基于Virtex 4的雷達(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

導(dǎo)彈主要依靠制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行制導(dǎo)，完成從發(fā)射到命中目標(biāo)的全過(guò)程。制導(dǎo)系統(tǒng)一般利用地面制導(dǎo)雷達(dá)或彈載導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、參數(shù)計(jì)算、控制指令形成與傳輸、程序控制和伺服控制等。雷達(dá)導(dǎo)引頭是建立在雷達(dá)、自動(dòng)控制、制導(dǎo)、微型計(jì)算機(jī)、精密機(jī)械、微電子、小型化和可靠性能多項(xiàng)專(zhuān)門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)上的一種復(fù)雜制導(dǎo)設(shè)備。各國(guó)尤其是先進(jìn)國(guó)家都十分重視雷達(dá)導(dǎo)引頭的研制及其相關(guān)技術(shù)的研究，從而將智能化、高命中率、高摧毀概率的導(dǎo)彈武器的研制應(yīng)用推向新階段。

本文采用脈沖多普勒、數(shù)字波束形成等技術(shù)，為某型雷達(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)項(xiàng)目設(shè)計(jì)了其關(guān)鍵部分——雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)。本處理器采用FP GA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，文中詳細(xì)介紹了該處理器基于FPGA的基頻信號(hào)產(chǎn)生模塊、回波信號(hào)采集模塊、控制信號(hào)產(chǎn)生模塊和時(shí)鐘模塊等硬件模塊的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前，主要采用三種方法實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理，基于“FPGA+DSP”技術(shù)實(shí)現(xiàn)和基于FPG A技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方案選用Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55，其屬于Xilinx SX系列，專(zhuān)用于高速數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA非常適合于高速數(shù)據(jù)的采集控制、高速數(shù)據(jù)傳輸控制，且目前的主流FPGA均含有硬件乘加器、大量的邏輯單元、流水線(xiàn)處理技術(shù)等硬件結(jié)構(gòu)，可高速完成FFT、FIR、復(fù)數(shù)乘加、卷積、三角函數(shù)以及矩陣運(yùn)算等數(shù)字信號(hào)處理。高端FPGA更是含有大量的DSP單元、RAM單元、MGT高速傳輸單元、DDRII數(shù)據(jù)控制器等IP核，這些均是實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)數(shù)字處理的重要資源。此外，F(xiàn)PGA編程靈活，易于升級(jí)。其高度集成性和高靈活性使對(duì)外部硬件的需要更少，額外的硬件開(kāi)銷(xiāo)大大減小，非常適用于雷達(dá)數(shù)字信號(hào)的處理和將來(lái)的算法升級(jí)。因此本方案采用FPGA技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)的處理。

根據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

輸入調(diào)理電路對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)后的信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；采樣后的信號(hào)經(jīng)頻率搬移，將100MHz的中頻信號(hào)搬移到20MHz，然后對(duì)6個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行幅度校正，消除通道間的不平衡問(wèn)題。校正后的6路信號(hào)分別與兩個(gè)正交本振信號(hào)相乘，進(jìn)行數(shù)字混頻，完成信號(hào)的正交分解，得到12路I／Q正交信號(hào)。12路I／Q信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)計(jì)算并進(jìn)行累加，完成數(shù)字波束形成(DBF)，得到一路合成信號(hào)；通過(guò)FIR低通濾波器，對(duì)數(shù)字波束合成后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除30 MHz以上的諧波信號(hào)；由于發(fā)射信號(hào)采用了偽碼調(diào)相技術(shù)，所以對(duì)DBF后的信號(hào)依照發(fā)射信號(hào)的m序列進(jìn)行偽碼解調(diào)(即對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相位變換)，完成回波信號(hào)的解碼。對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行相參累積，累積次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后，進(jìn)行FFT變換；FFT結(jié)果與檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)回波信號(hào)特征時(shí)，給出回波的通道號(hào)和頻率，并給出啟動(dòng)信號(hào)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1 硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合系統(tǒng)需求和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的硬件主要包括A／D采樣部分、D／A輸出部分、控制信號(hào)輸出部分、時(shí)鐘部分、FPGA設(shè)計(jì)及配置、電源管理等六大部分，總體框圖如2圖所示。各功能模塊介紹如下：

(1)A／D采樣部分

根據(jù)性能指標(biāo)，系統(tǒng)外接6路模擬信號(hào)，信號(hào)頻率為100MHz，輸入信號(hào)幅度為±1 V，幅度分辨率為0．5 mV。因此設(shè)計(jì)了兩片A／D轉(zhuǎn)換模塊ADS6444實(shí)現(xiàn)帶通欠采樣，單片ADS6444支持4通道模／數(shù)轉(zhuǎn)換，最高采樣頻率為105 MHz，采樣位數(shù)為14 b的高性能A／D轉(zhuǎn)換電路，輸入信號(hào)量程為2 VPP，幅度分辨率為0．12 mV。配合前端數(shù)據(jù)調(diào)理芯片THS4513，能滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)采樣電路的需求。

(2)D／A轉(zhuǎn)換電路

無(wú)論是調(diào)頻連續(xù)波或脈沖多普勒調(diào)制方式，均需要對(duì)外輸出100MHz的基頻信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了D／A轉(zhuǎn)換電路。D／A轉(zhuǎn)換芯片采用MAX5887，它是14位、500 MSPS數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，工作電壓為3．3 V，提供76 dBc的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)(fout=30 MHz時(shí))。該DAC支持500MSPS的更新速率，且功耗小于230mW。

(3)控制信號(hào)輸出部分

控制信號(hào)輸出TTL的信號(hào)，TTL信號(hào)采用+5 V供電，而數(shù)據(jù)處理芯片F(xiàn)PGA采用的為3．3 V的LVTTL電平，為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確傳輸，需要信號(hào)轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計(jì)了I／O緩沖模塊實(shí)現(xiàn)LVTTL到TTL的信號(hào)轉(zhuǎn)換。I／O緩沖器使用采用美國(guó)TI公司的16位同向緩沖器SN74ALVTHl6245，可以完成LVTTL到TTL的電平轉(zhuǎn)換，最高開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到80 MHz以上，同時(shí)輸出電流大，可以帶動(dòng)高功耗設(shè)備。

(4)時(shí)鐘部分

數(shù)／模轉(zhuǎn)換部分、模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分、FPGA正常工作均需要低抖、高穩(wěn)定性的時(shí)鐘，在此使用專(zhuān)用時(shí)鐘芯片AD9517來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)需要的各個(gè)時(shí)鐘。AD9517是一款集成高頻時(shí)鐘發(fā)生器，具有如下特點(diǎn)：低相位噪聲、VCO頻率變化范圍為1．75～2．25 GHz，4路LVPECL時(shí)鐘扇出，輸出頻率范圍為50 MHz～1．6 GHz可調(diào)，4路LVDS時(shí)鐘扇出，輸出頻率范圍為25～800 MHz可調(diào)，4路LVDS時(shí)鐘扇出可設(shè)置為8路CMOS時(shí)鐘扇出，且相位可調(diào)、可串行控制。