基于FPGA的雷達數(shù)字信號處理機設計

　　本文采用脈沖多普勒、數(shù)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(shù)字信號處理機。本處理器采用FP GA平臺實現(xiàn)，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(tǒng)方案設計

　　目前，主要采用三種方法實現(xiàn)雷達數(shù)字信號處理系統(tǒng)設計：基于DSP技術實現(xiàn)雷達數(shù)字信號處理，基于“FPGA+DSP”技術實現(xiàn)和基于FPG A技術來實現(xiàn)。本方案選用Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55，其屬于Xilinx SX系列，專用于高速數(shù)字信號處理領域，F(xiàn)PGA非常適合于高速數(shù)據(jù)的采集控制、高速數(shù)據(jù)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(shù)乘加、卷積、三角函數(shù)以及矩陣運算等數(shù)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(shù)據(jù)控制器等IP核，這些均是實現(xiàn)高速實時數(shù)字處理的重要資源。此外，F(xiàn)PGA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(shù)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(jù)項目的設計需求，設計的雷達數(shù)字信號處理機系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

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　　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(shù)字信號;采樣后的信號經頻率搬移，將100MHz的中頻信號搬移到20MHz，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(shù)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(shù)字波束形成(DBF)，得到一路合成信號;通過FIR低通濾波器，對數(shù)字波束合成后的信號進行數(shù)字濾波，濾除30 MHz以上的諧波信號;由于發(fā)射信號采用了偽碼調相技術，所以對DBF后的信號依照發(fā)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(shù)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)實現(xiàn)

　　2.1 硬件設計

　　結合系統(tǒng)需求和系統(tǒng)總體設計，本系統(tǒng)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：

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　　(1)A/D采樣部分

　　根據(jù)性能指標，系統(tǒng)外接6路模擬信號，信號頻率為100MHz，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實現(xiàn)帶通欠采樣，單片ADS6444支持4通道模/數(shù)轉換，最高采樣頻率為105 MHz，采樣位數(shù)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(shù)據(jù)調理芯片THS4513，能滿足系統(tǒng)對采樣電路的需求。

　　(2)D/A轉換電路

　　無論是調頻連續(xù)波或脈沖多普勒調制方式，均需要對外輸出100MHz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，它是14位、500 MSPS數(shù)模轉換器(DAC)，工作電壓為3.3 V，提供76 dBc的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)(fout=30 MHz時)。該DAC支持500MSPS的更新速率，且功耗小于230mW。

　　(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(shù)據(jù)處理芯片F(xiàn)PGA采用的為3.3 V的LVTTL電平，為實現(xiàn)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(xiàn)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SN74ALVTHl6245，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(shù)/模轉換部分、模/數(shù)轉換部分、FPGA正常工作均需要低抖、高穩(wěn)定性的時鐘，在此使用專用時鐘芯片AD9517來產生系統(tǒng)需要的各個時鐘。AD9517是一款集成高頻時鐘發(fā)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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理、D/A轉換的數(shù)據(jù)輸出、控制信號的產生、核心算法的實現(xiàn)、USB調試接口的數(shù)據(jù)輸入/輸出等，是整個系統(tǒng)設計的重要部分。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，使用了Xilinx Virtex4SX55。Virtex4 SX55含有512個DSP處理單元，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足本系統(tǒng)的信號處理需求。