基于FPGA的雷达信号处理系统设计

南京理工大学硕士学位论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计姓名：梁丽申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：朱晓华20060601硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计摘要雷达信号处理是雷达系统的重要组成部分。在数字信号处理技术飞速发展的今天，雷达信号处理中也普遍使用数字信号处理技术。而现场可编程门阵NIJ(FPGA)在数字信号处理中的广泛应用，使得FPGA在雷达信号处理中也占据了重要地位。针对脉压雷达信号处理的FPGA实现，本文在以下几个方面展开研究：首先对几种主要的脉冲压缩信号进行了详细的分析，得出了各种信号的特点及其处理方式；并比较了各种方式的优缺点。其次对几种基本的雷达信号处理如脉冲压缩、动目标检N(MTD)、恒虚警@FAR)等详细地阐述矗萁原理；列举了各种信号处理经常采用的实现方法，对各种方法进行^ATLAB环境中对雷达回波信号处理进行仿真。了比较研究：并针对线性调频信号在l接下来，在xilinxISE6．3i软件集成环境下，通过对xiliFiX提供的免费IP核的调用，并与VHDL语言相结合，进行雷达信号处理的FPGA实现。，FPGA关键词：雷达信号处理，脉冲压缩，动目标检NIJ(MTD，恒虚警(CFAR)●●硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计ABSTRACTRadarsignalprocessingisanimportantpartofradarsystem．Nowadays，digitalsignalprocessingdevelopsrapidly．Anddistalsignalprocessingtechnologyreceivesawideapplicationinradarsi簪lalprocessing．Becauseoftheapplicationsindigitalsignalprocessing，FPGAhasgainedespeciallyimportantstatusinradarsignalprocessing．AimattherealizationofradarsignalprocessingbyFieldProgrammableLogicGateArrays(FPGA)，someworkhasbeendoneaboutthefollowingaspectsinthepaper．Firstly,analyzesomeoftheimportantpulsecompresssignals．Bycomparingthetime-domainwaveforms，frequency-domainwaveformsandambiguitydiagram，wegainthecharacteristicsofdifferentsignalsandtheirprocessingmethod．What’Smore，wehaveaviewoftheadvantageanddisadvantagebetweendifferentmethods．Secondly,wediscussthetheoryofbasicradarsignalprocessingsuchaspulsecompress，MovingTargetDetect(MAD)，andConstantFalseAlarmRate(CFAR)．AndWealsocomparedifferentsignalprocessingmethodforeachpart．ThenwetakeLFMsignalforexampletosimulatetheradarechowavesignalprocessinginMATLAB．Atthelast,werealizeradarsignalprocessinginFPGA,byusingtheSXilinx’freeIPcoreandVHDLlanguageinXilinxISE6．3isoftwareintegrationenvironment．Keywords：radarsignalprocessing，pulsecompress，MTD，CFAR,FPGAⅡ声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的谠．明。研究生塑蕾口，年∥月27t3学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：鐾塑口，年，月。7●●●硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计1绪论雷达信号处理是雷达系统的一个极其重要的组成部分，现代雷达技术的发展越来越倚重于信号处理。雷达信号处理不仅大大地提高了雷达在复杂背景(包括杂波和干扰)下对目标的检测能力，而且提供了更多的信息，如对目标进行成像及识别等。因此，雷达信号处理是当前雷达技术研究中最为活跃、进展最为迅速的部分之一【”。目前雷达信号处理主要包括旁瓣对消(SLc)、脉冲压缩(PC)、动目标显示(MTI)、动目标检测(MTD)、脉冲多普勒(PD)、恒虚警(CFAR)处理等，数字波束形成(DBF)也可归于雷达信号处理范畴。1．1雷达信号处理的发展过程自二十世纪四十年代雷达诞生以来，经过几十年的发展，雷达信号处理的研究取得了长足的进展。五十年代实现了抑制杂波的时域滤波和对复杂信号的匹配滤波；六十年代实现了对有源干扰的空域滤波，并提出了对变化环境的自适应滤波；六十年代以来，由于数字电路技术的实际应用和不断发展，使雷达的整体性能大幅度提高。进入NA．十年代之后，微电子技术，特别是微处理器技术的发展，使雷达信号处理完成了从模拟到数字的转化，其应用范围也日益广泛【l】。与模拟技术相比，数字技术具有许多不可比拟的优点。例如，不漂移、不老化、可精确重复操作、可自检、可编程、动态范围和精度仅受A／D变换器限制等。因此，广泛地采用数字技术，可显著地提高雷达系统性能水平。目前，数字技术在雷达中的应用主要包括数字波形产生、数字控制、信号处理和数据处理等四个方面。数字信号处理目前在雷达应用中，就功能来说主要是实现相关积累(例如，快速傅立叶变换、快速卷积、脉冲压缩、数字滤波等)、非相关积累(视频积累)、数字存储(如杂波图)、目标检测(门限)、参数估计以及目标跟踪和图像处理等。数字技术的应用促进了雷达信号处理的发展；而另一方面，雷达信号处理技术本身的发展，对微电子技术提出了越来越高的要求。在七十年代，雷达开始进入数字化，所采用的主要是几十门到数百门的中小规模集成电路。随着雷达信号处理水平的不断提高，信号处理机的复杂程度和计算量都在不断上升，采用传统的大、中、小规模的分立元器件实现会造成设备造价高、研制周期长、可靠性低，使用及维护困难等，因而使雷达的整体性能／价格比降低【ll。此时超大规模集成电路(VLsI)技术的出现，为雷达信号处理打开了新的局面。超高速DSP芯片和百万门可编程逻辑器件(PLD)的问世，为复杂信号处理系统的实现奠定l2■●●硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计了基础f2J。可编程逻辑器件不仅使系统设计趋于小型化、集成化和高可靠性，而且器件所具有的用户可编程特性，将大大地缩短系统设计周期，减少设计费用，降低设计风险。不仅如此，部分器件除了具有用户可编程能力，还具有简单的在线可编程(ISP)能力。它不仅使电子系统的设计和开发以及产品性能的改进和扩充变得十分简便，而且使电子系统具有多功能的适应能力，为实现许多复杂的信号处理和信息处理提供新的思路和方法【2】。FPGA正是这样一种最具代表性的PLD器件，无论是在速度、体积方面，还是在设计的灵活性上，都能适应现代雷达信号处理系统的要求。因此在雷达信号处理领域得到了广泛的使用。采用了FPGA和EPLD之后，可以将原来需要大量的中、小规模器件的电路用几块FPGA代替，它与通用的VLSI器件相结合，可以大大地缩小电路的体积，降低功耗，提高可靠性，并便于生产【l】。在雷达信号处理中广泛采用VLSI技术后，雷达信号处理机的体积与功耗减小，性能、可靠性大大地得到提高。．2雷达信号处理的发展趋势1在研制和生产中，由于通用化，系列化、模块化在缩短新型号的研制周期、加速旧型号的改进、提高产品质量和可靠性以及维修性方面具有重要的意义，越来越被人们重视。微电子技术的发展，特别是大规模集成电路(LSIC)和超大规模集成电路(VLSlC)的迅速发展及专用集成电路(ASlC)和可编程信号处理器(PSP)的应用，使得在雷达信号处理中，对广泛应用的数据采集、数字脉冲压缩、数字滤波、恒虚警等功能进行模块化不仅是完全必要的，而且也是可行的嘲。在雷达信号处理中可以进行模块化功能很多。在这里我们提出几种：(1)数字动目标显示(DMTI)；(2)自适应动目标显示(A舡I)；(3)动目标检测(MTD)；(4)自适应旁瓣相消(ASIC)；(5)自适应波束形成(ADBF)；(6)恒虚警检测(CFAR)；(7)脉冲压缩；(8)中频正交采样等。在这些模块中，除了采用通用的VLSI芯片之外，都有大量的电路可以用FPGA或ASIC来替代。在现代雷达中常用的数字信号处理功能模块包括：数据采集，数据重排，数字滤波，数字脉冲压缩，求模，恒虚警，杂波图，定时与控$ljt3j。用这些模块组合可完成雷达信号处理系统的各种基本功能。通用或基本通用的模块化雷达信号处理机的研制，一方面提高了雷达信号处理机■●●硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计的性能、可靠性、可维性，缩短研制周期，降低配置、使用成本，简化后勤保障工作，另一方面把广大工程技术人员从低层次的繁重、重复劳动中解放出来，使他们能有更多的精力进行一些深层次的研究工作，从而获得显著的经济效益和社会效益。1．3FPGA的基本结构和设计流程1．3．1FPGA的基本结构FPGA的结构是由基于半定制门阵列的设计思想而得到的。从本质上讲，FPGA是一种比半定制还方便的ASIC设计技术。FPGA的结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程I／O模块、可编程内部连线。可编程逻辑块和可编程互连资源的构造主要有两种类型：即查找表型和多路开关型。查找表型FPGA的可编程逻辑单元是由功能为查找表的SRAM构成函数发生器，由它来控制执行FPGA应用函数的逻辑。SRAM的输出为逻辑函数的值，由此输出状态控制传输门或多路开关信号的通断，实现与其它功能块的可编程连接。多路开关型可编程逻辑块的基本构成是一个多路开关的配置。利用多路开关的特性，在多路开关的每个输入接到固定电平或输入信号时，可实现不同的逻辑功能。大量的多路开关和逻辑门连接起来，可以构成实现大量函数的逻辑块。FPGA由其配置机制的不同分为两类：可再配置型和一次性编程型。近几年来，FPGA因其具有集成度高、处理速度快以及执行效率高等优点，在数字系统的设计中得到了广泛应用。1．3．2FPGA的设计流程可编程逻辑器件的设计是指利用EDA开发软件(如Xilinx的[SE、Altera的MUX+PLUSII和Quartus等)和编程工具对器件进行开发的过程。高密度复杂可编程逻辑器件的设计流程如图1．3．1所示，它包括设计准备，设计输入，功能仿真，设计处理，时序仿真和器件编程和测试等七个步骤【41。4■●●硕士论文基于FPGA的雷达信号处理系统设计图1．3．1可编程逻辑器件设计沉程1．设计准备在系统设计之前，首先要进行方案论证，系统设计和器件选择等准备工作。一般采用自上而下的设计方法。2．设计输入设计输入阶段的目的是产生XNF(XilinxNetlistFormat)文件。它也是设计实现阶段的开始。(1)原理图输入方式原理图输入方式是最直接的设计描述方式，可用原理图编辑器提供的工具将代表逻辑元件的符号连接起来，建立门