摘  要： 采用DSP與FPGA相結(jié)合的方案，設(shè)計了一款雷達回波信號采集卡。此設(shè)備主要用于小型VTS系統(tǒng)、中小型船舶以及航海操縱模擬器中。DSP與FPGA相結(jié)合構(gòu)成快速傳輸通道，為雷達回波采集處理提供有力保障?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）靈活性強，內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)中配置，其作為DSP的輔助芯片為AD提供時鐘，協(xié)同AD完成模擬信號的采集與傳輸，同時完成外部接口的邏輯轉(zhuǎn)換，充分發(fā)揮它的靈活性優(yōu)點。主控芯片DSP主要用于信息處理和整個硬件模塊的控制。

　　關(guān)鍵詞： FPGA；DSP；雷達回波；采集系統(tǒng)

0 引言

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種應(yīng)用非常廣泛的模擬量測量系統(tǒng)，其基本任務(wù)是將模擬信號經(jīng)采樣量化編碼后送入計算機或相應(yīng)的信號處理系統(tǒng)中，然后根據(jù)不同的需要進行相應(yīng)的計算處理。隨著科技的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋雷達、電力、空間遙測、汽車制造、軍事等行業(yè)。雷達性能的日益強大離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)處理芯片和AD采樣頻率的快速發(fā)展?，F(xiàn)在雷達探測距離涵蓋愈來愈廣泛，探測精度越來越高，使得航海安全更具保障。

　　近年來，隨著加工工藝的突破，處理器的運算速度大幅提高，同時芯片功能更加強大。模擬信號采樣芯片AD的采樣頻率已達到10 GHz。采樣頻率和數(shù)據(jù)處理芯片運算速度的提高推動著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展。因此，專用的數(shù)據(jù)采集卡日漸成熟，并大量涌現(xiàn)。雷達回波信息數(shù)據(jù)采集可以運用專用的高速數(shù)據(jù)采集卡來采集，實現(xiàn)雷達回波信息的高速實時采集[1]。解放初期我國雷達研制技術(shù)相對比較薄落，航海上雷達的研制幾乎是空白，國內(nèi)的航海雷達幾乎是靠國外進口[1]。隨著這幾年的發(fā)展，尤其改革開放以后，我國經(jīng)濟騰飛，在科技領(lǐng)域與國際先進水平的差距有了明顯的改觀。我國海岸線綿長，隨著漁業(yè)的發(fā)展壯大，船用雷達市場需求打開，雷達專用的數(shù)據(jù)采集卡的普及應(yīng)用將是未來的發(fā)展趨勢。借此本論文提出一種雷達回波信息采集卡的技術(shù)方案。

1 硬件架構(gòu)

　　1.1 硬件架構(gòu)

　　航海雷達由天線、收發(fā)機、雷達信號采集單元和顯示器四部分組成，如圖1所示。本文主要設(shè)計雷達信號采集單元，由天線和收發(fā)機產(chǎn)生的雷達信號包括視頻信號、觸發(fā)信號、方位信號和船首信號，它們不能直接被采集卡采集。為此，以上信號需要預(yù)處理之后才能被采集。信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路后接入采集卡進行采集處理。采集卡主要芯片采用DSP和FPGA芯片，并使用PCI接口的方式與PC機主板集成，以達到雷達圖像實時精確地顯示采集到的信息。

　　1.2 雷達視頻信號分析

　　本文以智森雷達RS1712作為實驗雷達，視頻信號幅度為-3.3~0 V，帶寬20 MHz。信號參數(shù)不能直接接入AD采集，需要信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換接口電路如圖2所示。航海雷達回波信息稱之為視頻信號，是由天線將接收到的高頻信號經(jīng)變頻、檢波后包絡(luò)完成的信號。雷達視頻信號屬于一維信號，回波強弱代表有無目標(biāo)障礙物。雷達回波的采集是實現(xiàn)雷達功能的重中之重，也是雷達系統(tǒng)信息處理最前端的工作部分。

　　雷達視頻信號不同于傳統(tǒng)意義上的視頻信號，它是利用微波成像原理形成的，回波信號的強弱程度決定了圖像上相對應(yīng)處灰度值的大小[2]。不同障礙物其材質(zhì)、形狀和大小的不同導(dǎo)致反射電磁波的能力不同，雷達根據(jù)障礙物反射電磁波的強弱來呈現(xiàn)出目標(biāo)。雷達視頻信號是通過掃描線刷新來局部變化的圖像。整個雷達圖像是以灰度值的大小和強弱來顯示海面上目標(biāo)物的大小和有無?；叶戎翟礁叩狞c，采集的視頻信號越強。由于視頻信號夾雜大量的雜波，在采集完成后需要以適當(dāng)?shù)拈T限值來限制雜波的影響。雷達天線每旋轉(zhuǎn)一圈形成一幅雷達圖像，圖像以極坐標(biāo)形式顯示。

　　1.3 雷達脈沖信號分析

　　（1）觸發(fā)信號：觸發(fā)信號是整個雷達信號中的重要信號之一，是雷達的總指揮，它控制發(fā)射機、接收機、顯示器同步工作。觸發(fā)信號與接收機收到的雷達視頻回波同步，由此確定一次回波的起點和顯示器上掃描線對應(yīng)的時間。本文實驗雷達觸發(fā)信號幅度約為6 V、脈沖寬度約為33.2 ms，信號參數(shù)不能直接接入采集卡，需要進行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖3。

　?。?）船首信號：天線在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)到正北或者船舶航行方向時雷達產(chǎn)生的信號。由此，該信號可以作為天線旋轉(zhuǎn)一周的標(biāo)志信號，同時可以作為視頻信號處理中分隔兩幅相鄰圖像的標(biāo)志。本實驗雷達的幅度為 +12.5 V。轉(zhuǎn)換電路如圖4。

　?。?）方位信號：方位信號是由天線產(chǎn)生，與天線旋轉(zhuǎn)同步的信號。為了電路簡單雷達在天線底部安裝碼盤，天線每旋轉(zhuǎn)一圈通過碼盤可以產(chǎn)生幾百個增量脈沖，但在顯示器顯示前，利用鎖相倍頻電路將每周的脈沖調(diào)整到4 096或者更高[3]。本實驗雷達天線旋轉(zhuǎn)一周輸出360個方位脈沖，幅度約為+12 V。轉(zhuǎn)換接口電路如圖5。

2 數(shù)據(jù)傳輸

　　2.1 AD的選擇

　　本文實驗雷達脈沖重復(fù)頻率為f=1 500 Hz，脈寬τ=0.32 ，則雷達的發(fā)射波形伸展在S=Cτ≈100 m（C為光速）的空間距離上。對于同一方位向上的兩個等同目標(biāo)，當(dāng)間隔距離S′=S/2=50 m時，它們在距離上可以被區(qū)分出來，即雷達的距離分辨率為50 m[4]。

　　在采樣中如何考慮采樣速率和采樣數(shù)據(jù)精度是一個重要的問題。當(dāng)采樣頻率為f時，可根據(jù)公式△=C/2f（C為光速）得采樣點的距離分辨率，所以為了使采樣結(jié)果能夠無失真地還原出雷達回波，需保證△大于或者等于S，即必須保證采樣速率f>=1/τ。根據(jù)RS1712雷達的性能指標(biāo)參數(shù)，雷達視頻信號的帶寬為20 MHz，因此數(shù)據(jù)采樣帶寬要求大于20 MHz，并且數(shù)字化的采樣數(shù)據(jù)精度要求不低于10位。一般要求采樣頻率20 MHz以上，數(shù)據(jù)量大要求傳輸速度與處理速度要相匹配。本文選用AD9225芯片，采集速度25 MS/s，數(shù)據(jù)精度達到12位。圖6為AD部分原理圖。

　　2.2 快速數(shù)據(jù)流的傳輸

　　此方案利用FPGA來控制AD的工作。為了提高效率，采用乒乓緩存原理。乒乓緩存結(jié)構(gòu)是在FPGA內(nèi)部開辟出兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域，將數(shù)據(jù)等時地輸入進去，區(qū)域的選擇由選擇標(biāo)志位決定。在第一個周期內(nèi)，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩存模塊1中[5]；在第二個周期內(nèi)，將輸入的數(shù)據(jù)緩存到數(shù)據(jù)緩存模塊2中。以此類推，隨著時間推移，緩存模塊由輸入選擇標(biāo)志位來控制。兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域緩解DSP處理數(shù)據(jù)的壓力，同時避免數(shù)據(jù)處理錯位。兩個數(shù)據(jù)緩存區(qū)域循環(huán)往復(fù)依次切換數(shù)據(jù)輸入輸出，可以更加有效的進行數(shù)據(jù)采集傳送。以下為FPGA中部分程序。

　　reg[8：0]data_addr；

　　always@（posedge ADCLK or posedge RST）

　　if（RST）

　　data_addr<=0；

　　else

　　data_addr<=data_addr+1；

　　reg pingpang；

　　always@（posedge ADCLK or posedge RST）

　　if（RST）

　　pingpang<=0；

　　else if（data_addr==511）

　　pingpang<=!pingpang；

　　reg[8：0]dpra；

　　wire[11：0]dpo1；

　　wire[11：0]dpo2；

　　always@（posedge ARE or posedge RST）

　　if（RST）

　　dpra<=0；

　　else if（~CE[2]&&（TEA==4′b0000））

　　dpra<=dpra+1；

3 技術(shù)方案

　　數(shù)據(jù)采集是雷達信號數(shù)字處理必不可少的前提，特別對雷達微弱信號的檢測，良好且不失真的數(shù)據(jù)采集是處理的關(guān)鍵[6]。雷達視頻信號數(shù)據(jù)量極大，實時性要求高，為此需要專門的信息采集處理板卡。DSP與FPGA結(jié)合構(gòu)成采集板卡主控芯片。DSP可勝任數(shù)據(jù)處理功能，F(xiàn)PGA能夠提供AD采集接口和數(shù)據(jù)傳輸通道。此外，利用高性能DSP芯片和PCI接口芯片，可有效提高雷達信號采集卡的通用性和擴展能力。采集卡使用德州儀器6000系列6713，這是一款浮點型芯片，運算速度可達1 350 MIPS，搭配一款賽靈思公司的FPGA型號XC2S200。

　　該板卡采用了一款高速12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9225，轉(zhuǎn)換頻率達到25 MHz，可以滿足雷達視頻采集的要求。數(shù)字信號處理模塊以DSP作為核心處理器。DSP外接PROM和SRAM，其中，EEPROM存放程序代碼用于DSP的boot loader，SRAM作為數(shù)據(jù)空間的擴展用于存儲多次回波數(shù)據(jù)。首先，雷達上單元發(fā)出的視頻信號經(jīng)過高速AD采樣后由FPGA控制寫入乒乓RAN中，DSP收到相應(yīng)中斷信號時，讀取數(shù)據(jù)進行處理，處理完成的信號寫入PROM和SRAN等待上位機的讀取。方位信號、船首信號和觸發(fā)信號經(jīng)過預(yù)處理接入FPGA中。方位信號經(jīng)過FPGA電平邏輯轉(zhuǎn)換，由倍頻電路倍頻至4 096 Hz，作為雷達信號的方位基準(zhǔn)傳輸給顯示模塊。觸發(fā)信號作為控制信號接入DSP中斷，由DSP中斷觸發(fā)對視頻信號的采集處理，以達到與上單元同步，同時區(qū)分每條掃描線的視頻信號。船首信號經(jīng)FPGA接入DSP中斷，來觸發(fā)對方位信號和觸發(fā)信號計數(shù)清零處理，同時區(qū)分一幅完整的雷達圖像。FPGA作為DSP的輔助器，協(xié)助DSP控制其外設(shè)器件。另外，為了便于調(diào)試，在板卡中增添串口模塊、JTAG模塊和USB模塊。

　　3.1 FPGA的功能實現(xiàn)

　　FPGA負責(zé)控制AD采樣、讀取采樣數(shù)據(jù)和與DSP通信的任務(wù)，以及對脈沖信號進行預(yù)處理[7]。FPGA將對AD的配置參數(shù)寫入其相應(yīng)的寄存器中。將輸入時鐘分頻，產(chǎn)生采樣時鐘提供給AD。同時，F(xiàn)PGA直接對AD下達啟動采樣開始。FPGA監(jiān)測AD的采樣完成信號，若采樣完成則通過AD并行數(shù)據(jù)接口接收一個采樣數(shù)據(jù)，送入FPGA內(nèi)部的開辟的乒乓RAN中，同時等待下一個采樣數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)FPGA內(nèi)部乒乓RAN存儲滿后溢出標(biāo)志位觸發(fā)DSP中斷，DSP開始從數(shù)據(jù)總線中讀取數(shù)據(jù)處理。

　　3.2 DSP功能

　　DSP負責(zé)數(shù)據(jù)處理和控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運作。觸發(fā)信號、方位信號、船首信號經(jīng)過FPGA時序處理接入DSP中斷，DSP通過對此信號的處理完成對雷達視頻信號的解析，例如控制上下位機協(xié)同工作、確定雷達的分辨率、分割天線掃描一周形成的一幀圖等。DSP有幾個重要的控制中斷：觸發(fā)信號中斷是AD采集開始及一條掃描線數(shù)據(jù)開始標(biāo)志中斷；船首信號中斷是觸發(fā)脈沖和方位脈沖計數(shù)清零標(biāo)志，同時也是一幅完整雷達圖像產(chǎn)生的標(biāo)志，而且由此獲得船首位置；FPGA數(shù)據(jù)溢出標(biāo)志位中斷通知DSP從數(shù)據(jù)總線中讀取采集的雷達數(shù)據(jù)。

　　3.3 PCI接口

　　PCI接口是應(yīng)用最為普遍、較為成熟的接口總線。PC機主板中常見的接口總線都能夠方便地與PC連接，并且具有獨立于CPU的結(jié)構(gòu)，兼容性好。同時，它具有傳輸速度快、存儲延誤性小、成本低、可編程等優(yōu)點。PCI接口有現(xiàn)成的模塊，故此不再贅述。

4 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的雷達信號采集卡，結(jié)合目前較為先進的硬件芯片，整合各個芯片的優(yōu)點，實現(xiàn)對雷達的回波信號的高速采集。本設(shè)計中相關(guān)FPGA的程序用Xilinx ISE軟件編寫，DSP程序使用CCS軟件完成程序設(shè)計。采用FPGA能夠有效地控制AD的采集，同時，能夠?qū)崟r、高速地把數(shù)據(jù)傳輸出去，為雷達信號的實時采集處理、雷達圖像的實時顯示提供了保障。DSP是傳統(tǒng)的信號處理芯片，運算速度快，能夠在高速數(shù)據(jù)流中發(fā)揮它的優(yōu)勢。

參考文獻

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