目前基于FPGA和DSP結(jié)構(gòu)的軟件無線電技術(shù)被廣泛應(yīng)用在數(shù)字接收機設(shè)計中，雷達接收機領(lǐng)域的數(shù)字化技術(shù)也在日趨發(fā)展，如何借助數(shù)字化的軟硬件優(yōu)勢設(shè)計出易實現(xiàn)、靈活，并滿足不同性能指標(biāo)和目的的數(shù)字接收機成為工程設(shè)計的焦點。本文結(jié)合某連續(xù)波測速雷達數(shù)字接收機的設(shè)計實現(xiàn)，給出了一種基于模塊化的FPGA設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上重點討論了信號處理模塊的設(shè)計。
1 雷達接收機概述
雷達接收機的任務(wù)是通過適當(dāng)?shù)臑V波將天線上接收到的微弱高頻信號從伴隨的噪聲和干擾中選擇出來，并經(jīng)過放大和檢波后，送至顯示器、信號處理器或由計算機控制的雷達終端設(shè)備。雷達接收機可以按應(yīng)用、設(shè)計、功能和結(jié)構(gòu)等多種方式來分類。但是，一般來說可以將雷達接收機分為超外差式、超再生式、晶體視放式和調(diào)諧高頻式等4種類型，其中超外差式雷達接收機具有靈敏度高、增益高、選擇性好和適用性廣等優(yōu)點，實際中在很多的雷達系統(tǒng)中都獲得應(yīng)用。超外差式雷達接收機的簡化方框圖如圖1所示。
2 數(shù)字中頻接收機原理
由于受器件水平的制約，數(shù)字接收技術(shù)目前還難以在射頻頻段直接實現(xiàn)，一般在中頻進行數(shù)字化。目前所說的數(shù)字測速即是利用中頻數(shù)字鎖相環(huán)來完成多普勒頻率的提取及測量。數(shù)字中頻接收機主要由數(shù)字化正交處理單元、數(shù)字載波鎖相環(huán)和自動增益控制(AGC)環(huán)組成。
中頻經(jīng)A／D采樣后的數(shù)字信號與數(shù)控振蕩器(NC0)產(chǎn)生的數(shù)字正交信號分別進行數(shù)字混頻，各經(jīng)過FIR數(shù)字低通濾波器，得到I、Q兩路數(shù)字窄帶信號。I、Q兩路信號分別作為數(shù)字信號的實部和虛部，做FFT分析，估算出多普勒信息，輸出頻率控制碼控制NCO輸出，實現(xiàn)快速載波頻率引導(dǎo)。I路信號再經(jīng)過低通濾波器(LF1)完成數(shù)字濾波，控制NCO的輸出頻率，從而構(gòu)成數(shù)字鎖相環(huán)，在頻率引導(dǎo)成功后實現(xiàn)對載波信號的快速捕獲與跟蹤。環(huán)路鎖定后從環(huán)路濾波器輸出可以提取出多普勒信息。Q路信號經(jīng)過一個低通濾波器(LF2)，通過I、Q提取輸入信號的幅度信息，實現(xiàn)信號的AGC控制。
3 模塊化設(shè)計在FPGA的具體應(yīng)用
本接收機主要功能是完成連續(xù)波雷達的測速和測角任務(wù)，設(shè)計時在保證指標(biāo)的前提下，貫徹簡潔至上的原則；并且盡量采用先進、成熟的數(shù)字處理技術(shù)和軟件無線電技術(shù)，貫徹模塊化、通用化、系列化、組合化設(shè)計原則，確保系統(tǒng)先進、穩(wěn)定、可靠。中頻數(shù)字接收機是整個接收機部分的核心，設(shè)計時遵循簡潔、靈活的特點，盡量減少硬件電路的功能，使其結(jié)構(gòu)簡潔，降低設(shè)計和實現(xiàn)的難度，而把復(fù)雜的處理交由軟件完成。
3．1 FPGA模塊組成
FPGA是整個數(shù)字中頻接收機的通信樞紐，同時還參與部分信號處理工作，F(xiàn)PGA由時鐘產(chǎn)生模塊、時間解碼模塊、信號處理模塊和通信控制模塊四部分組成，分別完成四大基本功能，如3．2節(jié)所述。
3．2 FPGA各個模塊的基本功能
3．2．1 時鐘產(chǎn)生模塊
時鐘產(chǎn)生模塊利用系統(tǒng)基準(zhǔn)信號為整個系統(tǒng)提供時鐘信號，保證系統(tǒng)的同步運行，具體如下：為ADC提供采樣信號；為DSP提供時鐘信號；為信號處理模塊提供時鐘信號；為時間解碼模塊提供時鐘信號；為通信控制模塊提供時鐘信號。其中，后3類時鐘信號為FPGA內(nèi)部信號，無需輸出。
3．2．2 時間解碼模塊
時間解碼模塊利用時間碼信號和時鐘產(chǎn)生模塊送來的時鐘信號為整個系統(tǒng)提供時間信息和時基信號，保證系統(tǒng)在時間上的同步運行，具體如下：接收時間碼信號，解碼得到時間信息；產(chǎn)生與時間碼信號對準(zhǔn)的時基信號。
3．2．3 信號處理模塊
信號處理模塊接收ADC數(shù)據(jù)，完成信號處理，包括以下內(nèi)容：信號的下變頻處理；信號的濾波抽取處理。
3．2．4 通信控制模塊
通信控制模塊其外部完成與DSP單元、外部設(shè)備的通信；其內(nèi)部完成與時鐘產(chǎn)生模塊、時間解碼模塊、信號處理模塊的通信。
3．3 FP6A各個模塊設(shè)計原理及解決方法
3．3．1 各模塊組成
(1)時鐘產(chǎn)生模塊。時鐘信號的產(chǎn)生利用PLL和分頻器，對基準(zhǔn)信號進行處理得到，設(shè)計時應(yīng)注意ADC采樣信號同相，同時保證信號處理模塊時鐘信號和FPGA接收的ADC數(shù)據(jù)相差要求的固定值。
(2)時間解碼模塊。時間解碼模塊由編碼器、解碼器和分頻鏈組成，時間碼解碼器的主要作用是譯碼得到秒信號和時間信息，分頻鏈路的主要作用是產(chǎn)生與譯碼秒同步的分頻信號。
(3)信號處理模塊。信號處理模塊由A、B兩個通道組成，兩個通道結(jié)構(gòu)相同，分別處理兩個點頻的中頻信號；每個通道又由和信號和差信號兩個子通道組成，兩個子通道都是數(shù)字下變頻器(DDC)，其結(jié)構(gòu)相同，分別處理和／差兩路信號。原理框圖如圖4所示。
對于每個通道而言，和信號的處理結(jié)果分為一次抽取結(jié)果和二次抽取結(jié)果(每個結(jié)果又包含同相和正交兩路)，分別用于信號頻譜識別和環(huán)路跟蹤；差信號的處理結(jié)果為二次抽取結(jié)果，同相和正交兩路信號分別對應(yīng)于方位和俯仰角誤差信號。