雷达信号频率实时精确测量电路的设计与实现

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航天电了对抗第27卷第2期雷达信号频率实时精确测量电路的设计与实现卢鑫，郑同良，熊超(中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007)摘要：重点介绍以Xilinx公司的Virtex5系列FPGA和ADI公司的TigerSHARC系列浮点型DSP芯片ADSP—T$201S为核心，设计的一种符合CPCI规范的标准6u信号处理硬件电路平台。在这一硬件电路平台上，实现了雷达信号中频频率的实时精确测量。通过脉冲积累，利用脉冲之问的相参性，雷达信号中频频率测量精度可以优于1Hz。关键词：硬件电路；雷达信号；频率测量中图分类号：TN974文献标识码：ADesignandrealizationofreal。timeandhighaccuracyradarfrequencymeasuringcircuitLuxin，ZhengTongliang，XiongChao(No．8511ResearchInstituteofCASIC，Nanjin9210007，Jiangsu，China)Abstract：AcircuitplatformthatiscoredinXilinxFPGAandTigerSHARCADSP-TS201isstressed．whichconformstOthestandardofCPCIaswell．Onthisplatform，theintermediatefrequencyofradarsignalismeasuredaccuratelyinrealtime．Bythemeanofpulseaccumulationaswellasutilizingthecoherencebetweenpulses。theprecisionofmeasurementisabletoachievewithin1Hz．Keywords：hardwarecircuit；radarsignal；frequencymeasurement0引言1硬件电路设计雷达辐射源载频的精确测量可以应用在无源定位领域。从接收信号中提取精确的到达频率信息可以实现目标定位，其测量精度至少要达到赫兹量级，精度要求相当高。采用传统的谱估计方法存在许多困难。为此，本文对频率精测算法进行更深入的研究，在满足低信噪比适应条件的同时，将算法移植到硬件电路平台上，实现实时测鼍。由于信号处理流程相对复杂，运算量较大，数据吞吐率也急剧上升，这样就对硬件平台设计提出了较高的要求。我们采用DSP+FPGA这种目前圜际上比较通用的方法进行信号处理板的设计，为满足实时处理的要求，选用高性能芯片。研制的硬件电路平台主要由信号采集电路、中频信号处理部分FPGA、数字信号处理DSP、数据存储单元DDRIISDRAM以及CPCI接口、串口、网口等组成，具有系统集成度高、运算能力强、结构灵活、可扩展性强等特点。收稿H期：2010—10—15；201l—Ol一26修回。作者简介：卢鑫(1981一)，女，工程师．主要研究方向为电子对抗。硬件电路平台采用高速数据采集卡ADS5474完成模拟信号采集。将模拟信号转换为数字信号，然后将采集数据送至FPGA进行中频数据处理，FPGA将处理完的脉冲送至外部DDRIISDRAM，等待DSP的访问。DSP作为协处理器对信号进行计算分析，完成频率测量功能。上位机与信号处理板之间的数据通信通过CPCI接口、串口和网口来完成。硬件电路平台原理组成结构如图1所示。由于要对中频带通信号进行高速高精度数字化，AD器件的性能对后面信号处理的指标影响很大。我们选取14位的ADS5474，采样时钟遵循带通采样定理，考虑到实现的难易程度，采样时钟选取100MHz，今后可扩展至400MHz。为保证整板的实际有效位数和后续高精度的频率测量，输入时钟的稳定度要求优于1×10叫1。FPGA的信号处理运算量主要体现在数字正交和信号检测这两个过程对FPGA资源的占用上。由于100MHz采样，因此从AD送来的中频样本点数据量 很大-不利于做片上的存储后处理．我们选用Virtex521系列FPGA，最高工作时钟可达550MHz．咀100MHz为工作时钟能够实现实时样点处理。从算法所需的计算麓的角度来考虑．该芯片其有640个DSP-sli鼬，也是可以直接满足设计需要的．目l堆*t蓐十々^mn^K目FPGA不断的将检测出的脉冲数据送至卅部DDRllSDRAM中．等待DSP访问。DSP芯片型号为AD公司的TS201系列，芯片采用超级哈佛结构(SHARC)．CPU内棱时钟为600MHz．支持浮点运算t可在一个周期内取两个操作散．取一条指令．并完成一次乘法、一次加法和一次减法．运算膨山较强。以最关注的FFT建度为倒，完成1024点复数据的FFT运算-只需要15．7tes。对于脉冲信号序列的分析计算来说．诙芯片可以满足实时处理的要求。TS201存储空间容量可选20M．但由于数据量大．采用动态分配方式，有时会影响堆栈的操作．且当子函数嵌套超过3层时-很容易产生不可顶料的结果．造成汇编语言绾写的子函散不娩执行。因此．当DSP收到FPGA的握手信号时，我们启动DMA从外部存储器SDRAM中分批取散据处理．DMA取散大概是时钟装率的I／3(30M左右)．只要信号的占空比小于1／3哪可保证DDRllSDRAM中的散据不会艘覆盖．避免错误的发生．由于电路中大部分信号都工作在50MHz以上，信号处理中不能破坏脉冲内部以及脉冲之同的相参性．电路设计要求音理布局．保证地址线、数据线、时钟线等氍·对产生长线效应的走线使用阻抗疆配蓣术，保证两报信号线之间的间陌大于佾号线宽度的2倍．且在高速信号线局围添加保护地．减小高速信号线之问的串抗。2算法功能实现在硬件平台拇建的基础上．进行算法移植．实现实时的雷达信号顿率高精度澍量。测量处理流程主要包括信号检测、参散铡量厦频率精确铡鼍。中籀信号处理在FPGA中的实现通过瞬时自相关算莹得到信号包络．获得脉冲时域参散。对采集信号目进行m点相关运算，得，．-Hri弘2二，：T．．1o‘‘(1)”：=对汕取模后．与确定的门限作比较，可有效地检测信号。从儿的计算公式可“看出对于m点相关累加算法计算一点，．共需要m次复散乘法和m状复散加法．折算戚实披运算是4m状乘法和3m次的加法运算．而且运算量随m的增加而增多．其中FIFO的撵度决定了相关点致m，而通过比较Y。和，¨可以得到；弘=汕。l+(z¨j⋯l一乩，7．一／m(2)从上式可看出，每计算一个M仅葡进行一次复蕺乘法和两次复效加法，计算量大大碱少，而且不随m增大而增加．考虑到达种递推关系特性，所采用的相关算法能够在FPC,A中比较容易地得到实现。圈2为采集的中颠信口渡形，图3为信号控耐后获得的信号包络。目2^D采l十#"}蛳∞?、萝”啦飞绺《≯嘣目3FPGA镕{＆“＆镕22■$精■■■羹镕H*采样得到的相参脉冲信号各脉冲可表示为：x(n+KP)=A，exp(j(如+2“(”+K，)1．))+t(n+K．)H=0⋯1“．N—1．D=O．1．⋯．P一1(3)式中．A，为第p个脉冲的幅度，如为餐个观寨期问恒定的韧始相位．^为信号的频率，K为脉冲重复用期T，内的采样点数．t，为采样间隔．N为每个脉冲内的信号采样点数，单个脉冲宽度r=Nt．．P为脉冲个数。e是均值为0．方蔷为，的复高斯白噪声。额谱可表示戚如下形式： 34航天电子对抗2011(2)w，=等。妻，(垫字铲+sin(n(f+^一nfr)PTr)＼，¨一‘一万Z—nf／¨7由式(4)可见，信号频谱的包络由第一个因子决定，且主瓣宽度为2／r-，在包络之间则由第二个因子构成多个谱线。谱线之间的间隔等于脉冲重频，每根谱线的宽度为2／N丁r。因此谱线间隔大即莺复频率高，可以降低频率测量的模糊性。并且为了获得尽可能精细的谱线宽度，要求NL足够大，或者说』V足够大，就是要求脉冲数足够多，这样分辨率越高，测鼍精度也就越高。文献E7；对算法及无模糊频率估计条件进行了分析，频率测量在DSP中的处理流程如图4所示。图4频率测量DSP处理流程号脉宽1肛s、重复周期50t_s、信噪比10dB、积累30个脉冲为例。粗估计处理流程如图5所示，粗测结果如表1所示，均方根误差401．59Hz。图5粗估计流程精估计处理流程如图6所示，精测结果如表2所示，均方根误差0．54Hz。频率测量主要由粗估计和精估计组成．以雷达信图6精估计流程袭1电路粗测频结果序号1234567频率机测值／Hz72414475．72772415046．82272414596．37272414527．20072414362．89172413810．59972415134．755序号891011121314频牢粗测值／Hz72415081．44272414294．76472414639．45272415157．46772414817．00772414105．06872414235．893序号151617181920频牢粗测值／Hz72416248．92272416248．81772416249．36472416248．87272416248．95172416250．07772416248．854序号891011121314频率粗测值／Hz72416248．65872416249．53372416249．61872416250．38272416248．68772416248．023序u．151617181920频率租测值／Hz72416249．49372416248．88372416249．11472416249．19572416249．11772416249．47372416248．603(下转第38页) 4篓霎嚣嚣然辫本文构建了雷达信号中??三篇芸薅，其实时纂亲器篙誓肝鲇明9川旺‘200：：}臻：相参睬冲串顿率潮量方姗霸m簇嘉喜尝姜言：二茹