基于FPGA的雷达数字信号处理机设计

　　本文采用脉冲多普勒、数字波束形成等技术，为某型雷达导引头信号项目设计了其关键部分——雷达数字信号处理机。本处理器采用FP GA平台实现，文中详细介绍了该处理器基于FPGA的基频信号产生模块、回波信号采集模块、控制信号产生模块和时钟模块等硬件模块的设计思路。

　　1 系统方案设计

　　目前，主要采用三种方法实现雷达数字信号处理系统设计：基于DSP技术实现雷达数字信号处理，基于“FPGA+DSP”技术实现和基于FPG A技术来实现。本方案选用Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55，其属于Xilinx SX系列，专用于高速数字信号处理领域，FPGA非常适合于高速数据的采集控制、高速数据传输控制，且目前的主流FPGA均含有硬件乘加器、大量的逻辑单元、流水线处理技术等硬件结构，可高速完成FFT、FIR、复数乘加、卷积、三角函数以及矩阵运算等数字信号处理。高端FPGA更是含有大量的DSP单元、RAM单元、MGT高速传输单元、DDRII数据控制器等IP核，这些均是实现高速实时数字处理的重要资源。此外，FPGA编程灵活，易于升级。其高度集成性和高灵活性使对外部硬件的需要更少，额外的硬件开销大大减小，非常适用于雷达数字信号的处理和将来的算法升级。因此本方案采用FPGA技术进行雷达信号的处理。

　　根据项目的设计需求，设计的雷达数字信号处理机系统整体框图如图1所示。

　　

 

　　输入调理电路对接收到的回波信号进行预处理，预处理过后的信号经ADC转换为数字信号;采样后的信号经频率搬移，将100MHz的中频信号搬移到20MHz，然后对6个通道的信号进行幅度校正，消除通道间的不平衡问题。校正后的6路信号分别与两个正交本振信号相乘，进行数字混频，完成信号的正交分解，得到12路I/Q正交信号。12路I/Q信号与预先设置的权值进行加权计算并进行累加，完成数字波束形成(DBF)，得到一路合成信号;通过FIR低通滤波器，对数字波束合成后的信号进行数字滤波，滤除30 MHz以上的谐波信号;由于发射信号采用了伪码调相技术，所以对DBF后的信号依照发射信号的m序列进行伪码解调(即对回波信号进行相位变换)，完成回波信号的解码。对滤波后的信号进行相参累积，累积次数达到设定值后，进行FFT变换;FFT结果与检测门限进行比较，当发现回波信号特征时，给出回波的通道号和频率，并给出启动信号。

　　2 系统实现

　　2.1 硬件设计

　　结合系统需求和系统总体设计，本系统的硬件主要包括A/D采样部分、D/A输出部分、控制信号输出部分、时钟部分、FPGA设计及配置、电源管理等六大部分，总体框图如2图所示。各功能模块介绍如下：

　　

 

　　(1)A/D采样部分

　　根据性能指标，系统外接6路模拟信号，信号频率为100MHz，输入信号幅度为±1 V，幅度分辨率为0.5 mV。因此设计了两片A/D转换模块ADS6444实现带通欠采样，单片ADS6444支持4通道模/数转换，最高采样频率为105 MHz，采样位数为14 b的高性能A/D转换电路，输入信号量程为2 VPP，幅度分辨率为0.12 mV。配合前端数据调理芯片THS4513，能满足系统对采样电路的需求。

　　(2)D/A转换电路

　　无论是调频连续波或脉冲多普勒调制方式，均需要对外输出100MHz的基频信号，因此设计了D/A转换电路。D/A转换芯片采用MAX5887，它是14位、500 MSPS数模转换器(DAC)，工作电压为3.3 V，提供76 dBc的无杂散动态范围(SFDR)(fout=30 MHz时)。该DAC支持500MSPS的更新速率，且功耗小于230mW。

　　(3)控制信号输出部分

　　控制信号输出TTL的信号，TTL信号采用+5 V供电，而数据处理芯片FPGA采用的为3.3 V的LVTTL电平，为实现信号的正确传输，需要信号转换，因此设计了I/O缓冲模块实现LVTTL到TTL的信号转换。I/O缓冲器使用采用美国TI公司的16位同向缓冲器SN74ALVTHl6245，可以完成LVTTL到TTL的电平转换，最高开关频率可以达到80 MHz以上，同时输出电流大，可以带动高功耗设备。

　　(4)时钟部分

　　数/模转换部分、模/数转换部分、FPGA正常工作均需要低抖、高稳定性的时钟，在此使用专用时钟芯片AD9517来产生系统需要的各个时钟。AD9517是一款集成高频时钟发生器，具有如下特点：低相位噪声、VCO频率变化范围为1.75～2.25 GHz，4路LVPECL时钟扇出，输出频率范围为50 MHz～1.6 GHz可调，4路LVDS时钟扇出，输出频率范围为25～800 MHz可调，4路LVDS时钟扇出可设置为8路CMOS时钟扇出，且相位可调、可串行控制。

　　(5)FPGA设计

　　FPGA要完成对A/D采样数据的数据处理、D/A转换的数据输出、控制信号的产生、核心算法的实现、USB调试接口的数据输入/输出等，是整个系统设计的重要部分。根据系统需求分析，使用了Xilinx Virtex4SX55。Virtex4 SX55含有512个DSP处理单元，具有强大的数据处理能力，能够满足本系统的信号处理需求。