基于FPGA的通用雷達信號處理板卡設(shè)計

摘 要： 為降低經(jīng)濟成本，適應中小型漁船的需求，設(shè)計一種以FPGA為處理核心的通用雷達信號處理板。該信號處理板功能包括雷達信號的高速采集、實時運算、傳輸，并能處理來自GPS、電羅經(jīng)、AIS、測深儀等外設(shè)信號。實現(xiàn)了雷達設(shè)備的小型化、模塊化、通用化。實驗結(jié)果表明，該信號處理板能快速接收雷達和外設(shè)信號并實時進行處理，符合未來船載雷達發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞： FPGA； 信號處理； AIS； 船載雷達

中圖分類號： TN959?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

船舶導航雷達出現(xiàn)將近半個世紀，其經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路三個階段[1]。雷達技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使雷達不再局限于測距和測向功能，現(xiàn)在的導航雷達還具有導航，跟蹤等功能，并能融合GPS、電羅經(jīng)、AIS、測深儀等外設(shè)數(shù)據(jù)，給駕駛員一個更直觀有效的操作界面。雷達已成為航海航行中不可缺少的工具[2]。

在未來的船舶導航雷達發(fā)展中，有關(guān)專家提出一個嶄新的概念，一部性能優(yōu)異的雷達=雷達天線+普通PC機及顯示器+雷達信號處理板[3]。雷達天線在過去幾十年的發(fā)展過程中并沒有發(fā)生太大的變化，基本上沿襲了基于磁控管系統(tǒng)的縫隙波導天線技術(shù)。顯示器在未來的發(fā)展中也不會出現(xiàn)太大的變化，基本上是基于光柵陣列掃描的顯示器[4]。未來出現(xiàn)變革最大的是雷達信號處理板，該信號處理板不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直接處理雷達視頻信號、錄取和跟蹤目標，還具有將雷達圖像和電子海圖圖像進行融合等功能。

目前較流行的雷達信號處理板結(jié)構(gòu)有兩種：

（1） FPGA+DSP結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用FPGA接收A/D采集的雷達回波信號，進行一些預處理。主要包括脈沖累計，方位，船首信號的計數(shù)；DSP用于對雷達數(shù)據(jù)進行雜波抑制，主要包括海浪、雨雪雜波抑制，同頻干擾抑制等。

（2） FPGA+ARM結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)和前者功能大致相同，主要優(yōu)勢在于ARM能很方便地接收外設(shè)的信息，如AIS，GPS，測深儀，電羅經(jīng)等[5]，并且ARM可獨立驅(qū)動顯示外設(shè)，這樣節(jié)省了設(shè)備，進一步做到小型化。

對比分析以上兩種結(jié)構(gòu)，本文提出了一種以FPGA為核心的雷達信號處理板卡結(jié)構(gòu)，所有的功能均在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。由于目前的FPGA功能強大，內(nèi)部集成有乘法器，存儲器等運算模塊，單獨使用FPGA完全能滿足目前雷達信號處理的要求，且該方案結(jié)構(gòu)簡單，體積小，代價低，是未來船舶導航雷達信號硬件板卡的最佳選擇。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 整體架構(gòu)

船舶導航雷達系統(tǒng)分為兩個部分：雷達上單元和雷達下單元，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。其中雷達上單元包括雷達發(fā)射機、接收機和天線單元，主要完成雷達無線電脈沖的發(fā)射，雷達回波數(shù)據(jù)的接收。雷達下單元包括數(shù)字信號處理模塊以及顯示設(shè)備，也包括雷達進一步實現(xiàn)擴展的GPS定位、電子海圖和魚探等功能模塊[6]。

1.2 信號處理板架構(gòu)

信號處理板是雷達系統(tǒng)的核心部分，雷達系統(tǒng)的算法處理基本由信號處理板處理，主要包括天線接口模塊，A/D采樣模塊、D/A模塊、FPGA模塊，串口模塊，千兆以太網(wǎng)模塊，整體架構(gòu)如圖2所示。

其中A/D模塊主要對雷達上單元輸出的模擬60 MHz中頻信號（VIDEO）進行采樣。D/A模塊主要功能是將來自FPGA的控制信號轉(zhuǎn)換成模擬調(diào)諧電壓信號。天線接口部分主要是對雷達天線下來的方位（BP）、船首（HD）信號進行電平變換，然后直接送入到FPGA進行計數(shù)、處理。千兆以太網(wǎng)模塊主要是將雷達處理過的視頻信號傳輸?shù)缴衔粰C進行顯示處理，同時還接收來自雷達鍵盤的控制命令。串口部分主要接收來自外設(shè)的信號（NM0183格式）[7]。

2 板卡設(shè)計

2.1 關(guān)鍵器件選型

信號處理部分是信號處理板卡的核心部分，因此，器件的選型對板卡的性能起到至關(guān)重要的作用。本板卡主要的核心器件為A/D采樣芯片和FPGA芯片。

（1） A/D采樣芯片選型

A/D的性能決定著后面數(shù)據(jù)處理的復雜度和回波顯示的細膩程度。采樣率過低，會造成顯示的回波稀疏，不利于目標的觀測與識別；采樣率過高，回波的顯示效果有一定的改善，但如此高的數(shù)據(jù)量會對FPGA造成難以承受的負荷[8]。因此合理的選擇A/D采樣芯片對板卡處理的速度影響很大。

另外，從天線下來的回波信號為模擬中頻60 MHz信號。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，本文選擇ADI公司的AD9218?105 MHz采樣芯片，該芯片為QFP封裝，最高采樣率為105 MHz，量化單位為10 b，滿足系統(tǒng)要求。

（2） FPGA選型

作為雷達信號處理的主要處理器，F(xiàn)PGA不僅需要完成雷達接收數(shù)據(jù)的算法實現(xiàn)，還需要完成高速數(shù)據(jù)的傳輸和與上位機之間的數(shù)據(jù)交互。因此FPGA不僅要具有豐富的內(nèi)部邏輯資源，而且需要足夠多的I/O接口完成信號的轉(zhuǎn)接和通信任務[9]。EP3C55F484C8就是一款滿足這些條件的FPGA芯片，它是Altera公司的一款高性能大規(guī)模可編程邏輯器件，具有200 KB邏輯單元、8 Mb嵌入式存儲器以及396個嵌入式乘法器，是高性能處理、低功耗應用的理想選擇。

2.2 天線接口設(shè)計

生產(chǎn)船用導航雷達的廠家很多，在小型船用導航雷達方面，比較知名的廠商有日本的古野、光電、安利和德國的JRC，其中古野的應用最為廣泛。在中國市場上90%的中小型船用導航雷達來自古野，其中最主要的原因是古野雷達具有通用化、標準化、系列化的設(shè)計方法[10]，特別是天線單元。目前的古野雷達天線已系列化，除非有特殊需要，一般不會為新研制的雷達開發(fā)新的天線。并且不同型號的天線單元大同小異，沒有太大的變化，其雷達的外形也是十多年未改變。因此本信號處理板以古野系列雷達天線為設(shè)計對象，對天線接口進行統(tǒng)一設(shè)計。其中雷達天線接口主要有4個，分別為TX_TRIG_ANT（發(fā)射信號），BP（方位信號），HD（船首信號）和VIDEO（視頻信號）。其信號格式如圖3所示[11]。

其中TRIG信號為調(diào)制磁控管信號，VIDEO信號為雷達天線下來的模擬中頻60 MHz雷達回波信號，BP為機械轉(zhuǎn)盤的方位脈沖信號，頻率大概為190 Hz，HD為方位清零信號，也即船首信號。根據(jù)以上格式，本信號處理板卡設(shè)計的轉(zhuǎn)換接口電路如圖4所示。

從圖4中可知，對于BP信號，該電路先進行電阻分壓，然后通過三極管進行驅(qū)動放大。從天線下來的HD信號為負電平，本文將HD信號轉(zhuǎn)換為正的TTL電平。一般的古野雷達天線磁控管需要的TRIG信號為負電平，文中先將TRIG信號經(jīng)過SN06R進行取反，然后再經(jīng)過射極跟隨器，這樣可以增加該信號的驅(qū)動能力。因為本文采用的A/D芯片為差分輸入，所以從天線下來的VIDEO（雷達回波）信號先進行單端轉(zhuǎn)差分，然后再進行驅(qū)動放大。其中該回路上設(shè)計有電位器，通過該電位器可以靈活地對雷達回波信號進行衰減。

2.3 千兆以太網(wǎng)接口設(shè)計

本方案中以太網(wǎng)接口負責將FPGA處理過的雷達回波數(shù)據(jù)傳送到上位機，同時傳輸從雷達鍵盤傳送過來的控制信令，如增益控制，雨雪控制和海浪控制等。為增加該信號處理板卡的數(shù)據(jù)傳輸上限，該方案中采用千兆網(wǎng)口傳輸，網(wǎng)口模塊設(shè)計如圖5所示。

2.4 外設(shè)接口設(shè)計

該信號處理板卡不僅能接收來自天線下來的雷達回波數(shù)據(jù)和調(diào)諧指示信號，還能接收來自外設(shè)的信息，通常船載外設(shè)信號格式為NM0183格式，電平為422電平。因此，在將外設(shè)信號送入到FPGA之前必須要進行一定的電平轉(zhuǎn)換，本設(shè)計中的轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。其中HCPL2232不僅能將422電平轉(zhuǎn)換成適合FPGA識別的信號，而且還起到隔離的作用，以防對FPGA造成損害。

3 系統(tǒng)測試

經(jīng)過測試，該信號處理板卡能有效接收天線下來的回波信號和方位信號，并能發(fā)射驅(qū)動磁控管的信號和控制信號，現(xiàn)將主要測試結(jié)果列舉如下。

3.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境如圖7所示，左圖為本次測試所用雷達天線，型號為古野1932，右圖為本文設(shè)計的信號處理板卡。

3.2 FPGA與天線通信測試

為驗證該信號處理板能正確接收雷達方位、船首以及雷達視頻信號。下面用FPGA的邏輯分析儀直接對該信號進行采樣，實時分析。其中BP（方位信號），HD（船首信號）接收信號如圖8所示。從圖8中可以看出，HD信號格式為負電平，BP信號格式為正電平，與圖3中信號格式相同。另外從該圖中還可以看出HD信號周期為2.4 s，BP信號頻率為190 Hz，該信號處理板完成了正確接收。

TX_TRIG和VIDEO測試結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，TX_TRIG信號發(fā)出后，信號處理板能接收雷達回波數(shù)據(jù)，該波形與圖3中雷達回波信號格式相符，且波形完好，不失真。因此接口電路的設(shè)計滿足設(shè)計要求。

3.3 FPGA千兆網(wǎng)口通信測試

網(wǎng)口作為該信號處理板卡與上位機通信的通道，其通信速率和準確率至關(guān)重要，本次測試采用從網(wǎng)絡調(diào)試助手往板卡發(fā)送數(shù)據(jù)，然后在FPGA里用邏輯分析儀進行驗證。測試結(jié)果如圖10所示。

從圖10中可以看出，從網(wǎng)絡調(diào)試助手發(fā)送的數(shù)據(jù)在FPGA邏輯分析儀里能正確接收，其通信速率也能滿足要求。因此該千兆網(wǎng)口的設(shè)計滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié) 語

本信號處理板卡主要由FPGA組成，結(jié)構(gòu)簡單，集成度高。因為是可編程邏輯器件，后期針對軟件算法的改進和升級非常方便。例如可根據(jù)FPGA高速運算的特點，實時調(diào)整對雷達回波信號的采樣頻率，增加數(shù)據(jù)處理的適應性和可控性。又比如根據(jù)FPGA內(nèi)部豐富的邏輯資源，可以模擬出不同通信協(xié)議的通信制式信號，該板卡可以方便地與不同種類的外設(shè)進行對接，增加了該板卡的通用性。綜上所述，該板卡符合未來船舶導航雷達發(fā)展的趨勢。

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