基于FPGA+DSP+ARM硬件平臺下的雷達信號處理系統(tǒng)設計.doc

基于FPGA+DSP+ARM硬件平臺下的雷達信號處理系統(tǒng)設計 張洪峰 （中國電子科技集團第三十八研究所，安徽合肥230031） 【摘要】在全世界范圍內(nèi)，尚有很多20世紀俄制雷達，服役于第三世界許多國家。主要介紹對這些俄制雷達數(shù)字端進行升級換代的方案：使用大規(guī)模FPGA器件、高速專用DSP芯片、以及ARM嵌入式計算機模塊來實現(xiàn)信號處理系統(tǒng)。 0引言 20世紀70年代前蘇聯(lián)研制的老式雷達，裝備于烏克蘭、伊朗、埃及、埃塞俄比亞、古巴、緬甸等許多第三世界國家。因年代久遠，零部件老化，是修，許多雷達已經(jīng)不能正常開機工作。本設計就在此背景下產(chǎn)生的，因為工藝水平的不斷提升，器件的集成度也越來越高，板級的功能也越來越強大。因此利用單塊高集成度的板卡完成信號處理系統(tǒng)設計變得可能，設備量的降低使得老式雷達改造的成本相對較低，同時也便于后期的維護。本文提出用超大規(guī)模集成電路、專用高速、以及核心模塊為硬件平臺，完成信號處理一體化設計。 系統(tǒng)功能 因整個雷達系統(tǒng)設計方案，對于艙內(nèi)設備的數(shù)量、體積、總的造價有著嚴格的要求，同時在單板上實現(xiàn)多型雷達信號處理。為了兼顧各方面的要求，這就給信號處理系統(tǒng)的設計帶來了一定的難度。本系統(tǒng)工程方案立足利用已取得的技術成果，在滿足技術指標的前提下，合理分解系統(tǒng)功能，簡化工程設計的復雜度，降低風險，同時方案上留有一定的設計與梁，以滿足今后可能出現(xiàn)需求的改變或功能的豐富和完善；利用超高速、大容量的器件來降低大運算量系統(tǒng)設備的復雜性和設備量，提高該系統(tǒng)的可靠性和可維修性，同時保證該系統(tǒng)平臺具有一定的先進性和升級擴展能力；采用超大規(guī)模的（）、高速、以及核心模塊相結(jié)合的方式構建系統(tǒng)硬件平臺，使系統(tǒng)設計具有一定的靈活性和適應性。圖為本信號處理系統(tǒng)的功能框圖。 .1數(shù)字脈沖壓縮 本雷達采用固態(tài)發(fā)射機，峰值功率受限，只能通過增加發(fā)射機的平均功率來提高作用距離。提高發(fā)射機平均功率的辦法就是要進一步加大發(fā)射脈沖的時寬。但是，脈沖寬度的增加帶來了距離分辨率的降低，距離分辨率和作用距離之間試一對矛盾體，解決這一矛盾的方法就是脈沖壓縮技術。本系統(tǒng)因為脈壓點數(shù)較少，因此采用時域脈壓的方法。這種方法電路簡單，實現(xiàn)方便，電路復雜度只與壓縮逼有關，與重復周期長度無關。具體公式如下： 式中：x（n）為信號采樣，w（n）為脈壓匹配濾波器系數(shù)。針對器件內(nèi)部的乘法器工作頻率可達百以上的特點采用分時，分節(jié)拍運算以節(jié)省內(nèi)部資源，即輸入輸出采用低數(shù)據(jù)率，內(nèi)部運算采用高速并行流水分時復用的邏輯結(jié)構，通過數(shù)據(jù)分時復用方式解決低輸入輸出數(shù)據(jù)率和內(nèi)部高速運算能力之間的平衡。為了在器件規(guī)模允許的條件下達到盡可能高的運算速度，我們采用了并行流水結(jié)構的復數(shù)乘法累加器。對于雷達信號而言，我們常用的是線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和編碼信號這三種形式。線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號，其匹配濾波器系數(shù)均可設置成對稱形式。因此內(nèi)部設計脈壓時，乘法器可以節(jié)省一半。本系統(tǒng)使用的是線性調(diào)頻信號，點采樣率為的脈沖壓縮，內(nèi)部乘法器時鐘采用，不難計算出只需要個復數(shù)乘法器即可完成時域脈壓運算。如若系統(tǒng)有多種發(fā)射脈寬，按照脈寬長度最大的來確定乘法器的個數(shù)。 .濾波器 由于受波束內(nèi)脈沖數(shù)的限制及變頻、變T等方面的要求，信號處理通常采用FIR濾波器兼顧雜波抑制及目標提取的要求，我們常用的MTI和MTD都是這種類型的濾波器。 MTD處理器的主要好處是信噪比改善大。MTD采用的窄帶濾波器組，使得落入每個濾波器通帶中的雜波能量和噪聲能量盡可能小。當目標與雜波在濾波器不同頻道時，采用分頻道CFAR，每個濾波器的檢測門限都是根據(jù)該濾波器內(nèi)的噪聲、雜波的強弱而定。但由于雜波不僅由各濾波器的主瓣進入，而且未加權的濾波器副瓣電平較高，當副瓣的頻率處于強雜波處時副瓣進入的雜波將降低其改善因子。若要提高改善因子，可在MTD濾波器之前先進行雜波濾波，或采用加權來降低濾波器的副瓣，在此系統(tǒng)中采用加權的方法提高改善因子，但濾波器的主瓣加寬。 本系統(tǒng)采用的為濾波器的設計方法。因為天線的多種轉(zhuǎn)速，造成相同波束寬度內(nèi)的回波數(shù)不一樣，為了便于統(tǒng)型邏輯固件設計，濾波器統(tǒng)一設計為點，在最后過門限滑窗檢測中采用不同的檢測準則即可。 .快門限恒虛警 快門限恒虛警處理是為對付均勻雜波干擾而設置的，由于雜波信號強度在距離和方位上變化較大，因此應選取檢測單元附近的若干個單元來完成均值估值，單元平均選大恒虛警GO-CFAR主要用于對雜波抑制濾波器輸出的虛警進行控制，輸入為濾波器輸出的對數(shù)視頻信號，在被測單元左、右兩邊各取8個單元數(shù)值求平均后，選用二者中較大的值作為估值電平運算按（）式： 兩側(cè)的單元平均選大恒虛警電路可消除雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警概率顯著增加的現(xiàn)象。雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警率增大是由于檢測點位于強雜波中，但參考單元仍為弱雜波或無雜波而使雜波平均值偏小所致。單元有一個數(shù)據(jù)，其值明顯超過均值時，就用平均值代替該數(shù)據(jù)值進入求估值電平電路。被測單元左、右各空一個單元，以免目標信號對估值電平影響。 .虛控制圖警 經(jīng)過恒虛警處理后，對所有區(qū)域用固定門限檢測，虛警率的控制仍不能達到滿意的效果。為了進一步抑制雜波剩余，改善顯示畫面，采用了虛警控制圖。基本原理是將雷達探測區(qū)域兩維量化。方位量化單位為，距離量化單位為R，對每一量化單元內(nèi)的虛警進行統(tǒng)計，得出該單元的虛警高、低門限判決，以此來修正該單元的檢測門限，達到自動控制虛警的目的。 .滑窗檢測 滑窗檢測器是目前常用的數(shù)字檢測器，是根據(jù)滑窗內(nèi)所積累的數(shù)字來判決是否存在目標。以l代表滑窗的寬度，m代表波束掃過目標期間所能收到的回波總數(shù)，k代表目標存在所需的最低第二門限，并選l=m。滑窗寬度內(nèi)始終保留著同一個距離單元當前m個周期的信號。雷達每探測一次，檢測距離單元的新信號（“1”或“0”）進入滑窗，而滑窗內(nèi)最先的信號（“1”或“0”）則推出。若滑窗內(nèi)“1”的數(shù)目等于或大于k，則作出目標存在的判決。目標發(fā)現(xiàn)后，若滑窗內(nèi)“1”的數(shù)目低到另一門限k時，則作出目標結(jié)束的判決。 整個信號處理檢測結(jié)束后，會將過門限標志和原始的幅度值一路送往做點跡凝聚、滑窗檢測；一路送往的下一級進行滑窗檢測處理。同樣的檢測準則下，滑窗檢測后的綜合視頻（通道）和通道輸出的原始點跡應該出現(xiàn)同樣的結(jié)果，這有助于邏輯固件、軟件的互相檢查，確保一致性。 系統(tǒng)硬件結(jié)構和硬件任務分配 本系統(tǒng)采用單塊高集成插件，采用超大規(guī)模集成電路（）、高速以及核心模塊。輔以大容量高速靜態(tài)存儲器（系列），和外界有多種標準的接口，如以太網(wǎng)口、顯示接口、串口、模擬時鐘輸入接口、接口、調(diào)試用仿真器口、加載口等等。 在整個信號處理設計流程中，數(shù)據(jù)流的流向是這樣的：接收前端送入的數(shù)據(jù)，進行時域脈壓，濾波，檢測直至過門限的輸出，同時產(chǎn)生雷達整機的系統(tǒng)時序等等。 通過鏈路口向傳輸信號處理零距離后的所有距離單元的原始值以及每個距離的過門限標志。則對信號處理的數(shù)據(jù)進行距離凝聚、方位凝聚，形成點跡數(shù)據(jù)包。然后通過總線的方式寫入中開辟的緩區(qū)。 計算機通過異步的方式，不停的從FIFO中讀出點跡包數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡協(xié)議傳送至航跡處理計算機。此外，擔當和顯控計算機通訊的角色，接收外部的通訊協(xié)議包，解析然后分