（信号与信息处理专业论文）基于fpga和dsp的雷达信号处理机的设计.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ot h ea c a d e m i cd e g r e ec o m m i t t e eo f t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y d e s i g no ft h er a d a rs i g n a lp r o c e s s o rb a s e d o nf p g aa n dd s p i nc a n d i d a c yf o rt h em a s t e r sd e g r e ei n s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g b y y a ny a n g s u p e r v i s o r p r o f w a n gw e i s c h o o lo fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ， t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y d e c e m b e r , 2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我- l q 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：阎静 签字同期：加净) 月卅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据j 车进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：i 囿枷 签字同期： 加卜年2 月以同 学位论文的主要创新点 一、通过分析某海事卫星雷达处理机的特点，为了满足高速、实时和 可靠的信号处理和传输的要求，采用了先进的“f p g a + d s p 协同处 理的设计方案，在信号传输上提出了“u s b 2 0 接口+ 高速l v d s 接口” 的传输方式。 二、由于本信号处理机需要在脱离上位机的控制下存储海量回波处理 结果，也需要存储上位机传来的原始回波信号，因此在d s p 的e m i f 总线上挂接了容量为1 g b 的数据f l a s h ，极大地方便了本处理机在各 种试验场合的灵活使用。 摘要 本文利用x i l i n xx c 5 v l x 5 0f p g a 芯片和t it m s 3 2 0 c 6 7 1 3d s p 芯片，设计实 现了一个高性能雷达网波信号采集与处理机。 本处理机用于某海事卫星雷达测试系统，采用f1 2 v 单电源供电，外壳为便 携可靠的盒式结构。处理机使用u s b 2 0 接口和高速l v d s 接口实现与上位机通信。 处理机为双通道中频基带兼容结构，采样率最小1 m h z 通道，最大6 0 m l l z 通道， 数据帧大小为1 0 2 4 点通道。处理机主要包括五部分：采样模块、f p g a 模块、 u s b 模块、d s p 模块和l v d s 模块。f p g a 模块主要完成高吞吐量的信号预处理以 及动态数据通路的建立，其他所有芯片均通过f p g a 互连。u s b 模块主要完成上 位机和处理机间的数据传输，同时，上位机通过u s b 模块对整个处理机工作流程 进行监控。d s p 模块是整机的核心处理和控制模块，负责控制采样模块采集雷达 回波信号，并在信号预处理基础上进一步完成其他运算。 经初步调试，本信号处理机满足了设计要求，在信号采集、传输和处理方面， 具有速度快、实时性强、可靠性高等优点，具有较高的应用价值。 关键词：雷达信号；f p g a ；d s p ；信号采集；信息处理 a b s t r a c t ah i g h p e r f o r m a n c er a d a re c h os i g n a l p r o c e s s o ri sd e s i g n e db yx i1in x x c 5 v l x 5 0f p g aa n dt it m s 3 2 0 c 6 7l3d s pi nt h i st h e s i s t h ep r o c e s s o ru s e di nam a r i t i m es a t e l l i t er a d a rt e s ts y s t e mi ss u p p l i e db y12v s i n g l ep o w e r i th a sac a s s e t t es h e l ls t r u c t u r e ，w h i t c hi sr e l i a b l ea n dp o r t a b l e u s b 2 0 i n t e r f a c ea n dh i g h s p e e dl v d si n t e r f a c ea r eu s e dt oc o m m u n i c a t ew i t ht h eh o s t c o m p u t e r t h ep r o c e s s o ri sc o m p a t i b l ew i t hd u a l c h a n n e li fa n db a s eb a n d t h e m i n i m u ms a m p l i n gr a t ei s1m h zp e rc h a n n e l ，a n dt h em a x i m u mi s6 0 m h zp e r c h a n n e l t h ed a t af l a m es i z ei s10 2 4p o i n t sp e rc h a n n e l t h es i g n a lp r o c e s s o rd e s i g n m a i n l yi n c l u d e ss i g n a lc o n d i t i o n i n g ，a dc o n v e r s i o n ，f p g ad e s i g n ，d s pp r o j e c ta n d u s bd e v i s e f p g am o d u l e m a i n l yc o m p l e t e s t h e h i g h t h r o u g h p u ts i g n a l p r e - p r o c e s s i n ga n dt h ee s t a b l i s h m e n to fd y n a m i cd a t ap a t h a l lo t h e rc h i p sa r e i n t e r c o n n e c t e dt h r o u g ht h ef p g a u s bm o d u l ef i n i s h e st h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h e h o s tc o m p u t e ra n dp r o c e s s o r ，w h i l et h eh o s tc o m p u t e rm o n i t o r e st h ee n t i r ew o r k f l o w o ft h ep r o c e s s o rt h r o u g ht h eu s bm o d u l e d s pm o d u l ei st h ec o r ep r o c e s s i n ga n d c o n t r o lm o d u l e i ti sr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l l i n gt h es a m p l i n gm o d u l et oa c q u i s i t er a d a r e c h os i g n a la n da c c o m p l i s h e so t h e ro p e r a t i o n sa f t e rt h es i g n a lp r e p r o c e s s i n g d e b u g g i n g r e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g nm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h er a d a r i nt h e s i g n a la c q u i s i t i o n ，t r a n s m i s s i o na n dp r o c e s s i n ga s p e c t s ，t h es i g n a lp r o c e s s o ri sf a s t ， r e a l t i m ea n dr e l i a b l e ，w h i c hh a sah i g ha p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：r a d a rs i g n a l ，f p g a ，d s p ，i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n g 目录 第一章绪论l 1 1 课题背景及其研究意义1 1 2 国内外研究现状和发展趋势2 1 2 1 雷达信号采集与处理的研究现状和发展趋势2 1 2 2 信号传输的研究现状和发展趋势3 1 3 本文的主要研究内容4 第二章雷达信号处理机的总体设计5 2 1 雷达信号处理的主要内容5 2 1 1 雷达数据采集5 2 1 2 雷达数字信号处理5 2 1 3 雷达信号生成与信号模拟6 2 2 雷达信号处理机的系统功能6 2 2 1 数据采集部分6 2 2 2 数字信号处理部分6 2 2 3 数据传输部分6 2 2 4 硬件结构及接口部分6 2 3 雷达信号处理机的硬件总体设计方案7 2 4 本章小结7 第三章雷达信号处理机的具体设计9 3 1 信号的输入和凋理电路设计9 3 2 模数转换电路设计13 3 3u s b 接口电路设计1 4 3 4 串口通信电路设计l7 3 5l v d s 接口电路设计17 3 61 5 5 3 b 接口电路设计1 9 3 7d s p 的外围电路设计21 3 7 1d s p 的e m i f 接口设计2 1 3 7 2d s p 的j t a g 调试电路设计2 2 3 7 3d s p 的m c b s p 接口电路设计2 2 3 7 4d s p 的接 1 资源使用情况2 3 3 8f p g a 的外围电路设计2 4 3 8 1 数据缓冲f i f o 的电路设计2 4 3 8 2f p g a 配置电路设计2 5 3 9 电源系统设计2 8 3 1 0 复位系统设计3 2 3 11 时钟系统设计3 4 3 1 2 本章小结3 5 第四章雷达信号处理机的电路板设计3 6 4 1 电磁干扰设计3 6 4 1 1 电路板叠层设计3 6 4 1 2 电路板布局设计3 7 4 1 3 电路板布线设计3 7 4 1 4 滤波设计3 8 4 2 电路板设计结果3 8 4 3 本章小结3 9 第五章系统测试4 0 5 1 信号传输与处理通路测试4 0 5 1 1 通路l ：a d cs l a v e u s bm a s e r 一上位机4 2 5 1 2 通路2 ：上位机一u s bs l a v e - l v d sm a s r t e r 4 3 5 1 3 通路3 ：l v d ss l a v e f i f o u s bm a s t e r 一上机位4 3 5 1 4 通路4 ：上位机一u s bs l a v e l ) sm a s r t e r l v d ss l a v e f i f o u s bm a s t e r 一，卜机位4 4 5 1 5 通路5 ：上位机( 人机界面，磁盘数据) 一u s bs l a v e d s pm a s t e r 一数据f l a s h 4 5 5 1 6 通路6 ：a d cs l a v e u s e rm a s t e r u s e rs l a v e d s pm a s t e r d s ps l a v e u s bm a s t e r 一上位机一4 5 5 1 。7通路7 ：a d cs l a v e d s pm a s t e r d s ps l a v e u s bm a s t e r - - , - 位机4 6 5 1 8 通路8 ：数据f l a s h d s ps l a v e u s e rm a s t e r u s bs l a v e d s pm a s t e r - 一d s ps l a v e u s bm a s t e r 一上f 移机( 人机界面、 磁盘数据) 4 7 5 1 9 通路9 ：数据a d cs l a v e u s e rm a s t e r u s e rs l a v e u s bm a s t e r 一上位机4 7 5 2 人机界面设计4 8 5 2 1 结构组成4 8 5 2 2 人机界面功能4 9 5 3f p g a 测试接口设计5l 5 3 1a d ci fs l a v e 接口5 l 5 3 2u s bi fs l a v e 接口一5 2 5 3 3u s bi fm a s t e r 接口5 2 5 3 4d s pi fs l a v e 接口一5 3 5 3 5d s pi fm a s t e r 接口5 4 5 4d s p 系统5 4 5 4 1d s p 外存储器总线接口( e m i f ) 5 4 5 4 2 测试方法5 7 5 4 3 测试结果5 8 5 5u s b 系统6 1 5 5 1u s b 接口6 1 5 5 2 测试结果6 4 5 1 本章小结6 4 第六章结论6 5 纛 参考文献6 7 发表论文和参加科研情况7 1 致谢7 3 附录l乙方选择并订购的器件表7 5 附录2 雷达信号处理机7 7 附录3 f a l c o n - e 2 5 t gf p g a 开发套件7 7 第一章绪论 1 1 课题背景及其研究意义 第一章绪论 课题来源：中科院空问科学与应用研究中心委托项目，实现双通道雷达中频 基带模拟信号采集和处理，应用于某海事卫星的数据采集与处理系统。 近年来，雷达技术的研究在国内外发展迅猛，各种新体制的雷达相继出台， 对雷达信号的采集与处理能力都提出了更高的要求。作为雷达信号处理的前端， 数据采集和传输足通用雷达信号处理系统的关键技术，因此研制使用方法灵活、 可以连续存储大容量数据的采集和处理系统是十分必要和紧急的。 由于雷达信号的频带宽、动态范围大，使得实际采集到的数据具有数据量大、 采样率高的特点，所以可以对采集到的数据先进行预处理来降低数据的速率、减 少数据量。雷达信号处理系统所涉及的主要技术包括自适应滤波、数据重采样、 参数估计、自适应波束形成、脉冲压缩和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高 度重复性的实时计算j 。 根据雷达信号的特点和主要处理技术的运算要求，低速、低可靠性的微处理 器( 如单片机) 以及小规模的集成电路已经不能满足需要，正逐渐被其他高性能 的处理器所取代。现场可编程门阵歹o ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 是 在专用a s i c 的基础上发展出来的，从结构上克服了专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 不够灵活的缺点，内部的具体逻辑功能呵以根 据需要自行配置，对电路的修改和维护也很方便【2 】；数字信号处理器( d i g i t a l s i n g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 可以满足算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵 活和通信性能强等现代数字信号处理的需求，通过编程可以应用于信号处理的广 泛领域【3 】。因此，f p g a 与d s p 已被越来越广泛地应用于当今各个领域中。 信号的采集和处理系统通常要与外界进行数据交换，所以为系统配置满足功 能需求的传输接口，也成为了设计的关键。比如，处理机需要与计算机进行通信， 就可以在处理机上设计串口、并行、i s a 、p c i 或u s b 接口等【4 j 。根据设计需求， 经过预处理的雷达回波信号需要通过高速接口与上位机通信，因此该接口不仅需 要具有较高的传输速度，能实现对数据的实时处理；而且与计算机的接口必须简 单易用。与其他传输技术相比，u s b 接口具有较高的传输速度，最多可以连接1 2 7 个外设，并且实现了真正意义上的“即插即用”，十分适用于高速数据传输系统 的设计【5 】o 本文就是根据雷达信号处理的要求设计了基于f p g a 和d s p 的数据采集与处 理系统，并且使j - u u s b 2 0 的高速接口实现该处理机与 ：位机的通信。 天泮i ：业人学硕十学何论文 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 雷达信号采集与处理的研究现状和发展趋势 信号采集与处理一直是生产实践研究与应用领域的一个重点和难题【6 j 。随着 微电子制造工艺水平的飞速发展和数据分析理论的不断完善，目前国内外对高性 能信号采集和处理系统的研究取得了很大的成就【7 】。在此背景下，雷达数字信号 处理系统呈现新的发展趋势。 从d 转换的速度、精度和通道数等性能指标来看，采样频率、分辨率和精 度逐步提高，采样通道由单通道发展到双通道和多通道，为加强分析功能提供了 重要的前提条件。信号的采集模块通常需要对多通道进行并行处理，以便满足实 时性的要求，并具有一定的数据预处理能力【8 】。现代雷达信号处理系统的a d 位 置不断向高频端靠近，更多的模拟电路被数字电路取代。传统的雷达接收机通过 模拟混频电路产生正交信号，然后在基带进行a d 变换。而现在的许多系统都采 用了中频正交采样技术，把a d 提前到中频，然后用数字滤波器生成复基带信号。 传统的信号采集和处理系统多以单片机作为微处理器，但对于精度高、速度 快、实时性强的信号，单片机则不能满足要求，特别是难以实现数字滤波、f f t 等数字信号处理中经常用到的算法【9 1 。 d s p 的出现和广泛应用，很好满足了雷达信号采集系统对于核心微处理器的 要求【1 0 】。与传统的冯诺依曼总线结构不同，d s p 采用的是哈佛总线结构，其特 点是程序和数据具有相互独立的存储空i 、日j 和总线，因此可以同时对数据和程序进 行寻址，并且在指令上实现了多级流水线操作【l 。d s p 采用了特殊的数学运算指 令，快速实现了乘法累加器等常用的数字信号处理运算【l2 1 。d s p 比币片机有更快 的指令执行速度和更高的精度，这大大地提高了数据处理能力，适合于实时数字 信号处理。 虽然d s p 具有快速性、精度高、稳定性、可重复性、集成方便等优点，但是 也有其不足之处。当采样率超过儿m h z 时，一片d s p 仅能完成简单的数据运算， 而且受到串行指令流的限制。当最快的d s p 仍无法达到速度要求时，可以选择增 加处理器的数目，或是采用客户定制的门阵列产品。采用多个d s p 处理器的缺点 是成本高，需要众多附加部件，并目功耗很大【l 引。另外，d s p 的指令更适合实现 算法而不是逻辑控制，其外部接口的通用性较差。 而随着半导体工艺的快速发展，新型可编程逻辑器件的规模越来越大，成本 越来越低。高性价比使i 叮编程逻辑器件在硬件设计领域扮演的角色h 益重要。低 端复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 已经逐步取 代了7 4 系列等传统的数字元件【1 4 】，高端的f p g a 也在不断地夺取a s i c 的市场份 2 第一章绪论 额。目前，新型的f p g a 多数支持可编程片上系统( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ， s o p c ) ，与d s p c o r e 或c p u 的有机结合，使得现在的f p g a 不仅仪是传统硬件电路 的设计手段，已经逐步升华为系统级的实现工具【l5 1 。在高速数据采集方面，f p g a 有单片机和d s p 无法比拟的优势，其缺点是难于实现一些复杂的算法。 基于上述分析，单独采用d s p 或者f p g a 作为数据采集系统的控制核心部分 都不是最佳选择。如果将d s p 与f p g a 的结合，使d s p 的高速数据处理能力与 f p g a 的高速、复杂组合逻辑和时序逻辑控制能力相结合，则可以互补二者之间 的不足，更适用于雷达信号处理的应用【l 6 。 随着各种先进算法、高速并行处理及大规模集成电路技术的飞速发展，采用 d s p + f p g a 结构的数据采集处理系统显示出了极大的优越性，越来越多的被运用 在雷达信号处理中【1 7 】。d s p + f p g a 结构最大的特点是适于模块化设计，能够提高 算法效率；结构灵活，有较强的通用性；同时其开发周期较短，系统易于维护和 扩展升级。 1 2 2 信号传输的研究现状和发展趋势 轮 随着电子技术和信息技术的进步，计算机及其外设也得到了飞速的发展。现 在的计算机不仅要处理内部的数据，还要接收和处理来自外部硬件的信息。系统 不仅需要具有较高的传输速度，能实现对数据的实时处理，而且与计算机的接口 必须简单易用i l 引。 目前，国外企业已经推出了很多能适应不同精度要求，不同条件的通用串行 总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，u s b ) 数据采集系列产品。最典型的是美国国家仪一 器有限公司( n i ) 研制的一系列带有u s b 传输接口的数据采集卡，该公司于2 0 0 5 年8 月推出了八款u s b 2 0 高速数据采集设备，实现了高达8 0 0 k s s 的采样率，从 而扩展了其业界领先的u s b 一9 0 0 0 系列产品。这些新设备不但可以提供最高速率 的数据采集功能，同时也以配套丌发的测量服务软件简化了程序设计和系统设置 的工作。新推出的u s b 2 0 高速设备包含免费的交互式数据记录软件，可以实现 数据记录，并将结果导入m i c r o s o f te x c e l ，以供分析之用。但是n i 公司的u s b 数 据采集卡系列产品的价格昂贵，一般都在2 0 0 美元以上。 近年来国内有很多公司，像成都中科动态仪器有限公司，北京中泰研创科技 有限公司等都相继推出了u s b 数据采集卡，但困内的产品大多是基于u s b l 1 协 议规范设计的，其数据传输速度远低于基于u s b 2 0 协议规范的数据采集卡。目 前幽内对u s b 接f ：i ，i ：发应用的深度和广度还远刁 如传统的并口和串r j ，其应用t 要局限丁二了i ：发一些标准f f , j p c j c t ) b l 卅设备，如键盘、鼠标、u 盘等。这主要是由于 作为一个新标准，u s b 规范较为复杂，相应的技术支持和参考设汁资源比较少， 要把u s b 作为p c 机的一个通用接口使用具有一定的软硬 f b jf ：发难度。总的来说， 犬泮i ：业人学硕十学何论文 目自订国内对u s b 数据采集设备的研制已经取得了可喜的发展，但足围外的情况 相比，还有一段距离，现场数据采集要求比较高的场合多是采j 玎国外产品。因此， 随着实际应用中对数据采集卡要求的提高和计算机对u s b 接口的普及，利用 u s b 2 0 协议规范开发出符合多种场合要求的数据采集系统，以及此领域内先进 产品的国产化，都成了现今研究的焦点。 1 3 本文的主要研究内容 本文在分析、研究了国内外常用信号采集、处理和传输技术的基础上，结合 雷达信号的特点，设计了基于f p g a 和d s p 的雷达信号处理机。归纳起来，本 文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析、研究国内外现有的信号采集、处理和传输的主要方法，根据雷达信 号的特点，提出了使用f p g a 和d s p 作为宅要处理芯片、以u s b 2 0 作为传输技 术的总体设计方案； ( 2 ) 解决了该处理机所涉及到的信号调理、a d 转换、f p g a 、d s p 和u s b 传 输的关键技术问题； ( 3 ) 完成了雷达信号处理的硬件设计，利用高速p c b 设计原理设计处理机的电 路板； ( 4 ) 对处理机的各个数据通路进行系统测试，检验设计成果。 4 第一二章雷达信号处理机的总体设计 第二章雷达信号处理机的总体设计 雷达的基本功能是发现f 1 标并测定其坐标。通常它是通过向空间发射某种特 定的信号，然后接收并处理目标的回波信号来实现的。作为这样一个信息传输和 处理系统，雷达的信号传输过程会受到各种外界干扰( 包括人为干扰和杂波干扰) 及内部噪声的影响。雷达信号处理的首要目的就是通过对接收信号的加工，消除 或降低各种各样的干扰、噪声及由这些干扰、噪声引起的不确定性，以易于提取 所需信息。现在，在雷达性能不断提高的同时，对各种杂波的抑制、日益复杂的 e c m 环境等都向雷达信号处理提出了更高的要求。如何设计一台满足总体要求的、 性能优异的信号处理机己经越来越成为一部雷达设计成功的关键部分。 2 1 雷达信号处理的主要内容 实质上，经典雷达信号处理的最终目的只有两个：一是信号检测；二是参数 估值。前者所要解决的问题是受扰观测中目标有无的判决问题，后者所要解决的。 问题则是受扰观测中目标参数的确定问题。估值总是以检测为前提的。此外，雷 达信号处理还有一个优化的问题，即在规定的某种最佳准则的条件下，寻求问题 的最优解，这就是所谓的雷达信号最佳处理。它包括雷达信号的最优检测与最佳 估计两个方面。其中匹配滤波理论及最佳检测原理是雷达信号处理理论主要内 容。雷达数字信号处理主要包括以下几个方面【1 9 , 2 0 】： 2 1 1 雷达数据采集 雷达数据采集是雷达数字信号处理的最前端，包括模数变换和数据存储。随 着雷达技术和超大规模集成电路技术的迅猛发展，模数转换器( a n a l o g - t o d i g i t a l c o n v e r t e r ，a d c ) 的位置f 断向高频端靠近，采样频率不断提高。高速a d c 的关 键问题足模数变换的精度，它是整个雷达信号处理性能的基础。数据存储是将 a d c 得到的数字信号实时存储，以便后续进f j ：数字信号处理，获取同标信息。 2 1 2 雷达数字信号处理 最初的雷达信号处理都足由模拟器件实现，到了7 0 年代，数字设备，l ：始承担 实时处理j ：i 二作，并最终使数字信号处理机从接收机中彻底分离出来，成为雷达系 统中最重要且最为活跃的部分。数字信号处理技术被认为是在雷达技术理论确立 以后，雷达技术领域中最重要的三项创新发剧2 l 】之一，其基本功能是刈采集数据 进行目标检测、截获、跟踪、识别等处理，并不断修改和完善。雷达信号处理的 天津1 ：业人学硕十学位论文 主要特点是实时性、多功能、可编程，故其硬件系统多采川高速数字信号处理芯 片( d s p 芯片) ，当前先进d s p 芯片的主要代表是t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列和a d 公司的t i g e r s h a r c 芯片系列。 2 1 3 雷达信号生成与信号模拟 雷达信号生成指的是通过直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d s ) 方法 产生各种雷达信号，而信号模拟是指通过数字仿真的方法模拟雷达回波中频信 号，信号生成与信号模拟的核心问题都是高速数模转换。 2 2 雷达信号处理机的系统功能 该信号处理机主要是由数据采集、数字信号处理和数字信号传输三部分组 成，其主要功能是对雷达回波信号进行采集、处理和分析，并将接收到的数据或 处理结果实时传送给上位机。 2 2 1 数据采集部分 处理机为双通道中频基带兼容结构，采样率最小1 m l - l z 通道，最大6 0 m h z 通道，数据帧大小为1 0 2 4 点通道。 2 2 2 数字信号处理部分 信号处理流程主要包括数字下变频( 数字i q ) 、去卣流、f f t 、乘加和捅值 等处理，然后进行最大似然估计，最后将数据( 原始a d 压缩数据和 i 计结果) 土传o f p g a 主要完成高吞吐量的信号的预处理以及动态数据通路的建立，其它所 有芯片均通过f p g a 互连。d s p 是整机的核心处理和控制模块，负责控制采样模 块采集雷达回波信号，并在信号预处理基础上进一步完成其它运算。 2 2 3 数据传输部分 u s b 模块主要完成上位机和处理机间的数据传输，同f l 寸，上位机通过u s b 模 块对整个处理机工作流程进行监控。 2 2 4 硬件结构及接口部分 本处理机要求1 2 v 单电源供电，由强化塑料壳固定并保护，各接【j 置于保护 壳外。外部接口包括： ( 1 ) u s b 接口：1 个 ( 2 ) l v d s 接口：2 个( 收发各一个) 6 第二章雷达信号处理机的总体设计 ( 3 ) 9 芯c o m u ：1 个 ( 4 ) d s p 调试j t a g 接口：1 个( i e e el1 4 9 1 标准) ( 5 ) 3 2 针g p i o 接口：1 6 x 2 个，用两个3 2 针插座引出 ( 6 ) m c b s p 接口：使用m c b s p l ，用1 6 车- 1 插座引出 ( 7 ) f p g aj t a g 接口：1 个 ( 8 ) 1 2 v 电源接口：1 个 ( 9 ) 1 5 5 3 b 接口：2 个 另外，a d 通道、d s p 、u s b 控制器、存储器件和外部接口完全通过f p g a 相连。除电源、地和时钟之外的管脚原则上均与f p g a ：f n 连。时钟、电源和控制 等关键引脚和闲置f p g a 引脚引出测试点( 焊盘或者插针) 。 2 3 雷达信号处理机的硬件总体设计方案 硬件结构和接口设计如图2 1 所示。为了同时满足中频采样和基带采样的要 求，模数转换系统设计成双通道。当采用中频采样方案时，只使用其中一个模数 转换通道即可。当采用基带采样方案时，可以使用两个模数转换通道对基带i 、q 信号同时采样。利用v i r t e x 5f p g a 提供的强大时钟管理能力实现采样时钟频率 可调。 2 4 本章小结 f p g aj 1 a g 图2 1信号处理机的硬件结构和接口 本章介绍了该雷达信号处理机的总体设计。首先，从数据采集、数字信号处 理和信号的! 卜成j j 模拟三个方面，i 鞫述了雷达信号处理的主要内容；其次，根据 甲方提出的设计要求，确定了该雷达信号处理机的系统功能，提出了数据采集、 天津l ：业人学硕一f j 学何论文 信号处理、信号传输以及硬件结构和接口部分的设计要求；最后，根据设计要求 提出了硬件总体设计方案。 第j 章雷达信号处理机的具体设计 第三章雷达信号处理机的具体设计 3 1 信号的输入和调理电路设计 由于甲方提出该处理机的输入信号为1v ，计l v 的频率为1 m h z 6 0 m h z 的模 拟电信号。为了保证信号的完整性，本设计使用s m a 标准电缆接收输入信号。 信号调理电路的作用是把输入的模拟信号变换为数据采集的有效输入信号。 模拟传感器可测量很多物理量( 如温度、压力、光强等) ，其输出是相当小的电 压、电流或电阻变化，但由于传感器信号不能直接转换为数字信号，因此在变换 为数字信号之前必须进行信号调理。信号调理就是放大、缓冲、隔离、滤波传感 器输出的模拟信号，使其适合a d c 的输入。 本文对输入信号主要考虑过压和过流两个方面的保护。 常用的过流保护有1 2 2 】： ( 1 ) 熔丝：选用熔点低的金属丝作为过流防护器件，一旦线路中出现瞬i 日j 过电 流，则金属丝熔断，将外线的过电流切断，以保证其不对单板造成损坏。使用熔 丝的优点是不会埘线路的传输性能造成任何影响，但熔丝一旦在过电流作用下断 开，则须人工进行恢复，在线路条件不好的地区，维护的工作量非常大。 ( 2 ) 热敏电阻( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c e n t ，p t c ) ：热敏电阻的可自复性 能使其得到越来越广泛的应用。热敏电阻常温下呈现一种电阻特性( 几欧到几十 欧) ，当其中流过一定电流时，所产生的热量使热敏电阻的温度升高，热敏电阻 的阻值也缓慢升高；当温度上升至超过特定温度点( 称为热敏电阻的居里点) 时， 热敏电阻阻值会急剧增大至几十到儿百千欧，从而达到阻断过电流的目的。热敏 电阻呈高阻态后，还会有少量漏电流流过以维持热敏电阻继续发热。过电流消失 后，热敏电阻值又会随温度的逐步下降而恢复常温阻值。所以热敏电阻不需要更 换，免除了维护人员的工作量。 常用的过压保护有【2 2 j ： ( 1 ) 气体放电管：气体放电管利用空气隙放电的原理。在圆柱形陶瓷管内封装 入惰性气体，在圆柱体的两底面引出两金属极，一端接地，另一端接要保护的线 路。当线路与地之| 自j 的电压超过一定值，两金属极之间的空气隙被击穿放电，使 线路对地电压降低，从而保护了线路中的器件。气体放电管的优点是耐流能力强， 可流过几西安的电流。其缺点是放电电压不精确，有很大的波动范围；隋性气体 易泄漏造成放电管失效，某些气体管含有幅射性物质。 ( 2 ) 压敏电阻：压敏电阻通常情况卜呈现，f ：路状态，一旦线路电压超过其动作 电压，贝0 呈现类似二极管j f 向导通时的特性，电压稍有增人，则电流急剧上升， 9 人津i ：、j k 人学硕十学f 妒论文 日l l i v 曲线非常陡峭，从而达到了 f f 流箝妪的作用。压敏电阻瞬间过电流能力强， 可达几百安培，长时间过电流能力很弱，所以必须配合限流器件使j 。 上述两种器件的动作电压不是任意可选，即只能选取有限的标称动作电压， 且由于器件的离散性，即使是同样标称动作电压的同一批器件，其实际动作电压 也是不相同的，可能会有几十伏的差异。这样，它们只适用于对限压电压准确度 要求不很高的场合。如果对限压电压准确度要求较高，限压电压不在标称电压范 围内，则我们可采用以下方法。 ( 3 ) 二极管桥 二级管桥的结构如图3 1 所示。 三负参考源证参考源 电 路 扳 图3 1二级管桥的结构图 由图可见，当外线电j 玉高于i f 参考源电j 矗h , j ，二极管d 2 、d 4 导通，从而将 外线电压箝至正参考源电压与一极管i f 向导通压降之和的电压值；当外线电压低 于负参考源电压时，二极管d 1 、d 3 导通，从而外线电压被箝全负参考源电压与 二极管一向导通压降之差的电压值。从以卜对二二极管桥的工作原理的描述，我们 i i j 以看剑： i f 参考源电压与负参考源电压可以任意选取，只要保证正参考源电压大于负 参考源电压； 箝位电压较准确。 本设计输入的模拟信号质量较高，起初就足按照二极管桥米设计调理电路 的，但是由于市场上很难找到零点几伏电压的肖特基二极管，因此放弃了该方案， 采用线性放大器对信号进行0 6 倍的放大，这样既保证了输入信号的电压范围， 又起到了隔离作用。 本设计选用a d 8 1 3 9 作为线性放大器，主要原因为【2 3 】： ( 1 ) 该线性放大器为单电源供电，满足电路板的电源设计要求； ( 2 ) 可将单端输入信号转化为差分输出信号，增强信号传输的可靠惟； ( 3 ) 增益带宽秋为4 1 0 ，耳l j 4 1 0 m h z ，3 d bb w ( g = i ) ，满足带宽要求； ( 4 ) 允许通过在v o c m 施加电压来控制输出共模电压，将输入的1 v + 1 v 的模拟 电压信号提升到1 5 v 的直流电平上，满足所选用a d c f l 勺输入电平要求； 1 0 第三章雷达信号处理机的具体设计 ( 5 ) 适用于驱动高分辨率的a d c 器件( 1 8 b i t s 以下) ，设计中使用1 2 b i t s 的a d c 。 参照数据手册中的典型电路，确定信号调理与模数转换设计如图3 2 所示。 图3 2 信号调理与模数转换的典啦电路 釉i ， 经a d i 官方网站的仿真，确定了四个外部反馈电阻的阻值，仿真的网络地址 为：h t t p ：d e s i g n t o o l s a n a l o g c o m d t d i f f a m p w e b d t d i f f a m p m a i n a s p x 。 打开网页，在网页中对应选项做以下设置： s e l e c tp a r t ：a d 813 9 ； s e l e c tc o n f i g u r a t i o n ：s i n g l ee n d e di n p u t ； s e l e c tm o d e ：s e tr e s i s t o rv a l u e s ； r f l ：3 16q ： r g l ：4 9 9q ： + v s ：5 v ： 一v s ：0 v ： v c o m ：1 5 v ： r s ：5 0q ： r t ：6 1 9q ： s e l e c tw a v e f o m ：s i n e ： a m p l i t u d e ：4 v ( p