基于FPGA 的雷达信号采集系统设计

电子工程师 2017-11-22 4762

FPGA/ASIC技术

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描述

　　近年来，雷达在军用和民用领域都获得了巨大的发展。雷达信号处理系统是雷达的关键模块，对雷达定位精度起着决定性作用。FPGA 以其众多的优点，在雷达信号处理系统中被广泛使用。本文探究FPGA 在雷达信号采集方面的应用。

　　在现今高速A/D 转换电路的转换速率愈来愈高的条件下，雷达系统对数字信号处理器的处理速率提出了更高的要求。传统通用的DSP 由于其运行速率的限制，有时无法直接处理采样产生的超高速数据流，而FPGA 在雷达系统中的应用给上述问题带来了经济、有效的解决方案［1］。

　　一、雷达信号处理的主要技术及FPGA 的特点

　　雷达信号处理系统进行信号处理的主要步骤有：雷达信号模式转换和存储→目标检测和信号处理→与上位机的数据传输→上位机目标显示与控制，这其中所涉及的主要技术有数据重采样、自适应滤波、脉冲压缩、参数估计、恒虚警处理、自适应波束形成等，这些步骤需要完成具有高度重复性的FFT、FIR 等运算，并且实时性要求极高。FPGA 即现场可编程门阵列包含了查找表、多路复用器、寄存器和存储器，还拥有专用电路，如乘法器、快速加法器和输入- 输出处理单元。现在FPGA 的数据处理能力已经远远超过了CPU 和DSP，已经逐渐成为了数字通信、视频和图像编解码等大数据量处理领域，以及高性能数字信号处理系统的关键模块［2］。综上所述，FPGA 适合应用于雷达数字信号处理系统。

　　二、雷达信号的采集分析

　　在雷达系统信号采集的过程中，需要完成的任务是对雷达回波模拟信号进行数字化采集，怎样达到数字化的采集，这就包括了采样频率如何设定、采样是否准确、能否保留所有信息还原原始信号以及多大的同步误差等等信号处理问题［3］。由于雷达视频信号是模拟视频信号，因此需对雷达视频信号采取数字化采集，首先就是利用FPGA 构成的时序数字逻辑电路来进行采样，将原始雷达模拟信号转变为系统能够处理的数字信号［4］，然后将采样后得到的数字信号传输到后面的模块进行进一步处理。雷达信号的采样通常有两种，即奈奎斯特采样和过采样。

　　奈奎斯特采样：当采样频率大于或等于被采样模拟信号最大频率的两倍时，则该模拟信号经过采样后获得的采样信号能够保留所有信息，从而还原得到最初的模拟信号。从奈奎斯特采样能够看出存在一个最小的为原始模拟信号最大频率两倍的不失真采样频率fs，称为奈奎斯特采样频率。一般的模拟信号不会是理想中的限带信号，因此常出现频谱的混叠现象，为此在实际中一个有效的方法是采样前先将模拟信号通过低通滤波进行滤波。

　　三、基于FPGA 的雷达信号采集系统设计

　　雷达系统信号采集模块先将模拟信号经过A/D 变换后得到的数字信号与时序触发脉冲共同传送给FPGA，由FPGA 利用其可编程逻辑门电路实现对数字信号的采集，并且产生控制信号与地址信号，然后把得到的数字信号存储到FPGA 的先入先出队列中去，通过通信接口和数字信号处理器（DSP）相互进行通信，便于完成接下来的信号处理和信息显示，其信号采集模块如图1 所示：

FPGA

　　在设计的雷达系统信号采集模块中，FPGA 完成的主要任务是完成模拟信号的数字化采集，FPGA 担任的工作有如下两点：（1）控制数模转换芯片，确保采集到的雷达回波信号的质量。（2）将采集的数字数据合并，并传输给数字信号处理器（DSP），为接下来的信号处理和信息显示做准备。

　　四、总结

　　雷达信号数字化采集是雷达信号处理系统中的一项极其重要的技术，随着数字技术的发展，现代雷达信号数字化采集主要依靠数字技术来完成。本文基于FPGA 探讨雷达信号处理的方法，在分析得出了FPGA 运算能力快的基础上充分利用其优点，用他来完成信号的数字化采集。

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