一種基于FPGA的雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：結(jié)合具體的雷達(dá)導(dǎo)引頭型號(hào)項(xiàng)目．從數(shù)字信號(hào)處理機(jī)的原理出發(fā)，根據(jù)項(xiàng)目的要求提出了一種基于DBF技術(shù)的某型導(dǎo)引頭信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)方案，方案以Xilinx公司Virtex4 SX55 FPGA作為數(shù)字信號(hào)處理的核心器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)6陣元陣列天線接收的回波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件總體設(shè)計(jì)及基頻信號(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)鐘電路模塊的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。最后在暗室環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理機(jī)；FPGA；DBF；基頻信號(hào)；回波信號(hào)

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(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(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)來實(shí)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(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，額外的硬件開銷大大減小，非常適用于雷達(dá)數(shù)字信號(hào)的處理和將來的算法升級(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)。