一种基于fpga的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统的制作方法
【专利说明】—种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及雷达工程领域，特别涉及到中频相参的雷达体制，具体来说是一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统。
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【背景技术】
[0004]船舶雷达是一种传统的无线电导航设备，在船舶近海定位、引导船舶进、出港，窄航道航行以及在避碰中发挥作用。现如今船舶雷达不仅可以用于船舶导航，还可以用于港口管理和海洋遥感等。目前，国内外船舶雷达大都采用非相参脉冲体制，由于采用磁控管振荡器产生射频脉冲频率不够稳定，脉冲间的相位随机变化，因此主流的模拟接收方法无法利用回波中的频率信息和相位信息，只是在基带上对回波包络检波后利用回波的幅值进行目标检测，大大制约了对目标的检测能力和跟踪性能的进一步提高。相参雷达的应用可以很好地解决这类问题，其与非相参雷达的最主要区别就在于相参雷达可进行多普勒信息的提取。相参体制分为全相参体制和中频相参体制，中频相参雷达比全相参雷达具有更尚和更合理的性能价格比。并且，现如今船舶雷达的海洋遥感用途越来越重要，用于海洋遥感时天线转速要求较高，而模拟的接收系统灵活性低，处理速度达不到要求，数字化中频相参接收处理系统成为必然趋势。
[0005]随着数字信号处理芯片技术飞速发展，算法虽然可以通用，但其稳定性和速度还达不到工业化要求。在当今高速A/D转换电路的转换速率越来越高的背景下，雷达数字化接收机对数字信号处理器的处理速率提出了更高的要求。传统通用DSP由于其处理速率有限，往往无法直接处理A/D芯片对中频信号采样产生的高速数据流，而FPGA的发展为中频相参接收系统提供了技术铺垫，FPGA可配置、可编程，可以方便地实现数控振荡器、低通滤波器等功能，能够更好地提高系统的灵活性。基于FPGA设计的数字化中频接收系统还符合软件无线电的基本思想，大大提高了后面雷达信号处理部分的可靠性。
[0006]在雷达中频接收系统中，已经检索到相关的专利有:发明专利[I]( 一种通用型数字中频接收机，申请号:201210507125.4，发明人:高攀峰)，描述了一种具有多通道灵活组合和并行处理结构的数字中频接收机，充分利用ASIC、DSP和FPGA协同处理和多通道并行处理的优势，既可以用做灵活的通道接收，又可以用做全概率接收，通用性好，适用范围宽，可应用在雷达、通信、测控等多个领域。但是处理模块芯片较多，结构较为复杂，使得与整个雷达的系统设计不够紧凑；实用新型专利[2](船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块，申请号:201320044573.5，发明人:葛俊祥、潘安、鲁建彬等)，描述了一种船舶导航雷达大动态范围中频数字化模块，用集成电路的方式将中频放大、数字采样等部分集成于同一模块，系统更加简洁。但是采集接收信号后通过接口直接输给FPGA用于信号处理，只能提取信号的幅度信息而无法提取到相位信息，决定了该雷达无法充分利用回波信号的多普勒信息；发明专利[3]( 一种雷达接收数字相干处理系统，申请号:201310024773.9，发明人:徐洪春、王递进)，描述了一种雷达接收数字相干处理系统，采取中频直接数字化，通过发射主波样本信号与中频回波数字信号进行卷积运算，消除发射信号初相、频率不稳、幅度不稳的影响，实现数字稳频稳相、自适应频率补偿、接收相干处理。但是双通道的模式要保证时钟同步、I/Q信号幅度相位一致相对比较复杂。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的技术目的在于克服上述问题，提供一种简单可行的基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统。与非相参雷达的最主要区别就在于相参雷达可进行多普勒信息的提取，另外可以使该船舶雷达用于海洋遥感。主要的解调工作都是在数字芯片中实现的，结构简单，实现起来方便可行，且系统的灵活性高，与模拟变换方法分别得到I/Q基带信号相比，提高了 I/Q信号的镜频抑制比，具有低漂移、低失真等一系列优点，并且能够最大限度地提取回波信号中的有用信息于后期的雷达信号处理操作。并且整个系统开发简单有效，易于实现。
[0009]为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为:一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，包括与射频接收前端的输出端连接的中频放大模块，其特征在于，还包括A/D采样芯片、数字下变频模块，所述的数字下变频模块包括依序设置的基于FPGA的数控振荡器、低通滤波器和数字抽取滤波器；射频接收前端输出的中频功率信号经过中频放大模块转变为-1.7V-+1.7V的电压信号，再输送至A/D采样芯片，A/D采样芯片按照基于FPGA的时序控制器输出的采样控制信号采集电压信号后输送给数字下变频模块。
[0010]前述的一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，所述的中频放大模块包括依序设置的对数放大器和电平调整电路。
[0011]前述的一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，所述的数控振荡器基于FPGA应用硬件描述语言verilog来设计，采用查找表法，包括频率控制字寄存器、32位相位累加器、相位控制字寄存器、16位地址产生器、波形发生器ROM五个部分；在输入时钟的触发下，以所述的频率控制字为步长值，与相位控制字寄存器用来存放代表频率的32位相位值一并送入累加器中采用Altera的加法器进行相位累加，用该累加值作为存储表的地址；波形发生器ROM是只读正余弦查找表，读出对应地址的正余弦赋值进行输出，而输出频率是通过频率控制字的输入来控制的。
[0012]前述的一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，所述的数字抽取滤波器为基于FPGA应用硬件描述语言verilog设计的级联滤波器，级联滤波器的第一级采用5倍抽取的CIC滤波器，而CIC滤波器会带来通带内衰减，因此使用补偿滤波器使CIC滤波器通频带平坦化，即在CIC滤波器之后加上FIR滤波器进行通带补偿，改善数字滤波器的整体性能，因此在CIC滤波器降低信号采样频率后，第二级采用4倍抽取的FIR滤波器，第三级采用2倍抽取的FIR滤波器来进行滤波处理，提高资源利用率。
[0013]前述的一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，FPGA的PLL核内部进行时钟分频处理并产生80MHz输出时钟提供给A/D采样芯片作为采样频率。
[0014]前述的一种基于FPGA的船舶雷达数字化中频相参接收处理系统，所述的A/D采样芯片对电压信号进行16位的A/D采样。
[0015]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
1.系统中中频放大部分将中放板和ADC芯片分开，PCB上只有模拟地而没有数字地，可减少噪声干扰。
[0016]2.在现有船舶导航雷达的基础上进行数字接收的改进，与模拟接收相比处理速度快、精度高，使该船舶雷达也可适应海洋遥感的中频处理要求。
[0017]3.模数转换模块利用FPGA控制ADC芯片输出采样信号并用FPGA内部PLL核产生采样频率，这种方法简单有效，易于实现。
[0018]4.用FPGA代替传统的DSP来实现中频相参接收处理系统，可避免传统通用DSP其处理速率有限、无法直接处