基于fpga dsp arm硬件平台下的雷达信号处理系统设计-化工

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1、基于FPGA+DSP+ARM硬件平台下的雷达信号处理系统设计-化工基于FPGA+DSP+ARM硬件平台下的雷达信号处理系统设计张洪峰（中国电子科技集团第三十八研究所，安徽合肥230031）【摘　要】在全世界范围内，尚有很多20世纪俄制雷达，服役于第三世界许多国家。主要介绍对这些俄制雷达数字端进行升级换代的方案：使用大规模FPGA器件、高速专用DSP芯片、以及ARM嵌入式计算机模块来实现信号处理系统。0　引言20世纪70年代前苏联研制的老式雷达，装备于乌克兰、伊朗、埃及、埃塞俄比亚、古巴、缅甸等许多第三世界国家。因年代久远，零部件老化，是修，许多雷达已经不能正常开机工作。本设

2、计就在此背景下产生的，因为工艺水平的不断提升，器件的集成度也越来越高，板级的功能也越来越强大。因此利用单块高集成度的板卡完成信号处理系统设计变得可能，设备量的降低使得老式雷达改造的成本相对较低，同时也便于后期的维护。本文提出用超大规模集成电路ＦＰＧＡ、专用高速ＤＳＰ、以及ＡＲＭ核心模块为硬件平台，完成信号处理一体化设计。１　系统功能因整个雷达系统设计方案，对于舱内设备的数量、体积、总的造价有着严格的要求，同时在单板上实现多型雷达信号处理。为了兼顾各方面的要求，这就给信号处理系统的设计带来了一定的难度。本系统工程方案立足利用已取得的技术成果，在满足技术指标的前提下，合理分解系

3、统功能，简化工程设计的复杂度，降低风险，同时方案上留有一定的设计与梁，以满足今后可能出现需求的改变或功能的丰富和完善；利用超高速、大容量的器件来降低大运算量系统设备的复杂性和设备量，提高该系统的可靠性和可维修性，同时保证该系统平台具有一定的先进性和升级扩展能力；采用超大规模的ＦＰＧＡ（ＡＬＴＥＲＡ）、高速ＤＳＰ、以及ＡＲＭ核心模块相结合的方式构建系统硬件平台，使系统设计具有一定的灵活性和适应性。图１为本信号处理系统的功能框图。１.1　数字脉冲压缩本雷达采用固态发射机，峰值功率受限，只能通过增加发射机的平均功率来提高作用距离。提高发射机平均功率的办法就是要进一步加大发射脉冲的

4、时宽。但是，脉冲宽度的增加带来了距离分辨率的降低，距离分辨率和作用距离之间试一对矛盾体，解决这一矛盾的方法就是脉冲压缩技术。本系统因为脉压点数较少，因此采用时域脉压的方法。这种方法电路简单，实现方便，电路复杂度只与压缩逼有关，与重复周期长度无关。具体公式如下：式中：x（n）为信号采样，w（n）为脉压匹配滤波器系数。针对ＳＴＲＴＩＸ器件内部的乘法器工作频率可达百Ｍ以上的特点采用分时，分节拍运算以节省内部资源，即输入输出采用低数据率，内部运算采用高速并行流水分时复用的逻辑结构，通过数据分时复用方式解决低输入输出数据率和内部高速运算能力之间的平衡。为了在器件规模允许的条件下达到尽

5、可能高的运算速度，我们采用了并行流水结构的复数乘法累加器。对于雷达信号而言，我们常用的是线性调频、非线性调频和编码信号这三种形式。线性调频和非线性调频信号，其匹配滤波器系数均可设置成对称形式。因此ｆｐｇａ内部设计脉压时，乘法器可以节省一半。本系统使用的是线性调频信号，５００点采样率为２．５Ｍ的脉冲压缩，内部乘法器时钟采用４０Ｍ，不难计算出只需要８个复数乘法器即可完成时域脉压运算。如若系统有多种发射脉宽，按照脉宽长度最大的来确定乘法器的个数。１.２　ＦＩＲ滤波器由于受波束内脉冲数的限制及变频、变T等方面的要求，信号处理通常采用FIR滤波器兼顾杂波抑制及目标提取的要求，我们常用

6、的MTI和MTD都是这种类型的滤波器。MTD处理器的主要好处是信噪比改善大。MTD采用的窄带滤波器组，使得落入每个滤波器通带中的杂波能量和噪声能量尽可能小。当目标与杂波在滤波器不同频道时，采用分频道CFAR，每个滤波器的检测门限都是根据该滤波器内的噪声、杂波的强弱而定。但由于杂波不仅由各滤波器的主瓣进入，而且未加权的滤波器副瓣电平较高，当副瓣的频率处于强杂波处时副瓣进入的杂波将降低其改善因子。若要提高改善因子，可在MTD滤波器之前先进行杂波滤波，或采用加权来降低滤波器的副瓣，在此系统中采用加权的方法提高改善因子，但滤波器的主瓣加宽。本系统采用的为ＭＴＤ滤波器的设计方法。因为

7、天线的多种转速，造成相同波束宽度内的回波数不一样，为了便于统型逻辑固件设计，滤波器统一设计为１６点，在最后过门限滑窗检测中采用不同的检测准则即可。１.３　快门限恒虚警快门限恒虚警处理是为对付均匀杂波干扰而设置的，由于杂波信号强度在距离和方位上变化较大，因此应选取检测单元附近的若干个单元来完成均值估值，单元平均选大恒虚警GO-CFAR主要用于对杂波抑制滤波器输出的虚警进行控制，输入为滤波器输出的对数视频信号，在被测单元左、右两边各取8个单元数值求平均后，选用二者中较大的值作为估值电平运算按（２）式：两侧的单元平均选大