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浅谈基于FPGA的雷达信号处理系统设计及实现

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2013年第2期 (总第124期) 信息通信 INFORMAT10N&C0MMUNICATIONS 2013 (Sum.No 124) 浅谈基于FPGA的雷达信号处理系统设计及实现 路静 (中国电子科技集团公司第27研究所,河南郑州450047) 摘要:提出一种基于DBF技术的某型导引头信号处理机设计方案,并具体分析了以某公司Vi ̄ex4 SX55 FPGA作为数 字信号处理的核心器件,实现对6阵元阵列天线接收的回波信号进行实时采集和处理,对系统硬件和软件总体设计及基 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电路模块的设计。 关键词:FPGA;雷达信号处理系统;设计;实现 中图分类号:TN713.7 文献标识码:A 文章编号:1673—1131(2013)02.0051—02 在精确控制技术的研究中,对雷达信号的处理是一项关 键技术,通过对雷达信号的处理可以形成一个控制信号使得 制导设备与雷达发送的信息实现同步,利用计算机等技术的 辅助就可完成工作需求。本文将研究采用脉冲多普勒、数字 波束等技术为基础设计一个雷达信号处理器,即利用FPGA平 台来完成对雷达处理系统的构建。 1系统方案设计 在当前针对雷达信号处理系统设计主要有三种思路,即 DSP技术、FPGA+DSP技术、以及FPGA技术。在本文研究的 处理系统是以FPGA为基础进行设计的,主要针对的是高速 信号处理领域。因为FPGA技术优势就在于适应高速数据采 集与控制,当前的主流FPGA设备均带有硬件加速设备、逻辑 单元、流水处理模块,可以在高速下完成负载的FFT、FIR、卷 积、函数、矩阵等运算。高端的FPGA设备更与DSP单元、 RAM、MGT等高速模块结合,带有DDR二代数控模块的IP 内核也是其突出的特征,这些可以保证其在高速下运算的准 确性。同时FPGA在软件编辑方面较为灵活且相对简单。具 体思路如下图1所示: t I 鞠t 旃|劫船峰 ‘ 麸l6酶 0 奉 瞬罂 l攒魅穗l l鞭魁 fI 潮 样I I^,a鬻棒II德甘糠 ;-t由….-l-….j  母褴正1 I储蟹槛稚l寥l鞭避 糖粥 工二 £罐瓣靛 匝 l城n 发射螭 图1信号处理系统设计框图 输入电路对回波信号进行处理,完成后进行ADC处理, 随后进行信号搬移,形成20MHz信号,并对其进行信号校正, 随后形成一个12路的I/Q信号,并进行计算,完成后处理为一 个信号,通过FIR滤波器对数字信号进行过滤,形成30MHZ 谐波。因为发射器信号利用伪码调节,所以DBF信号认可按 照此方式解码。完成滤波后进行相参数计算,就可进行FI可 转换,完成限门比较后,当出现回波时就给出相关信号频率, 并给出启动信号。 2系统实现方法 2.1硬件组成 (1)信号采样:按照性能需求,系统外界的堵路模拟信号, 信号的频率为100MHz,其输入信号的为1v,分辨率为0.5mv。 所以采用2片A/D转换作为其核心模块,满足其信号处理的 需要,如ADS6444模块。 (2)信号转换模块:在处理中合作调频模式需要在外输出 100MHz的基础上完成,所以在D/A转换电路设计上,采用以 MAX5887模块为主的处理模块,其功能上满足了14位、 500MAPS数模转换的功能。工作额定电压为3.3v,在76dBc 无杂动态范围内保证处理效果。此DAC还支持速率更新,而 功率相对小于230mW。 (3)控制信号输出模块:控制信号是系统的重要模块,其 输出为TTL信号,所采用的是+5V供电,而数据芯片的电压为 3.3V的LVTTL电平,所以要保证信号的准确就必须进行转 换,所以在设计中选择I/O缓冲模块来实现对二者的转换。I, 0缓冲模块可以采用美国公司所生产的高位数缓冲器,如 SN74ALVTH16245,就可以实现电平的转换,最大开关频率可 以大于80MHz,同时输出电流大可以带动功率较高的设备工 作。 (4)时钟模块:数据与模拟信号的转换、FPGA工作都需要 一个高稳定性的时钟系统,对整个系统提供时间控制,而这里 选择的是专用的时钟芯片,如AD9517等,来产生系统中所需 的各种时钟参数。该芯片是一个高频率的时钟发生器,优势 明显,在工作中噪声低,VCO提供的频率改变范围较大,4路 LVPECL时钟扇出,输出的频率也可在大范围可调,多路扇出 可以设置为双倍即8路CMOS时钟扇出,且其相位可以根据 运行情况调整。 (5)FPGA模块设计:处理器的核心就是FPGA,其不仅仅 需要对A/D进行处理也要对D/A过程、控制信号产生、核心算 法实现、各种接口调用、信号数据输入输出等进行控制,所起 其是整个系统的核心。在此按照高速化需要,选择XilinxVir— tex4 SX55作为核心单元。该芯片包含了512个DSP处理单 元,具有强大的数据处理性能,可以满足整个信号处理系统的 运算需求。 (6)电源模块设计:电源是整个系统运行的关键,在系统 设计中选择采用+12V的外部电源对系统供电,并将其分 为各种幅值的电压对不同模块进行供电,满足了各个模 块的电压需要,以保证系统运算的稳定性。 2.2系统软件设计思路 从FPGA的角度,要完成信号处理算法,这个程序选择的 是模块公司所提供的编程工具进行编程,对数字信号处理的 过程建模与设计。该软件主要是针对FPGA为基础构建的高 速信号处理系统。利用专业的FPGA开发高速并行系统提供 51 2013年第2期 (总第124期) 信息通信 INFORMATION&COMMUNICAT10NS 2013 (Sum.No 124) 基于AT89C205 1的直流数字电压表设计 王书士,朱宇川 (空军航空仪器设备计量总站,北京100070) 摘要:本设计是以单片机AT89C2051为控制核心,ADC0804为模数转换芯片,三位数码管为显示单元的三位直流数字 电压表,使用误差在±0.2V左右,具有电路设计简洁,使用方便,测量灵敏度高,精度可靠等特点,适用于一般的直流电压 测量,具有一定的使用价值,适合实验室环境使用。 关键词:单片机AT89C2051;模数转换芯片;测量 中图分类号:TP368 文献标识码:A 文章编号:1673—1131(2013)02.0052-02 Design of Digital Voltage Meter Based on AT89C2051 Abstract:The design is based on microcontroller AT89C205 1 to control,ADC0804 analog—to-digital conve ̄er chip,three dig— itl adisplay unit three DC digital voltmemr,the error is about±0.2V,circuit design is simple,easy to use,measurement sensitivity high reliability,accuracy,suitable for DC voltage measurements and has a certain value in use,suitable or fhe tuse of a laboratory environment. Key words:microcontroller AT89C205 1;A/D converter chip:measure 数字电压表(DVM)是将被测的电压模拟量自动转换成开 关量,然后进行显示出来的一种电测仪表。随着电子技术的 高速发展,数字电压表已成为一种必不可少的测量仪器,广泛 运用于电子、电工测量,自动化计测系统等领域。本设计是在 以单片机AT89C2051为控制中心的基础上组建的数字电压 表,硬件电路设计简单,具有方便读数,使用误差小,稳定性好 DB[0…7】将二进制数送至单片机控制模块。单片机控制模块 的控制核心采用单片机AT89C2051,其作用对模数转化模块 传输来的数据进行分析处理,继而驱动显示模块的数码管对 测试结果进行显示。系统的设计框图为图1所示。 2各部分功能模块设计 2.1 A/D转换电路 由于单片机只能对数字信号进行控制处理,因此首先要 对待测电压进行A/D转化,将采样的电压信号由模拟量转化 为数字信号,本系统采用ADC0804作为转换芯片。 ADC0804是采用CMOS集成工艺制作成的具有8位分 辨率的模数转化芯片,具有精度较高,数据转换时间短的特点, 其输入电压范围是0~5.1 V。 “等特点,对于日常的简单测量具有较高的应用价值。 1系统设计方案 通过对数字电压表的功能分析,我们可以将其分为模数 转化模块、单片机控制模块以及显示模块三部分。模数转化 模块采用ADC0804为模数转化芯片,其作用是对待测电压进 行采样分析,将模拟信号转化为8位的二进制数,并通过端口 +一+一+”+”+一+”+・ 建模以及从Simulink与Matlab自动代码生成功能,软件整合了DSP 系统中的多个嵌入式功能,实现了兼容性建模。利用信号处理、 纠错、算法、储存器等逻辑模块,可以构建一个完善的DSP系统。 Xilinx模块集提供的模块可以使用户导人Malfab功能(如创建控 制电路)及HDI模块,迅速完成复杂的数字信号处理算法设计。 线的夹角较小的情况下,会出现接收天线增益效果不足的情 况。从而导致整个DBF系统没有办法实现对主要目标的对准。 4结语 经过上面的分析,文章明确提出一种在FPGA技术支持 3系统测试 测试条件:在研究所设置的暗室中,实现不可见效果。 测试参数:利用15mm接收天线搭建一个均匀的直线阵 列,发射天线、雷达数字信号处理电路、转台以及其辅助设备。 测试方式:将接收天线放置在转台上,以0。为起始时刻, 测试信号源则放置在转台的前方,并在90。延长线上,此时设 定不同的接收夹角,完成对信号的接收与处理过程,并对天线 方向图进行绘制与分析。具体操作方法:试验中在直x轴,法 上的雷达数字信号处理系统,其接收机采用可以采用脉冲多 普勒、数字波束形成等主流雷达技术,并对其采集的信号进行 处理,实现从接收到制导的全部过程,经过分析说明该技术的 有效性是可以满足实际需求的,并在试验中获得了基本一致 的结论。这就说明建立在FPGA技术上的高速雷达信号处理 系统在实际的应用中是可以获得较好效果的,经过不断的改 进可以达到实际应用需求。 参考文献: [1】王文海.基于FPGA的数字滤波器自动生成系统研究【J1. 价值工程,201 1(19) 向线为Y轴的标准下,对天线夹角调整,形成20。、60。、90。三 个方向,并调试矩阵天线权值,使之主瓣方向始终指向信号源。 测试结果:在测试中获得三个测试的结果,在分析后可以 得出,实际测量天线的方向图的包络与理想条件下的所应形成 的图形是基本一致的,这就说明在经过上面的设计而形成的雷 达数据处理系统是可行的,其数字信号的处理结果也基本上达 到了理想波束合成对数字电路的性能的基本要求。但是也应 看到,在天线设置上因为接收元较少。所以在信号源与阵列天 52 【2]孙祯彬,赵广浩.基于FPGA的伪随机序列调频系统【JJ.科 技创新导报,201 1(24) [3] 张改莲.基于FPGA的嵌入式系统设计fJ].价值工程,201 1(19) 作者简介:路静(1972.),女,河南郑州人,高级工程师,从事信 息通信和雷达信号处理方面的研究和开发工作。 

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