現(xiàn)代雷達(dá)特別是機(jī)載雷達(dá)數(shù)字信號處理機(jī)的特點是輸入數(shù)據(jù)多,，工作模式復(fù)雜，信息處理量大,。因此,，在一個實時信號處理系統(tǒng)中，雷達(dá)信號處理系統(tǒng)要同時進(jìn)行高速數(shù)據(jù)分配,、處理和大量的數(shù)據(jù)交換[1],。而傳統(tǒng)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計思想是基于任務(wù)，設(shè)計者針對應(yīng)用背景確定算法流程,，確定相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，再將結(jié)構(gòu)劃分為模塊進(jìn)行電路設(shè)計。這種方法存在一定的局限性,。首先,，硬件平臺的確定會使算法的升級受到制約，由此帶來運算量加大,、數(shù)據(jù)存儲量增加甚至控制流程變化等問題[1],。此外，雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的任務(wù)往往不是單一的,，目前很多原來由模擬電路完成的功能轉(zhuǎn)由數(shù)字器件來處理,。系統(tǒng)在不同工作階段的處理任務(wù)不同,需要兼顧多種功能。這些問題都對通用性提出了進(jìn)一步要求[2],。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù),、高速串行處理及各種先進(jìn)算法的飛速發(fā)展,，利用高速DSP和FPGA相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是解決上述問題的有效途徑,。
1 雷達(dá)信號處理機(jī)方案設(shè)計
1.1 雷達(dá)信號處理的目的
    現(xiàn)代機(jī)載雷達(dá)信號處理的任務(wù)繁重，主要功能是在空空方式下將AD數(shù)據(jù)錄取后進(jìn)行數(shù)字脈壓處理,、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和重排,、加權(quán)降低頻譜副瓣電平，然后進(jìn)行匹配濾波或相參積累(FFT或DFT),、根據(jù)重復(fù)頻率的方式進(jìn)行一維或二維CFAR處理,、跟蹤時測角等運算后提取出點跡目標(biāo)送給數(shù)據(jù)處理機(jī)?？盏胤绞较逻€要進(jìn)行地圖(如RBM和SAR)等相關(guān)圖像成像處理,，最后坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成顯示數(shù)據(jù)送給顯控處理機(jī)。
    上述任務(wù)需要基于百萬門級可編程邏輯器件FPGA與高性能DSP芯片作為信號處理模塊,，以充分滿足系統(tǒng)的實時性要求,，同時為了縮短機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的研制周期和減少開發(fā)經(jīng)費,，設(shè)計的基本指導(dǎo)思想是通用化的信號處理模塊，可以根據(jù)不同要求,，通過軟件自由修改參數(shù),，方便用戶使用。
1.2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計方案
    如圖1所示的功能模塊,，除了信號處理所必需的脈沖壓縮模塊,、為MTD模塊作準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)重排模塊、FIR濾波器組模塊,、求模模塊,、恒虛警處理模塊和顯示數(shù)據(jù)存儲模塊外，還包括雷達(dá)同步信號和內(nèi)部處理同步產(chǎn)生模塊,、自檢數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊以及不同測試點測試數(shù)據(jù)采樣存儲模塊,。這些模塊更加豐富了系統(tǒng)的功能，使得雷達(dá)系統(tǒng)的研制者能夠更方便地測試和觀察信號處理各功能模塊的工作情況,。

    主要功能模塊的具體功能描述如下[3,，4]：
    (1)正交采樣是信號處理的第一步，擔(dān)負(fù)著為后續(xù)處理提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)的任務(wù),，中頻接收機(jī)輸出的信號先通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣,，然后進(jìn)行正交解調(diào)，以獲得中頻信號的基帶信號(也稱為中頻信號的復(fù)包絡(luò))的I,、Q兩路正交信號,，采樣的速率和精度是需要考慮的首要問題，采樣系統(tǒng)引起的失真應(yīng)當(dāng)被限定在后續(xù)信號處理任務(wù)所要求的誤差范圍內(nèi),。
    (2)脈沖壓縮模塊是在發(fā)射峰值功率受限的情況下,，使用匹配濾波器將接收到的寬脈沖信號變成窄脈沖且保持能量不變，以獲得更高的距離分辨力和較遠(yuǎn)的探測距離,，使得雷達(dá)作用距離和距離分辨力之間的矛盾得到較好的解決,。
    (3)MTD模塊通過各種濾波器，濾出雜波而取出運動目標(biāo)的回波,，從而大大改善了雜波背景下檢測運動目標(biāo)的能力,，而且提高了雷達(dá)的抗干擾能力。
    (4)采用恒虛警模塊能夠隨著觀測目標(biāo)的背景雜波大小而自適應(yīng)調(diào)整地門限代替固定門限,，以防止雜波干擾增大時虛警概率過高,，從而保證當(dāng)雜波功率或其他參數(shù)發(fā)生變化時，輸出端的虛警概率保持恒定,。
2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)
    基于以上實現(xiàn)方案,，雷達(dá)信號處理器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要硬件資源為：一片Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VSX55 芯片,，該系列器件整合了高達(dá)200 000 個邏輯單元,，系統(tǒng)時鐘高達(dá)500 MHz,，并具備高密度和低功耗的特點；一片TI公司的TMS320C6416芯片,，系統(tǒng)時鐘達(dá)600 MHz～1 GHz,，運算速度可以達(dá)到4 800 MIPS，用戶可根據(jù)對處理速度的需要,，選擇不同的工作主頻,；12片ADI公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9765。

    該信號處理流程可分為3個階段：(1)預(yù)處理,，由雷達(dá)接收機(jī)接收到的信號經(jīng)過放大器,，濾波后通過A/D進(jìn)行采樣，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及數(shù)字脈沖壓縮,；其次是信號處理階段,，信號處理系統(tǒng)根據(jù)工作方式，完成相參積累,、MTD檢測及CFAR,，或者完成圖像處理，例如實波束地圖(RBM)和SAR,，主要通過寫入主處理FPGA算法完成,；(2)處理主要完成結(jié)果的匯總、噪聲統(tǒng)計以及諸如抗干擾之類的處理,，這一過程主要由扮演協(xié)處理器的DSP芯片組處理,，并進(jìn)行轉(zhuǎn)存結(jié)果并顯示。通訊接口采用RS-232串行接口連接器的9針DB9,，實際使用時只使用了其中的RXD,、TXD、信號地三條線,；(3)由于RS-232電氣規(guī)定與常用的TTL或CMOS電平不兼容,，故在與相關(guān)電路連接時，要使用專門的電平轉(zhuǎn)換芯片[6],。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    雷達(dá)信號處理機(jī)的軟件設(shè)計包括兩方面：FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計和DSP控制程序設(shè)計,。
3.1 FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計
    FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心,，主要功能是雷達(dá)回波數(shù)字信號的處理以及DSP接口和其他對外接口邏輯設(shè)計,。雷達(dá)回波信號處理是本系統(tǒng)的核心，包括數(shù)字正交解調(diào),、脈沖壓縮處理,、MTD、恒虛警處理等算法的硬件實現(xiàn),。
    另外,，F(xiàn)PGA還需要完成與計算機(jī),、DSP以及數(shù)模轉(zhuǎn)化器的通訊功能。與通用計算機(jī)采用RS-232串行通訊接口,，與DSP通過EMIF連接實現(xiàn)FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)交換與存儲,。因此，F(xiàn)PGA在邏輯設(shè)計時主要包括RS232接口邏輯,、與DSP接口邏輯,、信號處理算法邏輯以及輸出邏輯4個部分。
3.2 DSP控制程序設(shè)計
    DSP在整個系統(tǒng)中起著控制,、調(diào)整的作用,，DSP與FPGA之間通過EMIF連接實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的DSP軟件設(shè)計包括接收程序和串口程序兩部分,。接收程序完成從FPGA讀取目標(biāo)處理結(jié)果任務(wù),，數(shù)據(jù)接收后存儲在內(nèi)部RAM中。串口程序完成處理后信號到下位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)送任務(wù),。程序從判斷串口的FIFO為空引起中斷開始,，讀取DSP內(nèi)部RAM緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，并按照通信協(xié)議由串口發(fā)送目標(biāo)結(jié)果信息,。
4 主要特點
    設(shè)計的信號處理系統(tǒng)最突出的特點是高度并行,、數(shù)據(jù)吞吐量大及實時性高。以大規(guī)模FPGA及高性能DSP共同構(gòu)造的信號處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：
    (1)軟硬功能的重新劃分及軟硬協(xié)同,。對于一個算法,，用硬件實現(xiàn)的特點是速度快實時性強(qiáng)，但硬件設(shè)計較為復(fù)雜,、靈活性差,、精度較受限制。此系統(tǒng)可以在速度與精度要求上達(dá)到相對平衡,。
    (2)對外具有豐富的接口,，既可以當(dāng)作一塊獨立的板卡使用，也可以在CPCI機(jī)箱上作為標(biāo)準(zhǔn)板卡使用,；同時,，其具有豐富的底層軟件庫，可以提供良好的二次開發(fā)空間,。
    (3)設(shè)計的通用化的信號處理模塊,，可以根據(jù)不同的要求，通過軟件自由修改參數(shù),，方便用戶使用,。
    (4)高速串行互聯(lián)技術(shù)的成熟，解決了多年來一直困擾系統(tǒng)發(fā)展的帶寬不足問題,，用串行通道取代并行總線已成為趨勢,，并且其優(yōu)勢是顯而易見的,。
5 應(yīng)用舉例
    選擇機(jī)載雷達(dá)的模擬回波信號在L結(jié)構(gòu)(LPRF和MPRF模式簡稱L結(jié)構(gòu))下進(jìn)行處理，通過計算機(jī)仿真分析系統(tǒng)的可操作性以及可靠性,。在L結(jié)構(gòu)下,，各個參數(shù)如表1所示?？梢钥闯鲋皇敲}沖重復(fù)周期和信號形式的不同,，因此只需要根據(jù)不同的信號選擇不同的脈沖壓縮系數(shù)即可。

    (1)混頻：由于中頻60 MHz,，采樣48 MHz,，故混頻NCO頻率為12 MHz，如圖3所示,。

    (2)DDC：由于濾波器的影響,，經(jīng)過抽取后的數(shù)據(jù)率應(yīng)大于等于信號帶寬的1.25倍，即抽取后的數(shù)據(jù)率應(yīng)大于2.5 MHz,，選取抽取率為8,，則抽取濾波器的階數(shù)為160階,抽取后數(shù)據(jù)速率為6 MHz。下變頻后信號I（XS05輸出),、Q(XS06輸出)由DA送出可供觀察,，如圖4所示。

    (3)脈沖壓縮：LPRF有3種信號形式：7位巴克碼,，13位巴克碼,，線性調(diào)頻。因此需要不同的匹配濾波器系數(shù),，此處信號處理根據(jù)不同的信號形式自動切換,。圖5是線性調(diào)頻信號脈壓后的仿真波形。

    (4)動目標(biāo)檢測及恒虛警：MTD采用8點的FFT實現(xiàn),，恒虛警采用兩邊距離單元平均算法,，保護(hù)單元為2，平均單元為8,。如圖6所示為經(jīng)過FFT后8個通道取模仿真波形以及恒虛警門限仿真波形,，此圖中恒虛警系數(shù)為1。

    雷達(dá)信號處理是雷達(dá)系統(tǒng)的一個極其重要的組成部分,，現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展越來越倚重于信號處理,。本文基于FPGA的可編程系統(tǒng)，從而具有設(shè)計靈活,、集成度高,、功耗低,、開發(fā)周期短以及開發(fā)成本低的優(yōu)點,，實現(xiàn)了一個通用的雷達(dá)信號處理機(jī)平臺,。實驗表明，這種信號處理機(jī)實時處理能力強(qiáng),，結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性強(qiáng),，對雷達(dá)信號處理算法的適應(yīng)能力較強(qiáng)，并且工作穩(wěn)定可靠,。
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