相控阵雷达信号处理器的FPGA设计与实现

相控阵雷达信号处理器的FPGA设计与实现

路标

贵州航天电子科技有限公司

摘要：雷达系统作为军事侦察、目标跟踪及导弹制导等领域的核心技术，其性能的提升显得尤为重要。相控阵雷达是一种先进的雷达体制，以其波束指向灵活、多目标跟踪能力强等特点，在现代雷达技术中占有举足轻重的地位。而信号处理器作为相控阵雷达系统中的“大脑”，对雷达性能起着决定性作用，其中现场可编程门阵列（FPGA）技术的引入，为相控阵雷达信号处理器的设计带来了新的可能。

关键词：相控阵雷达；信号处理器；FPGA设计

传统的雷达信号处理器采用专用集成电路（ASIC）或微处理器进行设计，但在灵活性、处理速度和功耗等方面存在一定的局限性。相比之下，FPGA作为一种可编程逻辑器件，具有高度的灵活性和可重构性，能够根据实际需求进行硬件逻辑的定制和优化，在相控阵雷达信号处理器的设计中，FPGA不仅可以实现高速数字信号处理，还能够支持复杂的算法实现和实时数据处理，使得FPGA成为相控阵雷达信号处理器设计的理想选择。

一、相控阵雷达信号处理器的FPGA设计

（一）硬件平台设计

本设计方案中的硬件平台主要由FPGA芯片、外围接口电路、存储模块、电源模块和时钟模块等组成，其中FPGA芯片作为整个平台的核心，负责实现信号处理算法、控制逻辑以及与其他模块的通信接口。考虑到相控阵雷达信号处理器对性能和资源的需求，选择Virtex-7系列高端FPGA芯片，芯片具有丰富的逻辑资源、高速的DSP处理单元和大量的I/O引脚，能够满足复杂的信号处理和控制需求；为了与外部设备进行通信，硬件平台配备了多种接口电路，包括高速串行接口（如PCIe、Ethernet等）、并行接口（如LVDS、GPIO等）以及模拟接口（如ADC/DAC等），接口电路能够实现与上位机、其他雷达子系统以及传感器等设备的连接和数据交换；为了满足大量数据的存储需求，硬件平台配备了高速DDR4 SDRAM和Flash存储器，DDR4 SDRAM用于存储实时处理的数据，而Flash存储器则用于保存配置参数、程序代码等非易失性数据。电源模块为整个硬件平台提供稳定、可靠的电源供应，采用多路输出开关电源，能够根据各个模块的需求提供不同的电压和电流，且电源模块还具有过流、过压和过热保护功能，确保系统的安全运行[1]。

（二）软件平台设计

算法处理层是信号处理算法的核心实现部分，包括数字波束形成（DBF）、脉冲压缩、目标检测与跟踪等关键算法，算法通过优化和并行化处理，以适应FPGA的并行计算能力，实现高效的数据处理；驱动层为算法处理层提供底层硬件驱动支持，包括FPGA内部存储器的读写、外设接口的驱动以及时钟和复位管理；应用层是软件平台的最上层，提供了用户友好的操作界面和配置接口，用户可以通过应用层对雷达信号处理器进行参数配置、状态监控以及数据处理结果的展示，应用层还具备错误检测和恢复机制，以确保系统的稳定运行。针对相控阵雷达信号处理器的核心算法，如数字波束形成和脉冲压缩等，采用模块化设计思想，每个算法模块都具有清晰的输入/输出接口和参数配置选项，便于在不同场景下灵活调用和调整，并利用FPGA的并行处理优势，对算法进行并行化优化，以提高处理速度；为了确保数据在FPGA内部以及FPGA与外部系统之间的准确传输，设计了专门的数据传输与同步模块，该模块采用PCIe高速串行接口进行数据传输，并通过精确的时间戳和同步协议确保数据的时序正确性。

（三）控制时序设计

触发信号是控制时序中的关键要素，用于启动或停止各个模块的操作，本设计方案中，触发信号由主控模块生成，并通过专门的触发信号线路传输到各个子模块，触发信号的生成和传输都需要精确的时序控制，以确保各个模块在正确的时间点进行响应。数据处理模块在接收到数据后，需要进行一系列复杂的信号处理算法运算，时序设计需要确保处理模块在接收到完整数据后开始工作，并在处理完成后及时输出处理结果，本设计方案中处理模块内部采用流水线结构，将数据分为多个阶段进行处理，以提高处理效率，且时序控制确保处理结果的及时输出，以供后续模块使用。为了提高系统的可靠性，本设计方案中还包含故障检测与恢复机制，当发生故障时，故障检测模块会生成故障信号，并触发恢复机制。恢复机制包括重启相关模块、重新初始化参数等操作，以确保系统能够快速恢复到正常工作状态[2]。

（四）虚位技术的应用设计

虚位技术是一种在数字信号处理中常用的优化技术，其基本思想是在数据表示中增加额外的位数，即虚位，以提高数据处理的动态范围和精度。虚位通常不参与实际的运算，但在数据表示和运算过程中起到了关键作用。在FPGA中，设计了一种数据格式，其中包含了实际的数据位和额外的虚位。虚位的数量和位置根据具体的信号处理需求来确定，为了确保数据的正确性和完整性，采用了校验码等技术来检测数据在存储和传输过程中是否发生错误。响，对于加法、减法、乘法等基本运算，设计了专门的硬件电路来处理虚位，电路能够正确地处理虚位，并确保运算结果的精度和动态范围满足要求，还针对特定的信号处理算法，如数字波束形成（DBF）和脉冲压缩等，设计了专用的运算单元，单元能够高效地处理带有虚位的数据，提高信号处理的性能和精度。在数据通路的设计中，需要确保数据在传输过程中保持完整的虚位信息，设计了灵活的控制逻辑来管理虚位的引入和移除，以适应不同的信号处理场景；控制逻辑还负责监控数据通路的状态，确保数据在传输和处理过程中不发生溢出或截断等错误，当检测到潜在的问题时，控制逻辑会采取相应的措施，如调整虚位的位置或数量，以保证信号处理的准确性和稳定性。

二、相控阵雷达信号处理器FPGA设计方案的实现

首先需要对系统进行初始化和配置，加载FPGA的配置文件，设置工作频率、数据宽度等参数，以及初始化内部寄存器和存储器，并与外部接口的连接进行测试和验证，确保数据传输的正确性。相控阵雷达信号处理器需要从雷达接收机中采集回波信号，通过FPGA的ADC）接口，实时地将模拟信号转换为数字信号，在数据采集过程中FPGA对信号进行预处理，包括滤波、降噪、增益控制等操作，以提高信号的质量和可用性。处理后的数据需要通过FPGA与其他系统组件进行交互，FPGA通过高速数据总线将数据传输到上位机或其他处理单元，同时接收来自上位机的控制指令和参数设置。

结合应用效果来看，采用FPGA作为相控阵雷达信号处理器的核心器件，可以充分利用其并行处理能力，实现高速、实时的信号处理，与传统的处理器相比，FPGA设计方案可以显著提高处理速度和效率，满足雷达系统对实时性的严苛要求。

结束语

综上所述，通过具体阐述相控阵雷达信号处理器FPGA设计方案的应用流程与效果，可以看出FPGA在雷达信号处理领域具有显著的优势和潜力，将在未来相控阵雷达系统中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1]潘少飞. 圆柱形相控阵雷达空域信号处理系统的设计与FPGA实现[D]. 陕西:西安电子科技大学,2022.

[2]王佳鑫. 基于CORDIC算法的相控阵雷达波控系统设计实现[J]. 长江信息通信,2022,35(8):39-41.