基于FPGA+DSP的雷达信号处理模块设计

【摘要】为了进一步提高雷达信号处理系统的实用性和稳定性，在雷达原始视频信号的处理、传输和存储的基础之上，FPGA与DSP通过最新的处理技术两者相结合，通过系统软件设计，降低设备成本以及降低功耗，同时解决传统雷达信号处理系统的问题。

【关键词】FPGA和DSP;雷达信号处理系统;数字信号护理;图像压缩

引言

现在为止传输录取视频的方法被交通系统广泛采用。录取视频系统优点所在就是低的系统传输率已经降低系统设计成本。然而不足之处也很突出，简化录取的视频回波形状，显示目标在杂波适应门限以上，录取视频系统的雷达信息会因为录取器的鼓掌而丢失。

利用最新、最快发展的FPGA和DSP芯片，融合得到高速雷达原始视频信号采集、处理系统，此设计性价比较好。

1.雷达信号处理机方案设计

1.1 雷达信号处理的目的

信号处理依靠机载雷达的占比越来越大，经过AD数据后以真空方式对数字脉压进行处理、转换和重排数据格式、加权降低频谱副瓣电平，根据滤波匹配或者相参积累（FFT或DFT ）、一维或二维CFAR方式处理依照重复频率进行、点迹目标通过跟踪实测角等运算传送给数据处理机。[1]空地方式下通过处理地图（如RBM和SAR）等相关图像成像，传送给线控处理机的是转换的坐标显示数据。

完成上述任务，充分满足系统实时性要求的信号处理模块为性能较高的DSP芯片与基于百万门级可编程逻辑处理器件FPGA，通用化的信号处理模块是设计的基本指导思想，减少开发经费以及缩短研制机载雷达系统的周期，根据小同要求，为了方便用户使用可通过软件自行修改参数。

1.2 系统模块化设计方案

系统功能模块如图1所示，主要包括信号处理所必须的脉冲压缩模块、为MTD模块作准备的数据重排模块、FIR滤波器组模块、求模模块、恒虚警处理模块和显示数据存储模、雷达同步信号和内部处理同步产生模块、自检数据产生模块以及小同测试点测试数据采样存储模块。

这些模块令系统功能更加丰富，方便研究者测试和观察信号处理各个功能模块的工作情况。

图1 设计结构框图

主要功能模块的具体功能描述如下：

（1）作为信号处理的第一步的正交采样，要为手续处理提供高质量数据，首先依靠A/D转换器对中频接收机输出的信号进行采样，再正交解调，以获得中频信号的基带信号（也称为中频信号的复包络）的I，Q两路正交信号，[2]首要考虑的问题是采样的速率和精度，应当限制采样系统引起的失真在后续信号处理任务所要求的误差范围内。

（2）当发射峰值功率受到限制时，脉冲压缩模块使用匹配滤波器保持能量不变，将接受到的宽卖信号变成窄脉冲，得到高距离分辨率和远探测距离，很好的解决了雷达作用距离与距离分辨力的矛盾。

（3）为了提高雷达的抗干扰能力，改善杂波背景下检测运动目标的能力，MTD模块依靠各种滤波器，滤出杂波从而取出运动目标的回波。

（4）确保输出端虚警概率保持恒定，恒虚警模块可自适应调整地门限代替固定门限根据观测目标的背景杂波大小，杂波功率或其他参数有变化的情况下，预防在杂波干扰增大时虚警概率过高。

2.系统软件设计

FPGA内部功能模块设计和DSP控制程序设计是雷达信号处理机软件设计的两个方面。

2.1 FPGA内部功能模块设计

系统软件的核心内容是FPGA内部功能模块的设计，主要功能设计分别为处理雷达回波数字信号、DSP接口、其他对外接口逻辑。此系统的核心为处理雷达回波信号，系统的硬件实现包括数字正交解调、脉冲压缩处理、MTD、恒虚警处理等。此外，FPGA还要将连接与计算机、DSP和数据模拟转换器之间的通讯作用完成。在与经常用的计算机进行接口连接时使用了RS-232串行接口，将FPGA以及DSP之间的数据转换以及储存利用DSP经过EMIF得以实现连接。所以在进行设计FPGA时主要对以下四部分进行逻辑设计：

第一DSP的接口连接的逻辑设计;

第二RS232接口连接的逻辑设计;

第三，输出数据部分的逻辑设计;

第四，用于计算信号处理的方法逻辑设计。

2.2 DSP控制程序设计

DSP通过EMIF连接FPGA，实现数据转换，在整个系统中起到的作用是控制及调整。接受程序和串口程序是系统DSP软件设计的两部分，FPGA读取目标是在接受程序完成后处理结果任务，存储接受数据的为内部RAM。信号进入下位数据处理系统发送任务前提是串口程序完成处理。

3.雷达回波图像的压缩

雷达回拨信号经过DSP处理后依靠PCI总线送入主机，要对此进行压缩，其目的是利于进一步的传输和存储。

在一维和二维上均可进行信号压缩。以时间t为坐标的信号，同一个雷达脉冲周期内，前面的杂波抑制处理就是基于一维。则二维就是把N个相邻重复周期脉冲回波组成MxN的回波图像，其中M为一个雷达周期内视频回波信号采样样点数。[3]雷达回波与图像信号的起伏特性非常相似，为了防止引起重构信号的失真，因此依靠雷达回波图像分杂波。

根据上述的原理，出发点基于小基波的选取、采纳的算法、小波尺度以及处理边界方法和处理阑值方法等多个角度，再参照雷达信号抑制杂波算法进行选取，经过证实非降样算法的4尺度H as：小波较为满足条件，计算过程中处理方法为硬阑值和周期拓展的边界处理方式。原始雷达信号和加入瑞利噪声的仿真信号处理前后的效果可从图2看出，信杂比有了很大改善，只因信号经过了杂波抑制处理。

图2 仿真信号杂波抑制前后效果比较

4.结束语

综上所述，本文通过将FPGA和DSP完美的结合，利用FOGA实现杂波抑制处理，依靠DSP进行数据的压缩，降低系统中数据传输和存储的成本，系统的实时性得到了大大的提高，从而有利于系统集成性的提高。

参考文献

[1]许爽，索继东，赵庆凯.基于FPGA和DSP的雷达信号处理系统[A].中国航海学会通信导航专业委员会.中国航海学会通信导航专业委员会2003学术年会论文集[C].中国航海学会通信导航专业委员会，2003：5.

[2]闫大伟，吴军，向建军.基于FPGA+DSP的雷达信号处理模块的设计[J].电子技术应用，2010，09：61-63+67.

[3]张静，索继东.基于FPGA和DSP的雷达信号处理系统的设计[J].大连海事大学学报，2002，02：69-72.

作者简介：李志成（1973―），扬州723所工程师。