基于FPGA的通用雷达信号处理板卡设计

摘 要： 为降低经济成本，适应中小型渔船的需求，设计一种以FPGA为处理核心的通用雷达信号处理板。该信号处理板功能包括雷达信号的高速采集、实时运算、传输，并能处理来自GPS、电罗经、AIS、测深仪等外设信号。实现了雷达设备的小型化、模块化、通用化。实验结果表明，该信号处理板能快速接收雷达和外设信号并实时进行处理，符合未来船载雷达发展的趋势。

关键词： FPGA； 信号处理； AIS； 船载雷达

中图分类号： TN959?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）21?0103?04

Design of universal radar signal processing board based on FPGA

TIAN Zengshan， YANG Jinchao， LIU Heng

（Key Lab of Mobile Communications Technology， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China）

Abstract： To reduce the economic costs， and meet the requirement of the medium and small fishing boat， a universal radar signal processing board based on FPGA was designed. The functions of the signal processing board include the high?speed data acquisition， transmission and real?time operation of radar signal， and the processing board can process the peripheral signals from GPS， gyro compass， AIS and depth finder. The minimum， modularized and universal radar device was realized. The experimental results show that the signal processing board can quickly receive radar and peripheral signals， and process them in real time， which conforms to the development trend of the shipborne radar in the future.

Keywords： FPGA； signal processing； AIS； shipborne radar

0 引 言

船舶导航雷达出现将近半个世纪，其经历了电子管、晶体管、集成电路三个阶段[1]。雷达技术的发展已经使雷达不再局限于测距和测向功能，现在的导航雷达还具有导航，跟踪等功能，并能融合GPS、电罗经、AIS、测深仪等外设数据，给驾驶员一个更直观有效的操作界面。雷达已成为航海航行中不可缺少的工具[2]。

在未来的船舶导航雷达发展中，有关专家提出一个崭新的概念，一部性能优异的雷达=雷达天线+普通PC机及显示器+雷达信号处理板[3]。雷达天线在过去几十年的发展过程中并没有发生太大的变化，基本上沿袭了基于磁控管系统的缝隙波导天线技术。显示器在未来的发展中也不会出现太大的变化，基本上是基于光栅阵列扫描的显示器[4]。未来出现变革最大的是雷达信号处理板，该信号处理板不仅能够实现直接处理雷达视频信号、录取和跟踪目标，还具有将雷达图像和电子海图图像进行融合等功能。

目前较流行的雷达信号处理板结构有两种：

（1） FPGA+DSP结构，该结构使用FPGA接收A/D采集的雷达回波信号，进行一些预处理。主要包括脉冲累计，方位，船首信号的计数；DSP用于对雷达数据进行杂波抑制，主要包括海浪、雨雪杂波抑制，同频干扰抑制等。

（2） FPGA+ARM结构，该结构和前者功能大致相同，主要优势在于ARM能很方便地接收外设的信息，如AIS，GPS，测深仪，电罗经等[5]，并且ARM可独立驱动显示外设，这样节省了设备，进一步做到小型化。

对比分析以上两种结构，本文提出了一种以FPGA为核心的雷达信号处理板卡结构，所有的功能均在FPGA内部实现。由于目前的FPGA功能强大，内部集成有乘法器，存储器等运算模块，单独使用FPGA完全能满足目前雷达信号处理的要求，且该方案结构简单，体积小，代价低，是未来船舶导航雷达信号硬件板卡的最佳选择。

1 系统方案设计

1.1 整体架构

船舶导航雷达系统分为两个部分：雷达上单元和雷达下单元，系统整体框架如图1所示。其中雷达上单元包括雷达发射机、接收机和天线单元，主要完成雷达无线电脉冲的发射，雷达回波数据的接收。雷达下单元包括数字信号处理模块以及显示设备，也包括雷达进一步实现扩展的GPS定位、电子海图和鱼探等功能模块[6]。

1.2 信号处理板架构

信号处理板是雷达系统的核心部分，雷达系统的算法处理基本由信号处理板处理，主要包括天线接口模块，A/D采样模块、D/A模块、FPGA模块，串口模块，千兆以太网模块，整体架构如图2所示。

其中A/D模块主要对雷达上单元输出的模拟60 MHz中频信号（VIDEO）进行采样。D/A模块主要功能是将来自FPGA的控制信号转换成模拟调谐电压信号。天线接口部分主要是对雷达天线下来的方位（BP）、船首（HD）信号进行电平变换，然后直接送入到FPGA进行计数、处理。千兆以太网模块主要是将雷达处理过的视频信号传输到上位机进行显示处理，同时还接收来自雷达键盘的控制命令。串口部分主要接收来自外设的信号（NM0183格式）[7]。

2 板卡设计

2.1 关键器件选型

信号处理部分是信号处理板卡的核心部分，因此，器件的选型对板卡的性能起到至关重要的作用。本板卡主要的核心器件为A/D采样芯片和FPGA芯片。

（1） A/D采样芯片选型

A/D的性能决定着后面数据处理的复杂度和回波显示的细腻程度。采样率过低，会造成显示的回波稀疏，不利于目标的观测与识别；采样率过高，回波的显示效果有一定的改善，但如此高的数据量会对FPGA造成难以承受的负荷[8]。因此合理的选择A/D采样芯片对板卡处理的速度影响很大。

另外，从天线下来的回波信号为模拟中频60 MHz信号。根据奈奎斯特采样定律，本文选择ADI公司的AD9218?105 MHz采样芯片，该芯片为QFP封装，最高采样率为105 MHz，量化单位为10 b，满足系统要求。

（2） FPGA选型

作为雷达信号处理的主要处理器，FPGA不仅需要完成雷达接收数据的算法实现，还需要完成高速数据的传输和与上位机之间的数据交互。因此FPGA不仅要具有丰富的内部逻辑资源，而且需要足够多的I/O接口完成信号的转接和通信任务[9]。EP3C55F484C8就是一款满足这些条件的FPGA芯片，它是Altera公司的一款高性能大规模可编程逻辑器件，具有200 KB逻辑单元、8 Mb嵌入式存储器以及396个嵌入式乘法器，是高性能处理、低功耗应用的理想选择。

2.2 天线接口设计

生产船用导航雷达的厂家很多，在小型船用导航雷达方面，比较知名的厂商有日本的古野、光电、安利和德国的JRC，其中古野的应用最为广泛。在中国市场上90%的中小型船用导航雷达来自古野，其中最主要的原因是古野雷达具有通用化、标准化、系列化的设计方法[10]，特别是天线单元。目前的古野雷达天线已系列化，除非有特殊需要，一般不会为新研制的雷达开发新的天线。并且不同型号的天线单元大同小异，没有太大的变化，其雷达的外形也是十多年未改变。因此本信号处理板以古野系列雷达天线为设计对象，对天线接口进行统一设计。其中雷达天线接口主要有4个，分别为TX_TRIG_ANT（发射信号），BP（方位信号），HD（船首信号）和VIDEO（视频信号）。其信号格式如图3所示[11]。

其中TRIG信号为调制磁控管信号，VIDEO信号为雷达天线下来的模拟中频60 MHz雷达回波信号，BP为机械转盘的方位脉冲信号，频率大概为190 Hz，HD为方位清零信号，也即船首信号。根据以上格式，本信号处理板卡设计的转换接口电路如图4所示。

从图4中可知，对于BP信号，该电路先进行电阻分压，然后通过三极管进行驱动放大。从天线下来的HD信号为负电平，本文将HD信号转换为正的TTL电平。一般的古野雷达天线磁控管需要的TRIG信号为负电平，文中先将TRIG信号经过SN06R进行取反，然后再经过射极跟随器，这样可以增加该信号的驱动能力。因为本文采用的A/D芯片为差分输入，所以从天线下来的VIDEO（雷达回波）信号先进行单端转差分，然后再进行驱动放大。其中该回路上设计有电位器，通过该电位器可以灵活地对雷达回波信号进行衰减。

2.3 千兆以太网接口设计

本方案中以太网接口负责将FPGA处理过的雷达回波数据传送到上位机，同时传输从雷达键盘传送过来的控制信令，如增益控制，雨雪控制和海浪控制等。为增加该信号处理板卡的数据传输上限，该方案中采用千兆网口传输，网口模块设计如图5所示。

2.4 外设接口设计

该信号处理板卡不仅能接收来自天线下来的雷达回波数据和调谐指示信号，还能接收来自外设的信息，通常船载外设信号格式为NM0183格式，电平为422电平。因此，在将外设信号送入到FPGA之前必须要进行一定的电平转换，本设计中的转换电路如图6所示。其中HCPL2232不仅能将422电平转换成适合FPGA识别的信号，而且还起到隔离的作用，以防对FPGA造成损害。

3 系统测试

经过测试，该信号处理板卡能有效接收天线下来的回波信号和方位信号，并能发射驱动磁控管的信号和控制信号，现将主要测试结果列举如下。

3.1 测试环境

测试环境如图7所示，左图为本次测试所用雷达天线，型号为古野1932，右图为本文设计的信号处理板卡。

3.2 FPGA与天线通信测试

为验证该信号处理板能正确接收雷达方位、船首以及雷达视频信号。下面用FPGA的逻辑分析仪直接对该信号进行采样，实时分析。其中BP（方位信号），HD（船首信号）接收信号如图8所示。从图8中可以看出，HD信号格式为负电平，BP信号格式为正电平，与图3中信号格式相同。另外从该图中还可以看出HD信号周期为2.4 s，BP信号频率为190 Hz，该信号处理板完成了正确接收。

TX_TRIG和VIDEO测试结果如图9所示。从图9中可以看出，TX_TRIG信号发出后，信号处理板能接收雷达回波数据，该波形与图3中雷达回波信号格式相符，且波形完好，不失真。因此接口电路的设计满足设计要求。

3.3 FPGA千兆网口通信测试

网口作为该信号处理板卡与上位机通信的通道，其通信速率和准确率至关重要，本次测试采用从网络调试助手往板卡发送数据，然后在FPGA里用逻辑分析仪进行验证。测试结果如图10所示。

从图10中可以看出，从网络调试助手发送的数据在FPGA逻辑分析仪里能正确接收，其通信速率也能满足要求。因此该千兆网口的设计满足系统要求。

4 结 语

本信号处理板卡主要由FPGA组成，结构简单，集成度高。因为是可编程逻辑器件，后期针对软件算法的改进和升级非常方便。例如可根据FPGA高速运算的特点，实时调整对雷达回波信号的采样频率，增加数据处理的适应性和可控性。又比如根据FPGA内部丰富的逻辑资源，可以模拟出不同通信协议的通信制式信号，该板卡可以方便地与不同种类的外设进行对接，增加了该板卡的通用性。综上所述，该板卡符合未来船舶导航雷达发展的趋势。

参考文献

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[10] 王洪全.船舶导航雷达接收机与发射机设计与实现[D].成都：电子科技大学，2011.

[11] 肖丹丹，宿绍莹，李涛.基于AD9680的宽带高动态全数字雷达接收机设计[J].电子科技，2015，28（10）：141?144.