??? 摘 要： 針對某型脈沖對多普勒雷達的信號處理要求，設(shè)計了一種全數(shù)字化信號處理機" title="信號處理機">信號處理機。該信號處理機采用“ADC+FPGA+DSP+存儲器”結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等優(yōu)點。重點討論了信號處理中數(shù)據(jù)采集、脈沖積累及目標檢測的方法和實現(xiàn)。
??? 關(guān)鍵詞： 脈沖多普勒雷達；信號處理機；數(shù)據(jù)采集；恒虛警檢測
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??? 多普勒雷達的主要功能就是在雜波背景下測量運動目標" title="運動目標">運動目標[1]。其基本原理是利用運動目標和背景雜波相對于雷達的徑向速度不同而產(chǎn)生的多普勒頻率不同，從而在雷達回波中區(qū)分運動目標。脈沖多普勒雷達發(fā)射信號為脈沖串，其回波信號也為脈沖串。雷達信號處理機實現(xiàn)目標檢測和目標多普勒信號的提取。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，高速高精度的ADC轉(zhuǎn)換器件、大規(guī)模FPGA以及高性能數(shù)字信號" title="數(shù)字信號">數(shù)字信號處理器(DSP)日益普及，采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)雷達信號處理得到了廣泛應(yīng)用。雷達數(shù)字信號處理機通常采用ADC轉(zhuǎn)換器將雷達回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利用FFT運算實現(xiàn)多普勒濾波器組，然后利用恒虛警檢測" title="恒虛警檢測">恒虛警檢測原理實現(xiàn)運動目標的檢測[2]。
1 信號處理機設(shè)計要求和基本組成
??? 本文設(shè)計的脈沖多普勒雷達數(shù)字信號處理機為某型號對海矢量脫靶量測量雷達專用信號處理機，其性能直接影響雷達的測量精度。信號處理機設(shè)計不僅要滿足信號處理的精度和實時性要求，還要綜合考慮整個信號處理機的低功耗、可重構(gòu)性及可靠性。
??? 本文設(shè)計的信號處理機的基本功能是：將多路雷達接收機輸出的I、Q視頻信號按距離波門進行模數(shù)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號并進行脈沖積累提高信噪比，然后從中檢測運動目標，根據(jù)檢測結(jié)果錄取目標過靶前后的回波信號，通過數(shù)據(jù)傳輸接口將錄取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理計算機，還能接收遙控指令，控制處理機的工作模式。
??? 信號處理機采用“ADC+FPGA+DSP+存儲器”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，由ADC轉(zhuǎn)換、脈沖積累、存儲控制" title="存儲控制">存儲控制、FFT運算、DSP以及遙控接口和數(shù)據(jù)傳輸接口等部分電路組成，如圖1所示。其中脈沖積累、存儲控制、FFT運算由FPGA實現(xiàn)。DSP處理器除了完成恒虛警目標檢測功能外，還作為整個處理機的總控制器控制處理機各部分的工作。信號處理機采用的數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式進行流水處理，各組成部分也分別采用流水方式工作，保證了信號處理機的實時性。
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????這種實現(xiàn)方案既能滿足信號處理的高速度和高精度的要求，且具有一定的靈活性和可擴展性，同時還能滿足系統(tǒng)的功耗、體積、重量和可靠性要求。
2 信號處理機的設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計
??? ADC轉(zhuǎn)換電路負責(zé)將雷達接收機輸出的目標回波I/Q視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。雷達采用脈沖多普勒體制，雷達發(fā)射脈沖寬度為200ns，為了保證在每個距離波門都能采到一點，ADC轉(zhuǎn)換時鐘至少為5MHz，且與發(fā)射脈沖嚴格同步，以保證各距離波門的采樣位置相對發(fā)射脈沖的延時一致。采樣時鐘的相位可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，以控制采樣時刻相對發(fā)射脈沖的延時。本雷達作用距離為360m，另外為了進行接收機狀態(tài)在線監(jiān)測和校準，還在有效作用距離外發(fā)送參考信號，因此在進行數(shù)據(jù)鎖存時，需要將發(fā)射脈沖后12個采樣脈沖以及參考信號所在波門的數(shù)據(jù)進行鎖存。ADC轉(zhuǎn)換電路時序如圖2所示。其中T0為發(fā)射脈沖同步信號，ADCLK為采樣時鐘，T1為數(shù)據(jù)鎖存控制信號。T1信號前一個脈沖寬2 400ns，用于鎖存有效作用距離內(nèi)的回波采樣信號；后一個脈沖寬200ns，用于鎖存參考信號采樣。ADCLK和T1由接收機輸出60MHz時鐘分頻產(chǎn)生，該時鐘與T0嚴格同步。ADCLK與T1相對于T0的延時通過控制分頻器的起始相位進行調(diào)整，以確定距離波門的采樣位置。
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2.2 脈沖積累電路設(shè)計
?? ?脈沖積累電路負責(zé)將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果按距離波門進行可變次數(shù)的積累，以提高回波信號的信噪比。由于雷達脈沖重復(fù)頻率遠大于目標多普勒信號頻率，在不發(fā)生模糊的條件下，脈沖積累不但提高回波信號的信噪比，而且能降低實際輸出數(shù)據(jù)的采樣率，從而降低信號處理的速度和存儲量要求。脈沖積累電路功能為：在每個脈沖積累周期內(nèi)，對每個發(fā)射脈沖回波信號按距離波門將ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)依次進行累加，并將累加結(jié)果輸出到存儲控制電路。脈沖積累電路由數(shù)據(jù)輸入控制器、累加器、中間結(jié)果存儲器以及輸出控制器組成。其組成如圖3所示。
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??? 脈沖積累時序如圖4所示。其中T1為距離波門鎖存信號，負責(zé)按距離波門鎖存ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，讀取中間結(jié)果，并將累加結(jié)果存儲至中間結(jié)果存儲器；T2為累加起始控制信號，用于清零中間結(jié)果鎖存器，開始新的積累過程；T3為輸出控制信號，用于積累結(jié)束后將累加輸出至存儲控制器。通過調(diào)整T2和T3的位置則可獲得不同的積累次數(shù)。
2.3 存儲控制電路設(shè)計
??? 存儲控制電路負責(zé)將經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換和脈沖積累的雷達回波信號分別送入數(shù)據(jù)存儲器和FFT處理器，且能在DSP處理器的控制下將存儲器中的存儲結(jié)果輸出。存儲控制電路由用于產(chǎn)生存儲數(shù)據(jù)地址的存儲地址產(chǎn)生器和用于控制數(shù)據(jù)存儲器總線控制權(quán)的總線切換電路組成。
??? 數(shù)據(jù)存儲階段，存儲地址產(chǎn)生器控制數(shù)據(jù)存儲器的總線，將輸出進行存儲。數(shù)據(jù)輸出階段，則通過總線切換將數(shù)據(jù)存儲器的總線控制權(quán)交由DSP控制，DSP將數(shù)據(jù)讀出并通過數(shù)據(jù)輸出接口輸出。
??? 為了正確保存目標過靶前后的回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲采用循環(huán)存儲方式，即在檢測到目標前，數(shù)據(jù)在存儲器中按一定格式順序存儲，存儲到存儲器末地址后，則回到存儲器首地址繼續(xù)存儲數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到目標后，繼續(xù)存儲一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，然后結(jié)束存儲。這樣不但能存儲檢測到目標后的回波數(shù)據(jù)，而且能夠保存一定數(shù)量的檢測到目標前的回波數(shù)據(jù)，從而能夠適當(dāng)提高檢測門限，降低虛警概率，而在事后數(shù)據(jù)處理過程中，利用更復(fù)雜的檢測算法完整得到目標過靶前后的回波數(shù)據(jù)，計算脫靶量測量結(jié)果。
2.4 FFT處理器設(shè)計
??? FFT處理器用于將脈沖積累后的雷達回波數(shù)據(jù)以512點為一幀完成去直流、加窗、FFT、求模平方以及累加運算。信號處理器的存儲單元保證了整個信號處理器的流水工作方式,提高了整體處理速度。其功能框圖如圖5所示。
??? 去直流運算用于去除回波信號的直流成分，以便充分利用FFT處理器的動態(tài)范圍，減少固定雜波的影響。加窗運算則用于以降低頻譜泄漏。加窗運算器由窗函數(shù)存儲器和乘法器組成，窗函數(shù)存儲器存儲窗函數(shù)的量化值。將數(shù)據(jù)和窗函數(shù)值讀出送至乘法器的輸入端，完成乘法運算后，將結(jié)果截斷送至FFT運算器，完成加窗運算。兩個乘法器并行處理，以便同時對I、Q數(shù)據(jù)進行加窗運算。
??? FFT運算用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域以實現(xiàn)多普勒濾波器組。折中運算精度和速度，本設(shè)計FFT運算器采用逐級流水結(jié)構(gòu)的16位塊浮點結(jié)構(gòu)實現(xiàn)按時間抽取基2（DIT-2）FFT運算。塊浮點算法相對定點運算有較高的精度,相對浮點運算硬件結(jié)構(gòu)簡單,是定點和浮點運算的折衷,從而保證了信號處理機的高速和高精度要求[3]。
??? 模平方運算用于將FFT運算結(jié)果就模平方獲得雷達回波信號的功率譜以便進行目標檢測。模平方運算由乘法器和加法器組成，其工作過程為首先將FFT結(jié)果的實部和虛部分別讀入兩個乘法器的輸入端與自己相乘，然后將兩個乘法器的輸入相加即得模平方結(jié)果。
??? 累加運算用于將多路接收機的回波共功率譜按距離波門進行累加，從而減小功率譜的方差，降低恒虛警檢測的虛警概率。
??? FFT處理器在每幀時間段內(nèi)要對所有4路接收機12個距離波門的雷達回波數(shù)據(jù)進行處理，處理完畢后，F(xiàn)FT處理器自動通知DSP將結(jié)果讀出進行恒虛警檢測。
2.5 恒虛警檢測器設(shè)計
??? 恒虛警檢測器用于在回波中檢測目標，采用單元平均恒虛警檢測方案，由DSP處理器實現(xiàn)。
??? FFT處理器完成一幀處理結(jié)果后，發(fā)送中斷給DSP處理器，DSP處理器按距離波門讀取FFT處理結(jié)果，在目標可能出現(xiàn)的頻率范圍內(nèi)進行選大處理，獲得目標功率的估計值，計算功率譜的均值作為噪聲功率估計值（計算平均時剔除目標所在頻點附近幾點以及存在雜波的低頻分量），再計算兩者的比值并與給定門限進行比較。如果超過門限則認為存在目標，否則認為沒有目標。
??? 為進一步降低虛警概率，在進行恒虛警檢測時采用二元檢測方案，在連續(xù)4幀中如果有3幀檢測到目標才給出目標出現(xiàn)信號。
2.6 信號處理機的實現(xiàn)
??? 本文設(shè)計的雷達數(shù)字信號處理機為基于DSP和FPGA的單板機，根據(jù)以上設(shè)計，該信號處理機有8路ADC轉(zhuǎn)換電路、2片F(xiàn)PGA、數(shù)據(jù)存儲器、DSP處理和外圍電路以及對外接口電路組成。
??? ADC轉(zhuǎn)換器件選用TI公司的ADS2806，它為雙路ADC轉(zhuǎn)換器件，可以保證I、Q兩路信號的一致性，采樣率為36MS/s，轉(zhuǎn)換位寬為12位，滿足系統(tǒng)要求。
??? 脈沖積累和存儲控制采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)，F(xiàn)FT處理器采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)。FPGA選用了Xilinx公司的Virtex II系列FPGA實現(xiàn)。脈沖積累和存儲控制FPGA選用XC2V250-6FG456，F(xiàn)FT處理FPGA選用XC2V1000-6FG456。兩片F(xiàn)PGA均采用VHDL語言按自頂向下的方法進行設(shè)計。設(shè)計文件經(jīng)過仿真、綜合、映射、布局、布線及仿真，達到設(shè)計要求。
??? 數(shù)據(jù)存儲器采用有掉電保護功能的NOVSRAM。NOVSRAM的讀寫控制時序與普通SRAM一樣，其內(nèi)部含有鋰電池和保護電路，可以在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。
??? DSP處理器選用ADI公司32位浮點處理器ADSP21060(SHARC)。其外圍電路有FLASH存儲器，用于存儲固化程序；上電復(fù)位和看門狗電路，用于監(jiān)測程序的運行等。
??? 信號處理機對外接口有數(shù)據(jù)傳輸接口和遙控接口。數(shù)據(jù)傳輸接口用于輸出存儲器存儲的目標回波數(shù)據(jù)，采用USB2.0接口，其傳輸速度可達480Mb/s，可以滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。USB2.0接口芯片采用Philips生產(chǎn)的ISP1581實現(xiàn)。遙控接口用于接收遙控指令并返回處理機工作狀態(tài)信息，采用并行接口實現(xiàn)，由中斷信號實現(xiàn)握手。
3 恒虛警檢測算法分析
??? 恒虛警檢測算法為整個雷達信號處理機的核心算法，算法采用單元平均恒虛警及二元檢測方案，在FFT處理結(jié)果上以頻率分辨單元為基礎(chǔ)進行檢測[4]。
??? 由于雜波多普勒頻率比目標多普勒頻率低，F(xiàn)FT處理結(jié)果中雜波數(shù)據(jù)主要集中在低頻部分，需檢測的運動目標多普勒頻率范圍位于頻域無雜波區(qū)，因此在FFT處理結(jié)果中剔除存在雜波分量的低頻部分即可降低雜波對目標檢測的影響。
??? 接收機噪聲可以看作高斯白噪聲，無目標回波數(shù)據(jù)則為高斯白噪聲的采樣，假設(shè)其方差為σ2。如果數(shù)據(jù)中存在目標回波信號，回波信號幅度為A，則其信噪比為：
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??? 經(jīng)N點FFT運算后，信號分量幅度為NA，噪聲方差為Nσ2，信噪比為：
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??? 這樣利用R個頻率分辨單元以閾值T進行目標檢測的虛警概率和檢測概率分別為[4]：
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??? 本文測量雷達目標為過靶段的反艦導(dǎo)彈，其回波在連續(xù)數(shù)幀內(nèi)都應(yīng)該存在，為了進一步降低虛警概率，提高檢測概率，可以采用二元檢測方案，即在連續(xù)M幀內(nèi)如果有多于K幀檢測到目標，則判斷為目標存在。采用二元檢測方案的檢測概率和虛警概率如下[5]：
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??? 實際設(shè)計中，設(shè)定單次檢測虛警概率小于10-5，二元檢測策略為在連續(xù)4幀內(nèi)有3幀檢測到目標，F(xiàn)FT點數(shù)N為512，頻率分辨單元個數(shù)R為100。由（3）式可得檢測閾值T為0.194，由（5）式可得二元檢測的虛警概率為4×10-15，由（4）式可得目標信噪比為0dB時單次檢測的檢測概率0.96，由（6）式可得相應(yīng)的二元檢測，檢測概率為0.99。
??? 本文討論了一種脈沖多普勒雷達信號處理機的設(shè)計與實現(xiàn)，用于在雷達回波中自動檢測運動目標并錄取目標回波數(shù)據(jù)。該處理機采用“ADC+FPGA+DSP+存儲器”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，降低了電路設(shè)計的復(fù)雜度以及信號處理機的體積、重量、功耗等，有效提高了系統(tǒng)可靠性，且具有一定的靈活性和可擴展性。該信號處理機已經(jīng)在某型對海矢量脫靶量測量雷達上得到應(yīng)用，取得了很好的效果。
參考文獻
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