雷達(dá)信號(hào)參數(shù)測量實(shí)時(shí)處理軟件設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了用Verilog硬件描述語言編程在FPGA中完成雷達(dá)模擬輻射源多個(gè)波段信號(hào)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測和處理，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻（DDC）和信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)測量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)取＠脭?shù)字接收機(jī)的方法對(duì)寬帶高中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，得到數(shù)字正交的基帶復(fù)信號(hào)，用CORDIC算法迭代求相位，再利用直接相位差法求信號(hào)頻率參數(shù)，用計(jì)數(shù)器法求脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）參數(shù)，最后對(duì)測得的結(jié)果參數(shù)打包形成脈沖描述字（PDW）并實(shí)時(shí)上報(bào)。該軟件已在某雷達(dá)產(chǎn)品中得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 參數(shù)測量； 數(shù)字下變頻； CORDIC算法； 數(shù)字濾波器

中圖分類號(hào)： TN957.51?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）07?0029?04

0 引 言

某雷達(dá)信號(hào)模擬輻射源由多個(gè)波段設(shè)備組成，該系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)監(jiān)測模擬輻射源主動(dòng)發(fā)射的參數(shù)已知的雷達(dá)模擬信號(hào)，提供載頻，脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）等測量參數(shù)。

適用本軟件的硬件載體模塊是設(shè)備中的參數(shù)測量模塊，該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻下變頻到寬帶中頻的信號(hào)直接采樣，采樣后的信號(hào)直接進(jìn)入FPGA芯片使用本軟件處理。為減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和系統(tǒng)設(shè)備量，系統(tǒng)要求各波段射頻下變頻到統(tǒng)一高中頻，該中頻大于300 MHz，信號(hào)帶寬大于100 MHz，而采用的參數(shù)測量模塊的采樣時(shí)鐘最高不超過200 MHz，由于信號(hào)中頻頻率遠(yuǎn)大于采樣頻率，因此本模塊模擬信號(hào)采樣形式是欠采樣。如何有效地對(duì)欠采樣的大帶寬，高中頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及傳輸，由本軟件創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)。本軟件設(shè)計(jì)思想和方法可適用于通信，雷達(dá)及電子對(duì)抗領(lǐng)域。

1 設(shè)計(jì)思路

參數(shù)測量中的主要參數(shù)?頻率參數(shù)的測量是難點(diǎn)。本軟件提出了基于數(shù)字下變頻（DDC）的數(shù)字正交化，用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)的相位測量，再用直接相位差法數(shù)字瞬時(shí)測頻的方法，最后在FPGA中完成工程實(shí)現(xiàn)，該方法適用于單頻脈沖信號(hào)的高精度，快速實(shí)時(shí)頻率測量，在窄脈沖的情況下也可以獲得比較好的測量精度，同時(shí)該方法也適用于線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻參數(shù)測量（本項(xiàng)目主要測量脈沖單頻信號(hào)）及其他參數(shù)測量。

本軟件中處理的采樣數(shù)字中頻信號(hào)為：多種頻率類型，多種調(diào)制樣式，多種重頻類型，常規(guī)脈沖脈寬跨度大：從幾百納秒到幾百微秒；重頻變化多：幾十赫茲到幾十千赫茲，在工作頻帶內(nèi)偽隨機(jī)捷變頻。射頻下變頻到模擬中頻的帶寬大于100 MHz，而選用硬件模塊采樣時(shí)鐘最高為200 MHz。因此主要的寬帶處理要在數(shù)字化后的FPGA中用軟件實(shí)現(xiàn)。一般取信號(hào)帶寬為不超過采樣時(shí)鐘的40%，因此在這里信號(hào)采樣后有部分混疊。針對(duì)既成的硬件條件，本模塊采取變時(shí)鐘采樣，子帶處理的設(shè)計(jì)思想：根據(jù)波段碼和頻段碼將大于100 MHz的中頻信號(hào)帶寬分成4個(gè)子頻帶，每個(gè)子頻帶帶寬為40 MHz。該子帶的劃分的前提是信號(hào)不混疊，依據(jù)是帶通信號(hào)的采樣定理，然后由軟件分別對(duì)落入4個(gè)子帶的不同脈寬的單頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

數(shù)字下變頻（DDC）后的數(shù)字測頻采用直接相位差法[1]，直接相位差法測頻的基礎(chǔ)是I/Q基帶信號(hào)的數(shù)字鑒相，傳統(tǒng)數(shù)字鑒相的方法中的NCO是ROM查找表法，該方法缺點(diǎn)是當(dāng)精度要求較高時(shí)ROM表非常大，本設(shè)計(jì)中采用CORDIC算法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相。直接相位差法頻率測量的基本思路是首先獲得輸入信號(hào)的I/Q復(fù)信號(hào)，通過CORDIC算法流水迭代獲得瞬時(shí)相位值，然后計(jì)算相鄰樣本點(diǎn)的相位差，根據(jù)相位差以及采樣間隔就可以獲得信號(hào)的頻率值。

2 CORDIC算法原理

本軟件中數(shù)字下變頻（DDC）是采用CORDIC算法[2]實(shí)現(xiàn)的數(shù)字本振NCO級(jí)聯(lián)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)，該方法特別適合FPGA實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是高速流水線實(shí)現(xiàn)，不需要占用FPGA片內(nèi)ROM資源，是以時(shí)間換資源。求模模塊的數(shù)字下變頻（DDC）中NCO也采用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)，另外瞬時(shí)測頻中采用CORDIC算法來流水迭代求相位，因此本軟件中CORDIC算法被多處運(yùn)用。

CORDIC算法全稱：基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字式計(jì)算機(jī)，最早是J.Volder于1959年提出，該算法包括旋轉(zhuǎn)模式和向量模式，可進(jìn)行向量旋轉(zhuǎn)求三角函數(shù)，反三角函數(shù)和求向量的模等運(yùn)算，算法的基本思想是通過一系列固定的，與運(yùn)算基數(shù)相關(guān)的角度的不斷正負(fù)偏擺以逼近所需的旋轉(zhuǎn)角度。以后，J.Walther提出了統(tǒng)一的改進(jìn)型，CORDIC算法可工作在6種不同的模式，其中，CORDIC算法的基本原理如下所示：

[φ=-i=1ndi?αi， di∈-1，1]

[αi=tan-12-ixi+1=xi-di?2-1?yiyi+1=yi+di?2-1?xizi+1=zi-di?2-1?αidi=signzi] （1）

式中：[xi，yi]為輸入矢量；[xi+1，yi+1]為輸出矢量；[αi]是每次旋轉(zhuǎn)角度；[di]是每次迭代旋轉(zhuǎn)的方向；+1表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，-1表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。[di=signzi]是旋轉(zhuǎn)模式的旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)于向量模式：[di=-signyi]，求正弦，余弦值是用旋轉(zhuǎn)模式，初值[x0=x，y0=0]，當(dāng)[n→∞]， [zn→0]，則得[xn=kx0cosz0]，[yn=kx0sinz0]。數(shù)字下變頻中的NCO就是用CORDIC算法的旋轉(zhuǎn)模式求正弦、余弦。求相位是用向量模式：旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)是使[y]趨近于0。CORDIC算法通過[n]次微旋轉(zhuǎn)[αi]來獲得[φ]的相位值，由[zi+1=zi-di?αi]，則當(dāng)[n→∞]，[yn→0]，[zi→φ=arctanyixi]，從而完成輸入向量[xi，yi]的相位提取。

由于CORDIC算法可采用流水線型蝶形旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，特別適合FPGA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)每級(jí)流水線只包括加減法，移位寄存器和[tan-12-i]系數(shù)存儲(chǔ)器，適用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)占用的邏輯單元以及存儲(chǔ)器資源比較少，如果輸入的I/Q信號(hào)位數(shù)足夠高，同時(shí)CORDIC算法流水線技術(shù)合適，可以獲得高精度的相位輸出。

本軟件運(yùn)行的FPGA芯片是EP2SGX90EF1152，該芯片包含90 960個(gè)邏輯單元，總RAM存儲(chǔ)位4 520 448 b，嵌入式乘法器（18 b×18 b）192個(gè)。所有資源足以完成CORDIC算法和數(shù)字下變頻（DDC）算法。

3 軟件功能及構(gòu)成

本軟件主要完成雷達(dá)模擬輻射源多個(gè)波段信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)處理，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻（DDC）和信號(hào)參數(shù)實(shí)時(shí)測量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)?。利用?shù)字接收機(jī)的方法（或稱數(shù)字鑒相法）對(duì)寬帶高中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻，得到數(shù)字正交的基帶復(fù)信號(hào)，再利用直接相位差法求信號(hào)頻率參數(shù)。用計(jì)數(shù)器法求脈寬和脈沖到達(dá)時(shí)間（TOA）參數(shù)，利用秒脈沖接續(xù)計(jì)得脈沖的GPS時(shí)間參數(shù)。最后對(duì)測得的結(jié)果參數(shù)打包形成脈沖描述字（PDW）并實(shí)時(shí)上報(bào)。本軟件是用Verilog硬件描述語言編程[3?4]在FPGA中實(shí)現(xiàn)硬件DSP功能。其中數(shù)字下變頻（DDC）模塊和頻率測量模塊以及CORDIC算法的實(shí)現(xiàn)沒有采用ALTERA公司的IP核，為獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)。

本軟件包括以下幾個(gè)主要功能子模塊：數(shù)字下變頻模塊，頻率測量模塊，RS 422異步接口模塊，數(shù)據(jù)求模模塊，數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)傳輸模塊等。

組成框圖所示，該框圖也是本軟件頂層軟件的信號(hào)流程框架。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)采樣的中頻信號(hào)進(jìn)入數(shù)字下變頻（DDC）模塊，數(shù)字下變頻的原理[5?7]如下：

設(shè)輸入模擬中頻信號(hào)為：

[f（t）=A（t）cosω0t+φ（t）] （2）

采樣后得到序列：

[f（n）=A（t）cosωcn+φ（n）]

式中[ωc=2πf0fs]。

本地?cái)?shù)字振蕩器（NCO）產(chǎn)生的正交信號(hào)為：[cosωcn] 和[sinωcn]，與中頻信號(hào)在混頻器相乘后得：

[yI（n）=A2cos2ωcn+φ（n）+cosφ（n）yQ（n）=A2sin2ωcn+φ（n）-sinφ（n）]

通過低通濾波器，濾除帶外倍頻分量后可以得到有用的正交I/Q復(fù)信號(hào)：

[I（n）=A2cosφ（n）， Q（n）=-A2sinφ（m）] （3）

由于信號(hào)的采樣頻率較高，也就是式（3）的[I（n）]，[Q（n）]速率較高，一般遠(yuǎn)大于窄帶信號(hào)的帶寬，這時(shí)可對(duì)其進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換（抽?。┮越档痛藭r(shí)的輸出速率。以上的推算中數(shù)字混頻實(shí)現(xiàn)了頻譜搬移，數(shù)字濾波和抽取實(shí)現(xiàn)了有用信號(hào)提取。通常的DDC濾波器設(shè)計(jì)[8]是采用積分梳狀（CIC）濾波器或半帶（HB）濾波器作預(yù)處理，后用FIR濾波器做進(jìn)一步成形濾波處理。本設(shè)計(jì)中信號(hào)帶寬較寬，所以不適合采用CIC濾波器，而采用半帶（HB）濾波器級(jí)聯(lián)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)。數(shù)字下變頻框圖

半帶濾波器適用于抽取率為[2n]情況，計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，半帶濾波器特性有：濾波器偶數(shù)序列號(hào)（不包括0）沖擊響應(yīng)為0；HB濾波器頻率輸出抽取1/2后過渡帶有混疊，通帶無混疊；HB濾波器要求通帶和阻帶紋波相等。

根據(jù)HB濾波器特點(diǎn)以及濾波器系數(shù)對(duì)稱性設(shè)計(jì)的HB濾波器需要的乘法器的數(shù)目是普通FIR濾波器的[14]，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用常用的橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)，適合FPGA高速實(shí)現(xiàn)，一般作為DDC的前級(jí)濾波器。HB濾波器實(shí)際上是一種特殊的FIR濾波器。DDC中有限沖擊響應(yīng)（FIR）濾波器主要目的是對(duì)整個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行整形濾波，作為基帶低通濾波器，由于FIR濾波器位于半帶（HB）濾波器之后，經(jīng)過抽取數(shù)據(jù)率相對(duì)較低，因此階數(shù)可以設(shè)計(jì)的比較高，可以獲得較好的性能（通帶紋波，阻帶衰減以及過渡帶帶寬等）。一般常用的FIR濾波器是線性相位的，具有系數(shù)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，總運(yùn)算量可減少一半。DDC輸出的高信噪比，高鏡像抑制度I/Q復(fù)信號(hào)可以作為后續(xù)的頻率測量和脈寬測量的輸入信號(hào)。

在數(shù)字下變頻模塊中，本振信號(hào)的頻率字（FTW）受控于頻段碼和波段碼，根據(jù)不同的碼值加載不同的頻率字。數(shù)字本振（NCO）是利用CORDIC算法迭代實(shí)現(xiàn)的，數(shù)字混頻是采樣的數(shù)字信號(hào)與數(shù)字本振NCO相乘，實(shí)現(xiàn)了該頻段的頻譜搬移，之后是濾波處理，相乘后的信號(hào)經(jīng)18級(jí)半帶濾波器濾波并二分之一抽取，再經(jīng)32階FIR濾波器濾波并二分之一抽取，最終數(shù)據(jù)率降為原采樣率的[14]，得到正交的I，Q信號(hào)。

模擬信號(hào)的瞬時(shí)頻率[f（t）]與瞬時(shí)相位[φ（t）]的關(guān)系為：

[f（t）=dφ（t）dt]，則在數(shù)字域瞬時(shí)頻率[fi]和瞬時(shí)相位[φi]的關(guān)系為：[fi=φi+1-φi2πTs]，[φi]為CORDIC算法計(jì)算獲得的第i個(gè)樣本點(diǎn)的相位值，[Ts]為采樣間隔。頻率測量模塊就是利用上述數(shù)字下變頻模塊的I/Q信號(hào)，用直接求相位差的方法測頻，即先求相位[φi]，[φi=tg-1Q（i）I（i）]，[Q（i）]，[I（i）]分別為正交雙通道下變頻值，再計(jì)算相鄰點(diǎn)之間的相位差[Δφi]，依據(jù)相位差可測得到信號(hào)的頻率值[fi]，若是用查找表法求相位，要用很大的ROM資源存儲(chǔ)[Q（i）I（i）]映射到[φi]的值。本軟件采用CORDIC算法多次迭代求相位[φi]。相位的精度取決于迭代的次數(shù)，迭代的次數(shù)越多，越無限逼近實(shí)際相位。但是受限于窄脈沖的測量，迭代次數(shù)又不能太長，太長則無法有效測得窄脈沖的相位和頻率，本系統(tǒng)的最窄脈沖為0.5 μs，本模塊中相位是根據(jù)CORDIC算法的矢量模式取23級(jí)流水迭代而得。該模塊頻率值用30位二進(jìn)制數(shù)表示，精確到赫茲。實(shí)際測的頻率值是中頻的頻偏值，最終的射頻頻率值在數(shù)據(jù)處理和傳輸模塊中考慮不同情況分別計(jì)算。由于直接相位差法測頻對(duì)噪聲的影響比較敏感，因此最后需通過多點(diǎn)平均可獲得高精度的頻率。

將中頻采樣的中頻信號(hào)送入信號(hào)求模模塊，同樣先將信號(hào)數(shù)字下變頻（DDC），由于信號(hào)脈寬與采樣的樣本點(diǎn)有關(guān)，樣本點(diǎn)越多，分辨率越高。為提高脈寬測量的精度，中頻經(jīng)數(shù)字下變頻濾波后的數(shù)據(jù)只[12]抽取。直接經(jīng)32階FIR濾波器濾波并[12]抽取后數(shù)據(jù)率降為原來的[12]，將該信號(hào)送入信號(hào)求模模塊，對(duì)正交的I/Q信號(hào)求模，也就是數(shù)字檢波，以往的求模也是采用ROM查找表法，在不影響精度的前提下求模采用近似算法[9]，該算法只有乘加運(yùn)算，適合在FPGA中運(yùn)用，計(jì)算公式如下：

abs（L）=max（abs（I），abs（Q））

abs（S）=min（abs（I），abs（Q））

模值： [mod=maxabs（L）+18+132×abs（S），1-18-132×abs（L）+12+116-1128×abs（S）] （4）

近似求模運(yùn)算法最大偏差不超過0.12 dB。

因?yàn)榍竽２⒉皇悄康?，求模只是為了提取脈沖沿的信息，有了沿的信息就可得到脈沖到達(dá)時(shí)間及脈寬信息。根據(jù)求得的模值特征設(shè)定比較門限，當(dāng)模值超過門限時(shí)即可判定是脈沖信號(hào)，當(dāng)判定是上沿時(shí)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)判定是下沿到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)，計(jì)算上下沿的總長度即為脈寬，本摸塊的脈寬測量精度可達(dá)20 ns左右。

RS 422異步接口模塊主要是實(shí)現(xiàn)直接對(duì)計(jì)算機(jī)板的RS 422異步串口通信，用以接收計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的GPS時(shí)間數(shù)據(jù)，RS 422串口波特率是14 400 b/s，發(fā)送數(shù)據(jù)8位，起始一位0，停止一位1，每個(gè)字節(jié)共10位，接收任務(wù)是該模塊通過用將采樣時(shí)鐘經(jīng)數(shù)字鎖相環(huán)鎖相輸出的16倍串口波特率的時(shí)鐘將RS 422串口數(shù)據(jù)可靠地接收下來，確保在數(shù)據(jù)中間取數(shù)，每個(gè)字節(jié)先發(fā)低位，依據(jù)該GPS時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)合秒脈沖在本模塊內(nèi)繼續(xù)計(jì)時(shí)，以供數(shù)據(jù)傳輸時(shí)實(shí)時(shí)取數(shù)打包結(jié)合其他參數(shù)形成脈沖描述字。

數(shù)據(jù)處理及實(shí)時(shí)傳輸模塊：本模塊先對(duì)來自頻率測量模塊的頻率值作自適應(yīng)多點(diǎn)求均值處理，所謂自適應(yīng)即是自動(dòng)調(diào)整求均值樣本點(diǎn)數(shù)，有8點(diǎn)平均，16點(diǎn)平均，32點(diǎn)平均等，因?yàn)镃ORDIC算法采用了23級(jí)流水迭代，在窄脈沖的情況下有效數(shù)據(jù)只有一兩個(gè)，因此在滿足窄脈沖測量精度的前提下，盡可能采用多點(diǎn)平均，這樣可提高寬脈沖的測頻精度。再結(jié)合各波段各頻段的情況計(jì)算出此時(shí)模擬輻射源的射頻頻率值。最終上傳的頻率值是發(fā)射射頻信號(hào)頻率值，需重新計(jì)算射頻頻率值，計(jì)算公式為：射頻頻率值=各波段中心頻率值+各頻段中心頻率值+頻偏值，此時(shí)的頻率值為30位，精確到赫茲，受高重頻傳輸數(shù)據(jù)的限制，不可能傳輸長序列數(shù)據(jù)，在滿足測量指標(biāo)要求前提下對(duì)頻率值作截位處理，用19位二進(jìn)制數(shù)表示，此時(shí)頻率值精確到1 kHz。

本軟件有一個(gè)200 MHz計(jì)數(shù)器作為本機(jī)秒脈沖接續(xù)計(jì)數(shù)的時(shí)鐘，秒脈沖的前沿觸發(fā)復(fù)位并開始計(jì)數(shù)，循環(huán)計(jì)數(shù)，因此秒脈沖的計(jì)數(shù)精度為5 ns。脈沖到達(dá)時(shí)間TOA的計(jì)算是當(dāng)判定的脈沖上沿到達(dá)時(shí)記下此時(shí)的計(jì)時(shí)的時(shí)間值。因此TOA的精度也為5 ns。

另外來自RS 422接口模塊的GPS時(shí)間數(shù)據(jù)在此接續(xù)計(jì)時(shí)，形成時(shí)分秒時(shí)間值，該時(shí)間值也比外送的GPS時(shí)間值精度高得多，這都得益于FPGA采用了EP2SGX90系列器件，能夠運(yùn)行200 MHz時(shí)鐘。最后GPS計(jì)時(shí)值與頻率值，脈寬值和TOA值按傳輸協(xié)議形成脈沖描述字（PDW）通過RS 422同步串口以10 Mb/s數(shù)據(jù)率實(shí)時(shí)發(fā)送出去，傳輸是當(dāng)最后一個(gè)測量參數(shù)計(jì)算出來后開始打包發(fā)送。參數(shù)測量數(shù)據(jù)為同步串行一幀一幀傳輸，每幀88 b，每個(gè)重頻周期傳送一次，數(shù)據(jù)格式為：字頭5H（4 b）+GPS時(shí)分秒（17 b）+頻率值（19 b）+脈寬（16 b）+TOA值（28 b）+字尾AH（4 b）。

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)的參數(shù)測量模塊實(shí)際上是軟件無線電的應(yīng)用，軟件大框架不變，只要修改部分參數(shù)就可完成不同的任務(wù)。如只要改變NCO的頻率字（FTW），并修改濾波器系數(shù)，就可完成不同中頻及帶寬的信號(hào)采樣及下變頻處理，因此使用硬件描述語言編程完成了大部分硬件功能或硬件不方便實(shí)現(xiàn)的功能，使硬件的設(shè)備量大大減少，系統(tǒng)成本也大幅降低，設(shè)計(jì)也更靈活。本軟件已在某雷達(dá)產(chǎn)品中使用，驗(yàn)證，效果良好，具有一定的借鑒和示范作用，可適用于通信，雷達(dá)及電子對(duì)抗領(lǐng)域。

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