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。
