样本数量指定。
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    单击以下按钮验证接口映射Validate IP core settings and interface mapping：
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生成并加载比特流

要从 IP 核生成比特流，首先从“构建比特流”菜单中打开部署设置，并确保选中“在外部运行构建过程”选项。此设置是默认设置，可确保比特流构建在外部 Shell 中执行，从而允许您在构建 FPGA 映像时继续使用 MATLAB。
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点击“构建比特流”即可创建 Vivado IP 核项目并构建比特流。基本项目检查完成后，诊断查看器会显示一条Build Bitstream Successful消息以及警告消息。但是，您必须等到外部 shell 显示比特流构建成功后才能继续下一步。比特流构建过程可能需要几个小时。在显示构建成功提示之前关闭外部 shell 将终止构建。成功构建比特流后，此项目的比特流将以名称生成x4xx.bit，并位于build_X410_X1_200/build_X410_X1_200工作目录的文件夹中。

在“构建比特流”中，打开“部署设置”。在“程序目标设备”设置中，设置 IP 地址。默认值为 192.168.10.2。如果您在使用“无线电设置”向导设置硬件时更改了默认 IP 地址，请相应地设置 IP 地址。
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要将比特流加载到收音机上，有两个选项：

  • 在后续步骤中使用生成的主机接口脚本加载比特流，该脚本调用该programFPGA函数。

  • 现在通过单击“构建比特流”菜单中的“编程目标设备”将比特流加载到设备上。

如果您的无线电设备是 USRP X310，则编程大约需要五分钟。对于其他无线电设备，则只需不到一分钟。有关更多信息，请参阅生成比特流和编程 FPGA。

生成和修改主机接口脚本

要生成 MATLAB 脚本，以便连接到无线电并在其上运行已部署的设计，请点击“HDL 代码”选项卡中的“主机接口脚本”。这将生成一个接口脚本文件和设置函数文件，它们特定于 IP 核的目标接口映射。更多信息，请参阅运行和验证硬件实现。

运行主机接口脚本

此示例提供了两个现成的实时脚本，用于连接、配置和控制部署在 FPGA 上的目标仿真算法的无线电设备。您可以选择使用单个无线电设备运行和验证 DUT，或者使用第二个无线电设备发送测试信号并接收响应。

在单无线电上运行并验证 DUT

打开RADARTargetEmulator_SingleDevice.mlx。运行此实时脚本，从 MATLAB 发送雷达脉冲序列，将脉冲序列接收到目标模拟器 DUT 中，发送目标模拟器响应，并将响应捕获到 MATLAB 中。
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绘制响应图，并叠加目标位置和恒虚警率 (CFAR) 目标检测结果，以验证被测器件 (DUT) 的运行情况。该图显示了示例输出。
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open("./RADARTargetEmulator_SingleDevice.mlx")

使用外部刺激运行 DUT

打开RADARTargetEmulator_MultiDevice.mlx。运行此实时脚本，在一个无线电的后台线程中模拟雷达场景。同时，在 MATLAB 主线程中，将第二个无线电配置为基带收发器，以发射雷达脉冲序列并捕获响应。
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您还可以使用此方法来模拟其他无线电硬件的目标响应。

open("./RADARTargetEmulator_MultiDevice.mlx")

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