一種基于fpga的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】—種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及雷達(dá)工程領(lǐng)域，特別涉及到中頻相參的雷達(dá)體制，具體來(lái)說(shuō)是一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]船舶雷達(dá)是一種傳統(tǒng)的無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備，在船舶近海定位、引導(dǎo)船舶進(jìn)、出港，窄航道航行以及在避碰中發(fā)揮作用?，F(xiàn)如今船舶雷達(dá)不僅可以用于船舶導(dǎo)航，還可以用于港口管理和海洋遙感等。目前，國(guó)內(nèi)外船舶雷達(dá)大都采用非相參脈沖體制，由于采用磁控管振蕩器產(chǎn)生射頻脈沖頻率不夠穩(wěn)定，脈沖間的相位隨機(jī)變化，因此主流的模擬接收方法無(wú)法利用回波中的頻率信息和相位信息，只是在基帶上對(duì)回波包絡(luò)檢波后利用回波的幅值進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，大大制約了對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力和跟蹤性能的進(jìn)一步提高。相參雷達(dá)的應(yīng)用可以很好地解決這類問題，其與非相參雷達(dá)的最主要區(qū)別就在于相參雷達(dá)可進(jìn)行多普勒信息的提取。相參體制分為全相參體制和中頻相參體制，中頻相參雷達(dá)比全相參雷達(dá)具有更尚和更合理的性能價(jià)格比。并且，現(xiàn)如今船舶雷達(dá)的海洋遙感用途越來(lái)越重要，用于海洋遙感時(shí)天線轉(zhuǎn)速要求較高，而模擬的接收系統(tǒng)靈活性低，處理速度達(dá)不到要求，數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。
[0005]隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片技術(shù)飛速發(fā)展，算法雖然可以通用，但其穩(wěn)定性和速度還達(dá)不到工業(yè)化要求。在當(dāng)今高速A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速率越來(lái)越高的背景下，雷達(dá)數(shù)字化接收機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的處理速率提出了更高的要求。傳統(tǒng)通用DSP由于其處理速率有限，往往無(wú)法直接處理A/D芯片對(duì)中頻信號(hào)采樣產(chǎn)生的高速數(shù)據(jù)流，而FPGA的發(fā)展為中頻相參接收系統(tǒng)提供了技術(shù)鋪墊，F(xiàn)PGA可配置、可編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)控振蕩器、低通濾波器等功能，能夠更好地提高系統(tǒng)的靈活性?；贔PGA設(shè)計(jì)的數(shù)字化中頻接收系統(tǒng)還符合軟件無(wú)線電的基本思想，大大提高了后面雷達(dá)信號(hào)處理部分的可靠性。
[0006]在雷達(dá)中頻接收系統(tǒng)中，已經(jīng)檢索到相關(guān)的專利有:發(fā)明專利[I]( 一種通用型數(shù)字中頻接收機(jī)，申請(qǐng)?zhí)?201210507125.4，發(fā)明人:高攀峰)，描述了一種具有多通道靈活組合和并行處理結(jié)構(gòu)的數(shù)字中頻接收機(jī)，充分利用ASIC、DSP和FPGA協(xié)同處理和多通道并行處理的優(yōu)勢(shì)，既可以用做靈活的通道接收，又可以用做全概率接收，通用性好，適用范圍寬，可應(yīng)用在雷達(dá)、通信、測(cè)控等多個(gè)領(lǐng)域。但是處理模塊芯片較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使得與整個(gè)雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不夠緊湊；實(shí)用新型專利[2](船舶導(dǎo)航雷達(dá)大動(dòng)態(tài)范圍中頻數(shù)字化模塊，申請(qǐng)?zhí)?201320044573.5，發(fā)明人:葛俊祥、潘安、魯建彬等)，描述了一種船舶導(dǎo)航雷達(dá)大動(dòng)態(tài)范圍中頻數(shù)字化模塊，用集成電路的方式將中頻放大、數(shù)字采樣等部分集成于同一模塊，系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。但是采集接收信號(hào)后通過(guò)接口直接輸給FPGA用于信號(hào)處理，只能提取信號(hào)的幅度信息而無(wú)法提取到相位信息，決定了該雷達(dá)無(wú)法充分利用回波信號(hào)的多普勒信息；發(fā)明專利[3]( 一種雷達(dá)接收數(shù)字相干處理系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)?201310024773.9，發(fā)明人:徐洪春、王遞進(jìn))，描述了一種雷達(dá)接收數(shù)字相干處理系統(tǒng)，采取中頻直接數(shù)字化，通過(guò)發(fā)射主波樣本信號(hào)與中頻回波數(shù)字信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)算，消除發(fā)射信號(hào)初相、頻率不穩(wěn)、幅度不穩(wěn)的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)字穩(wěn)頻穩(wěn)相、自適應(yīng)頻率補(bǔ)償、接收相干處理。但是雙通道的模式要保證時(shí)鐘同步、I/Q信號(hào)幅度相位一致相對(duì)比較復(fù)雜。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的技術(shù)目的在于克服上述問題，提供一種簡(jiǎn)單可行的基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)。與非相參雷達(dá)的最主要區(qū)別就在于相參雷達(dá)可進(jìn)行多普勒信息的提取，另外可以使該船舶雷達(dá)用于海洋遙感。主要的解調(diào)工作都是在數(shù)字芯片中實(shí)現(xiàn)的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)方便可行，且系統(tǒng)的靈活性高，與模擬變換方法分別得到I/Q基帶信號(hào)相比，提高了 I/Q信號(hào)的鏡頻抑制比，具有低漂移、低失真等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且能夠最大限度地提取回波信號(hào)中的有用信息于后期的雷達(dá)信號(hào)處理操作。并且整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現(xiàn)。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，包括與射頻接收前端的輸出端連接的中頻放大模塊，其特征在于，還包括A/D采樣芯片、數(shù)字下變頻模塊，所述的數(shù)字下變頻模塊包括依序設(shè)置的基于FPGA的數(shù)控振蕩器、低通濾波器和數(shù)字抽取濾波器；射頻接收前端輸出的中頻功率信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻放大模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?1.7V-+1.7V的電壓信號(hào)，再輸送至A/D采樣芯片，A/D采樣芯片按照基于FPGA的時(shí)序控制器輸出的采樣控制信號(hào)采集電壓信號(hào)后輸送給數(shù)字下變頻模塊。
[0010]前述的一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，所述的中頻放大模塊包括依序設(shè)置的對(duì)數(shù)放大器和電平調(diào)整電路。
[0011]前述的一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，所述的數(shù)控振蕩器基于FPGA應(yīng)用硬件描述語(yǔ)言verilog來(lái)設(shè)計(jì)，采用查找表法，包括頻率控制字寄存器、32位相位累加器、相位控制字寄存器、16位地址產(chǎn)生器、波形發(fā)生器ROM五個(gè)部分；在輸入時(shí)鐘的觸發(fā)下，以所述的頻率控制字為步長(zhǎng)值，與相位控制字寄存器用來(lái)存放代表頻率的32位相位值一并送入累加器中采用Altera的加法器進(jìn)行相位累加，用該累加值作為存儲(chǔ)表的地址；波形發(fā)生器ROM是只讀正余弦查找表，讀出對(duì)應(yīng)地址的正余弦賦值進(jìn)行輸出，而輸出頻率是通過(guò)頻率控制字的輸入來(lái)控制的。
[0012]前述的一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，所述的數(shù)字抽取濾波器為基于FPGA應(yīng)用硬件描述語(yǔ)言verilog設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)濾波器，級(jí)聯(lián)濾波器的第一級(jí)采用5倍抽取的CIC濾波器，而CIC濾波器會(huì)帶來(lái)通帶內(nèi)衰減，因此使用補(bǔ)償濾波器使CIC濾波器通頻帶平坦化，即在CIC濾波器之后加上FIR濾波器進(jìn)行通帶補(bǔ)償，改善數(shù)字濾波器的整體性能，因此在CIC濾波器降低信號(hào)采樣頻率后，第二級(jí)采用4倍抽取的FIR濾波器，第三級(jí)采用2倍抽取的FIR濾波器來(lái)進(jìn)行濾波處理，提高資源利用率。
[0013]前述的一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，F(xiàn)PGA的PLL核內(nèi)部進(jìn)行時(shí)鐘分頻處理并產(chǎn)生80MHz輸出時(shí)鐘提供給A/D采樣芯片作為采樣頻率。
[0014]前述的一種基于FPGA的船舶雷達(dá)數(shù)字化中頻相參接收處理系統(tǒng)，所述的A/D采樣芯片對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行16位的A/D采樣。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.系統(tǒng)中中頻放大部分將中放板和ADC芯片分開，PCB上只有模擬地而沒有數(shù)字地，可減少噪聲干擾。
[0016]2.在現(xiàn)有船舶導(dǎo)航雷達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字接收的改進(jìn)，與模擬接收相比處理速度快、精度高，使該船舶雷達(dá)也可適應(yīng)海洋遙感的中頻處理要求。
[0017]3.模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊利用FPGA控制ADC芯片輸出采樣信號(hào)并用FPGA內(nèi)部PLL核產(chǎn)生采樣頻率，這種方法簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現(xiàn)。
[0018]4.用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)中頻相參接收處理系統(tǒng)，可避免傳統(tǒng)通用DSP其處理速率有限、無(wú)法直接處