基于Virtex 4的雷達(dá)導(dǎo)引頭信號處理機(jī)的設(shè)計與實現(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)引頭對目標(biāo)進(jìn)行探測、參數(shù)計算、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)、自動控制、制導(dǎo)、微型計算機(jī)、精密機(jī)械、微電子、小型化和可靠性能多項專門技術(shù)基礎(chǔ)上的一種復(fù)雜制導(dǎo)設(shè)備。各國尤其是先進(jìn)國家都十分重視雷達(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)引頭信號項目設(shè)計了其關(guān)鍵部分——雷達(dá)數(shù)字信號處理機(jī)。本處理器采用FP GA平臺實現(xiàn)，文中詳細(xì)介紹了該處理器基于FPGA的基頻信號產(chǎn)生模塊、回波信號采集模塊、控制信號產(chǎn)生模塊和時鐘模塊等硬件模塊的設(shè)計思路。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

目前，主要采用三種方法實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計：基于DSP技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)數(shù)字信號處理，基于“FPGA+DSP”技術(shù)實現(xiàn)和基于FPG A技術(shù)來實現(xiàn)。本方案選用Xilinx Virtex4 FPGA XC4VSX55，其屬于Xilinx SX系列，專用于高速數(shù)字信號處理領(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，這些均是實現(xiàn)高速實時數(shù)字處理的重要資源。此外，F(xiàn)PGA編程靈活，易于升級。其高度集成性和高靈活性使對外部硬件的需要更少，額外的硬件開銷大大減小，非常適用于雷達(dá)數(shù)字信號的處理和將來的算法升級。因此本方案采用FPGA技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)信號的處理。

根據(jù)項目的設(shè)計需求，設(shè)計的雷達(dá)數(shù)字信號處理機(jī)系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

輸入調(diào)理電路對接收到的回波信號進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過后的信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；采樣后的信號經(jīng)頻率搬移，將100MHz的中頻信號搬移到20MHz，然后對6個通道的信號進(jìn)行幅度校正，消除通道間的不平衡問題。校正后的6路信號分別與兩個正交本振信號相乘，進(jìn)行數(shù)字混頻，完成信號的正交分解，得到12路I／Q正交信號。12路I／Q信號與預(yù)先設(shè)置的權(quán)值進(jìn)行加權(quán)計算并進(jìn)行累加，完成數(shù)字波束形成(DBF)，得到一路合成信號；通過FIR低通濾波器，對數(shù)字波束合成后的信號進(jìn)行數(shù)字濾波，濾除30 MHz以上的諧波信號；由于發(fā)射信號采用了偽碼調(diào)相技術(shù)，所以對DBF后的信號依照發(fā)射信號的m序列進(jìn)行偽碼解調(diào)(即對回波信號進(jìn)行相位變換)，完成回波信號的解碼。對濾波后的信號進(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)果與檢測門限進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)回波信號特征時，給出回波的通道號和頻率，并給出啟動信號。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2．1 硬件設(shè)計

結(jié)合系統(tǒng)需求和系統(tǒng)總體設(shè)計，本系統(tǒng)的硬件主要包括A／D采樣部分、D／A輸出部分、控制信號輸出部分、時鐘部分、FPGA設(shè)計及配置、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，信號頻率為100MHz，輸入信號幅度為±1 V，幅度分辨率為0．5 mV。因此設(shè)計了兩片A／D轉(zhuǎn)換模塊ADS6444實現(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，能滿足系統(tǒng)對采樣電路的需求。

(2)D／A轉(zhuǎn)換電路

無論是調(diào)頻連續(xù)波或脈沖多普勒調(diào)制方式，均需要對外輸出100MHz的基頻信號，因此設(shè)計了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的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)(fout=30 MHz時)。該DAC支持500MSPS的更新速率，且功耗小于230mW。

(3)控制信號輸出部分

控制信號輸出TTL的信號，TTL信號采用+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，為實現(xiàn)信號的正確傳輸，需要信號轉(zhuǎn)換，因此設(shè)計了I／O緩沖模塊實現(xiàn)LVTTL到TTL的信號轉(zhuǎn)換。I／O緩沖器使用采用美國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，最高開關(guān)頻率可以達(dá)到80 MHz以上，同時輸出電流大，可以帶動高功耗設(shè)備。

(4)時鐘部分

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)定性的時鐘，在此使用專用時鐘芯片AD9517來產(chǎn)生系統(tǒng)需要的各個時鐘。AD9517是一款集成高頻時鐘發(fā)生器，具有如下特點：低相位噪聲、VCO頻率變化范圍為1．75～2．25 GHz，4路LVPECL時鐘扇出，輸出頻率范圍為50 MHz～1．6 GHz可調(diào)，4路LVDS時鐘扇出，輸出頻率范圍為25～800 MHz可調(diào)，4路LVDS時鐘扇出可設(shè)置為8路CMOS時鐘扇出，且相位可調(diào)、可串行控制。