一種基于FPGA的雷達數字信號處理機設計與實現

摘 要：結合具體的雷達導引頭型號項目，從數字信號處理機的原理出發，根據項目的要求提出了一種基于DBF技術的某型導引頭信號處理機設計方案，方案以Xilinx公司Virtex4 SX55 FPGA作為數字信號處理的核心器件，實現對6陣元陣列天線接收的回波信號進行實時采集和處理。對系統硬件和軟件總體設計及基頻信號產生模塊、回波信號采集模塊、控制信號產生模塊和時鐘電路模塊的具體設計進行了詳細介紹。最后在暗室環境對系統進行了測試，測試結果表明系統達到了設計要求。

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關鍵詞：數字信號處理機; FPGA; DBF; 基頻信號; 回波信號

中圖分類號：

TN957.52-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0013-04

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Design and implementation of radar digital signal processor based on FPGA

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HUO Zhi1，2， XIE Qi-you1， GUO Jing1， DIAO Jie-tao1

(1.ESSS Center， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China； 2.CAPF， Ezhou 436000， China)

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Abstract：

Based on engineering project of radar seeker and the principle of digital signal processor， a blue print including DBF technology is proposed to match the requirement of the project. The hardware design was accomplished. Xilinx Virtex4 SX55 FPGA was selected as the key instrument. The design of baseband signal generation module， the echo signal acquisition module， the control signal generation module and the clock circuit are deeply introduced. The digital radar signal processor was tested in dark house. The results show that the performance of the design matches the requirement of the radar signal processor.

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Keywords： digital signal processor; FPGA; DBF; baseband signal; echo signal

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收稿日期：2011-08-03

0 引 言

導彈主要依靠制導系統進行制導，完成從發射到命中目標的全過程。制導系統一般利用地面制導雷達或彈載導引頭對目標進行探測、參數計算、控制指令形成與傳輸、程序控制和伺服控制等[1]。雷達導引頭是建立在雷達、自動控制、制導、微型計算機、精密機械、微電子、小型化和可靠性能多項專門技術基礎上的一種復雜制導設備[2]。各國尤其是先進國家都十分重視雷達導引頭的研制及其相關技術的研究，從而將智能化、高命中率、高摧毀概率的導彈武器的研制應用推向新階段。

本文采用脈沖多普勒、數字波束形成等技術，為某型雷達導引頭信號項目設計了其關鍵部分——雷達數字信號處理機。本處理器采用FPGA平臺實現，文中詳細介紹了該處理器基于FPGA的基頻信號產生模塊、回波信號采集模塊、控制信號產生模塊和時鐘模塊等硬件模塊的設計思路。

1 系統方案設計

目前，主要采用三種方法實現雷達數字信號處理系統設計：基于DSP技術實現雷達數字信號處理，基于“FPGA+DSP”[3-4]技術實現和基于FPGA技術來實現。本方案選用Xilinx Virtex4[5] FPGA XC4VSX55，其屬于Xilinx SX系列，專用于高速數字信號處理領域，FPGA非常適合于高速數據的采集控制、高速數據傳輸控制，且目前的主流FPGA均含有硬件乘加器、大量的邏輯單元、流水線處理技術等硬件結構，可高速完成FFT、FIR、復數乘加、卷積、三角函數以及矩陣運算等數字信號處理。高端FPGA更是含有大量的DSP單元、RAM單元、MGT高速傳輸單元、DDRII數據控制器等IP核，這些均是實現高速實時數字處理的重要資源。此外，FPGA編程靈活，易于升級。其高度集成性和高靈活性使對外部硬件的需要更少，額外的硬件開銷大大減小，非常適用于雷達數字信號的處理和將來的算法升級。因此本方案采用FPGA技術進行雷達信號的處理。

根據項目的設計需求，設計的雷達數字信號處理機系統整體框圖如圖1所示。

圖1 數字信號處理機系統整體框圖

輸入調理電路對接收到的回波信號進行預處理，預處理過后的信號經ADC轉換為數字信號；采樣后的信號經頻率搬移，將100 MHz的中頻信號搬移到20 MHz，然后對6個通道的信號進行幅度校正，消除通道間的不平衡問題。校正后的6路信號分別與兩個正交本振信號相乘，進行數字混頻，完成信號的正交分解，得到12路I/Q正交信號。12路I/Q信號與預先設置的權值進行加權計算并進行累加，完成數字波束形成(DBF)，得到一路合成信號；通過FIR低通濾波器，對數字波束合成后的信號進行數字濾波，濾除30 MHz以上的諧波信號；由于發射信號采用了偽碼調相技術，所以對DBF后的信號依照發射信號的m序列進行偽碼解調(即對回波信號進行相位變換)，完成回波信號的解碼。對濾波后的信號進行相參累積，累積次數達到設定值后，進行FFT變換；FFT結果與檢測門限進行比較，當發現回波信號特征時，給出回波的通道號和頻率，并給出啟動信號。

2 系統實現

2.1 硬件設計

結合系統需求和系統總體設計，本系統的硬件主要包括A/D采樣部分、D/A輸出部分、控制信號輸出部分、時鐘部分、FPGA設計及配置、電源管理等六大部分，總體框圖如2圖所示。各功能模塊介紹如下：

(1) A/D采樣部分

根據性能指標，系統外接6路模擬信號，信號頻率為100 MHz，輸入信號幅度為±1 V，幅度分辨率為0.5 mV。因此設計了兩片A/D轉換模塊ADS6444[6]實現帶通欠采樣，單片ADS6444支持4通道模/數轉換，最高采樣頻率為105 MHz，采樣位數為14 b的高性能A/D轉換電路，輸入信號量程為2 Vpp，幅度分辨率為0.12 mV。配合前端數據調理芯片THS4513，能滿足系統對采樣電路的需求。

圖2 數字信號處理機硬件框圖

(2) D/A轉換電路

無論是調頻連續波或脈沖多普勒調制方式，均需要對外輸出100 MHz的基頻信號，因此設計了D/A轉換電路。D/A轉換芯片采用MAX5887[7]，它是14位、500 MSPS數模轉換器(DAC)，工作電壓為3.3 V，提供76 dBc的無雜散動態范圍(SFDR)(fout=30 MHz時)。該DAC支持500 MSPS的更新速率，且功耗小于230 mW。

(3) 控制信號輸出部分

控制信號輸出TTL的信號，TTL信號采用+5 V供電，而數據處理芯片FPGA采用的為3.3 V的LVTTL電平，為實現信號的正確傳輸，需要信號轉換，因此設計了I/O緩沖模塊實現LVTTL到TTL的信號轉換。I/O緩沖器使用采用美國TI公司的16位同向緩沖器SN74ALVTH16245[8]，可以完成LVTTL到TTL的電平轉換，最高開關頻率可以達到80 MHz以上，同時輸出電流大，可以帶動高功耗設備。

(4) 時鐘部分

數/模轉換部分、模/數轉換部分、FPGA正常工作均需要低抖、高穩定性的時鐘，在此使用專用時鐘芯片AD9517[9]來產生系統需要的各個時鐘。AD9517是一款集成高頻時鐘發生器，具有如下特點：低相位噪聲、VCO頻率變化范圍為1.75~2.25 GHz，4路LVPECL時鐘扇出，輸出頻率范圍為50 MHz~1.6 GHz可調，4路LVDS時鐘扇出，輸出頻率范圍為25~800 MHz可調，4路LVDS時鐘扇出可設置為8路CMOS時鐘扇出，且相位可調、可串行控制。

(5) FPGA設計

FPGA要完成對A/D采樣數據的數據處理、D/A轉換的數據輸出、控制信號的產生、核心算法的實現、USB調試接口的數據輸入/輸出等，是整個系統設計的重要部分。根據系統需求分析，使用了Xilinx Virtex4 SX55。Virtex4 SX55含有512個DSP 處理單元，具有強大的數據處理能力，能夠滿足本系統的信號處理需求。

(6) 電源管理

本系統采用電源管理模塊將+12 V的外部電源進行穩壓并分成各種幅度的電壓供各個模塊單獨供電，滿足各個模塊對電壓的嚴格需求。其電源供電系統結構如圖3所示。

圖3 電源供電系統結構

2.2 軟件設計

本文設計的雷達數字信號處理機的軟件設計主要分為FPGA程序設計、系統驅動設計和用戶軟件設計三個部分。FPGA程序是系統算法的核心，完成ADC的控制以及DBF算法等；系統驅動設計和用戶軟件設計主要完成系統的人機交互功能，不是本文討論的重點，此處只討論FPGA程序的設計。

FPGA程序主要完成信號處理算法。該程序利用Xilinx公司提供的System Generator工具，對數字信號處理的過程進行建模和設計。System Generator適于利用FPGA設計高性能數字信號處理系統。它利用業內最先進的FPGA開發高度并行系統提供系統建模和從Simulink與Matlab自動生成代碼的功能，System Generator整合了DSP系統的RTL、嵌入式、IP、Matlab和硬件元件DSP建模[10]。它利用包含信號處理(如FIR濾波器、FFT)、糾錯(如Viterbi解碼器、Reed-Solomon編碼器/解碼器)、算法、存儲器(如FIFO，RAM，ROM)及數字邏輯功能的Xilinx模塊集，在Simulink內構建和調試高性能DSP系統。Xilinx模塊集提供的模塊可以使用戶導入Matlab功能(如創建控制電路)及HDL模塊，迅速完成復雜的數字信號處理算法設計。

一路回波信號經A/D采集后的數字序列分別與兩個正交本振信號進行相乘，完成正交變換，得到兩路I/Q信號。然后，通過數字低通濾波器實現數字混頻。本設計在這里選擇正弦和余弦兩個信號作為正交變換的本振信號，無論從數學運算上，還是具體實現上都能確保其正交性。設計中采用的是6單元均勻線陣天線，因此共得到12路I/Q信號。12路I/Q信號與加權因子相乘后進行數字波束合成，得到兩路I/Q信號，然后進行信號疊加。疊加后的信號進行相參積累，當積累次數達到設置值時，進行FFT處理；否則，繼續信號采集過程。將FFT處理的結果和設置的門限相比較，如超過門限時，觸動啟動信號；否則，繼續信號采集過程。FPGA處理的流程如圖4所示。

圖4 FPGA信號處理流程

3 系統測試

在實際條件下，對數字信號處理機中的DBF系統合成波束的天線方向圖進行了測試，以檢驗是否和理想條件下的天線方向圖一致。具體步驟如下：

(1)測試環境：某研究所暗室。

(2)測試條件：6元15 mm接收天線成均勻直線陣排列、1元發射天線、雷達數字信號處理電路板、轉臺以及其他必要設備。

(3)測試方法：將6元接收天線放置在轉臺的0°刻度所在的直線上，測試的信號源放在轉臺前方，并在90°刻度的延長線上。此時設定陣列天線所在的直線為x軸，法線方向為y軸，轉臺中心為坐標零點。轉動轉臺，使信號源與天線的夾角分別為90°，60°，20°，調整陣列天線權值，使主瓣方向指向信號源方向。調整完成后，測量并記錄三種情況下的天線方向圖。

(4)測試結果：根據實測數據繪制的三種情況下的陣列天線方向圖如圖5~圖7所示。

由圖可知：實測天線方向圖的包絡與理想條件下的天線方向圖基本一致，從而驗證了本設計中的數字信號處理機基本達到理想波束合成對數字電路的性能要求。但是，由于接收天線元個數較少，在信號源與陣列天線之間的夾角較小時，接收天線的增益較小，導致DBF系統無法將主瓣完全調到目標角度上。

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圖5 夾角為90°時陣列天線方向圖

圖6 夾角為60°時陣列天線方向圖

圖7 夾角為20°時陣列天線方向圖

4 結 語

本文提出了一種基于FPGA的雷達數字信號處理機設計，接收機采用了脈沖多普勒、數字波束形成等主流雷達技術。本文對其硬件部分的主要模塊和FPGA處理流程進行了簡要介紹。暗室中測試出的接收機的方向圖與理論值基本一致，說明接收機達到了系統的需求。

參 考 文 獻

［1］陳懷謹，吳中英．導彈與航天叢書［M］．北京：中國宇航出版社，1991.

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［2］穆虹．防空導彈雷達導引頭設計［M］．北京：中國宇航出版社，2006.

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［3］李粉兵，顏波濤.基于FPGA+DSP的數字波束形成系統的設計［J］.航天電子對抗，2007，23(5)：32-35.

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［4］劉志英，萬衛華.基于FPGA+DSP的數字波束形成的實現［J］.甘肅科技，2007，23(10)：27-29.

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［5］Xilinx Inc. UG070， Virtex-4 user guide [EB/OL]. [2006-10-06]. http://www.xilinx.com.

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［6］Texas Instruments. ADS6444 datasheet[EB/OL]. [2007-05-11]. http://www.ti.com.

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［7］Maxim. MAX5887 datasheet [EB/OL]. [2003-12-12]. http://www.maxim-ic.com.

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［8］Texas Instructions. SN74ALVTH16T245 datasheet [EB/OL]. [2008-09-23]. http://www.ti.com.

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［9］Analog Devices. AD9517-4 datasheet [EB/OL]. [2007-11-16]. http://www.analog.com.

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［10］劉菊榮.基于數字波束形成技術的導彈引信信號處理器設計與實現［D］.長沙：國防科學技術大學，2009.

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作者簡介：

霍 志 男，1980年出生，湖北鄂州人，碩士研究生。主要研究方向為嵌入式系統與固態存儲。

謝啟友 男，1987年出生，湖南張家界人，碩士研究生。主要研究方向為嵌入式系統與固態存儲技術。

郭 靖 1986年出生，陜西西安人，博士。主要研究方向為電路與系統。

刁節濤 男，1965年出生，安徽人，碩士研究生，副教授。主要研究方向為電路與系統，高速數據采集。