基于FPGA的雷達信號處理方法探究

【摘要】近年來，雷達在軍用和民用領域都獲得了巨大的發展。雷達信號處理系統是雷達的關鍵模塊，對雷達定位精度起著決定性作用。FPGA以其眾多的優點，在雷達信號處理系統中被廣泛使用。本文探究FPGA在雷達信號采集方面的應用。

【關鍵詞】FPGADSP雷達信號處理雷達

在現今高速A/D轉換電路的轉換速率愈來愈高的條件下，雷達系統對數字信號處理器的處理速率提出了更高的要求。傳統通用的DSP由于其運行速率的限制，有時無法直接處理采樣產生的超高速數據流，而FPGA在雷達系統中的應用給上述問題帶來了經濟、有效的解決方案[1]。

一、雷達信號處理的主要技術及FPGA的特點

雷達信號處理系統進行信號處理的主要步驟有：雷達信號模式轉換和存儲→目標檢測和信號處理→與上位機的數據傳輸→上位機目標顯示與控制，這其中所涉及的主要技術有數據重采樣、自適應濾波、脈沖壓縮、參數估計、恒虛警處理、自適應波束形成等，這些步驟需要完成具有高度重復性的FFT、FIR等運算，并且實時性要求極高。FPGA即現場可編程門陣列包含了查找表、多路復用器、寄存器和存儲器，還擁有專用電路，如乘法器、快速加法器和輸入-輸出處理單元。現在FPGA的數據處理能力已經遠遠超過了CPU和DSP，已經逐漸成為了數字通信、視頻和圖像編解碼等大數據量處理領域，以及高性能數字信號處理系統的關鍵模塊[2]。綜上所述，FPGA適合應用于雷達數字信號處理系統。

二、雷達信號的采集分析

在雷達系統信號采集的過程中，需要完成的任務是對雷達回波模擬信號進行數字化采集，怎樣達到數字化的采集，這就包括了采樣頻率如何設定、采樣是否準確、能否保留所有信息還原原始信號以及多大的同步誤差等等信號處理問題[3]。由于雷達視頻信號是模擬視頻信號，因此需對雷達視頻信號采取數字化采集，首先就是利用FPGA構成的時序數字邏輯電路來進行采樣，將原始雷達模擬信號轉變為系統能夠處理的數字信號[4]，然后將采樣后得到的數字信號傳輸到后面的模塊進行進一步處理。雷達信號的采樣通常有兩種，即奈奎斯特采樣和過采樣。

奈奎斯特采樣：當采樣頻率大于或等于被采樣模擬信號最大頻率的兩倍時，則該模擬信號經過采樣后獲得的采樣信號能夠保留所有信息，從而還原得到最初的模擬信號。從奈奎斯特采樣能夠看出存在一個最小的為原始模擬信號最大頻率兩倍的不失真采樣頻率fs，稱為奈奎斯特采樣頻率。一般的模擬信號不會是理想中的限帶信號，因此常出現頻譜的混疊現象，為此在實際中一個有效的方法是采樣前先將模擬信號通過低通濾波進行濾波。

三、基于FPGA的雷達信號采集系統設計

雷達系統信號采集模塊先將模擬信號經過A/D變換后得到的數字信號與時序觸發脈沖共同傳送給FPGA，由FPGA利用其可編程邏輯門電路實現對數字信號的采集，并且產生控制信號與地址信號，然后把得到的數字信號存儲到FPGA的先入先出隊列中去，通過通信接口和數字信號處理器（DSP）相互進行通信，便于完成接下來的信號處理和信息顯示，其信號采集模塊如圖1所示：

在設計的雷達系統信號采集模塊中，FPGA完成的主要任務是完成模擬信號的數字化采集，FPGA擔任的工作有如下兩點：（1）控制數模轉換芯片，確保采集到的雷達回波信號的質量。（2）將采集的數字數據合并，并傳輸給數字信號處理器（DSP），為接下來的信號處理和信息顯示做準備。

四、總結

雷達信號數字化采集是雷達信號處理系統中的一項極其重要的技術，隨著數字技術的發展，現代雷達信號數字化采集主要依靠數字技術來完成。本文基于FPGA探討雷達信號處理的方法，在分析得出了FPGA運算能力快的基礎上充分利用其優點，用他來完成信號的數字化采集。

參考文獻

[1]閆大偉，吳軍，向建軍.基于FPGA+DSP的雷達信號處理模塊的設計[J] .電子技術應用，2010，（09）：61-63+67

[2]王蓮榮，馬妍，王萍，張繼紅.基于FPGA的雷達信號模擬[J].海軍航空工程學院學報，2012，（03）：284-288

[3]霍志，謝啟友，郭靖，刁節濤.一種基于FPGA的雷達數字信號處理機設計與實現[J].現代電子技術，2012，（01）：13-16

[4]張國兵，趙嚴冰.基于FPGA的雷達回波信號設計與實現[J].雷達科學與技術，2010，（01）：87-90+94