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题名:

 基于FPGA的多通道雷达信号处理机设计与实现    

作者:

 王建沣    

学号:

 20021211141    

保密级别:

 公开    

语种:

 chi    

学科代码:

 085400    

学科:

 电子信息    

学生类型:

 硕士    

学位:

 工程硕士    

学校:

 西安电子科技大学    

院系:

 电子工程学院    

专业:

 电子与通信工程    

研究方向:

 雷达信号处理    

导师姓名:

 王虹现    导师信息

导师单位:

  西安电子科技大学    

第二导师姓名:

 苏军海    

完成日期:

 2023-05-20    

答辩日期:

 2023-05-29    

外文题名:

 Design and Implementation of Multichannel Radar Signal Processing Based on FPGA    

关键词:

 雷达 ; 现场可编辑逻辑门阵列 ; ADC 芯片 ; SRIO    

外文关键词:

 Radar ; FPGA ; ADC ChipSingle ; Digital Signal Processing ; SRIO    

摘要:

随着现代国际局势愈发复杂,国防力量的提升刻不容缓。弹载雷达是目前各国研
究的重点对象,雷达导引头相当于给导弹加装“眼睛”,能够更精准打击目标。使用
数字波束形成技术处理相控阵雷达天线发射和接收的信号,可以提高雷达监测性能,
与传统雷达导引头相比优势更加明显,是未来精确制导武器的研究热点。基于以上背
景,为了研发对多波束信号实时采集处理系统,本文设计基于 FPGA 多通道雷达信号
处理机。
本文所设计的弹载雷达信号处理机,具有性能高、功耗低、且体积小的特点,包
含了信号产生和采集、数据传输、实时处理和数据存储等功能模块。在本设计中,接
口板主要负责通过不同的接口实现对各个分机进行控制和数据传输,该板卡选择
ZYNQ7000 系列的芯片作为主控芯片,其 FPGA 中内嵌 ARM 结构,方便逻辑代码设
计。两块采集板负责数据产生和采集,并对采集信号进行信号预处理,每块板卡包括
2 块 ADC 芯片,每块芯片两个通道,可以实现八通道实时采样处理。
本论文首先根据信号处理系统的设计要求,对雷达信号处理机系统中所用到的信
号采集模块 ADC 芯片和数据传输链路 JESD204B、串行 RapidIO、信号预处理算法相
关理论进行说明,根据设计指标进行系统方案设计。然后按照设计方案的内容,开始
进行硬件电路的设计。系统按照功能被划分为信号采集、信号产生、时钟、电源模块
等主要模块,本文对各模块所需要的器件参数进行分析,结合设计需求进行器件的选
型,然后进行模块原理图的设计,对电源模块进行功耗估计,根据 PCB 的相关技术,
对 PCB 板层进行规划设计,对板卡的布局进行合理的设计,之后进行布线,完成 PCB
的设计和制板焊接,并对最终板卡进行电路的测试。逻辑代码设计主要包括时钟芯片
寄存器参数配置、AD/DA 高速数据接口设计、串行 RapidIO 接口设计、主控系统设
计、信号预处理算法设计等,并对各个模块进行功能验证。然后根据系统设计方案,
首先,全面地测试雷达处理机系统的功能和性能,对测试结果进行分析,然后,对整
个雷达系统进行测试,验证雷达功能。分析测试结果证明本系统能够完成多通道雷达
信号处理的任务。在本论文的最后,对雷达处理机系统进行总结,对后续系统的维护
和升级提供思路。

外摘要要:

As the modern international situation becomes more and more complex, the upgrading of 
national defense forces is a matter of urgency. The radar guidance head is equivalent to 
adding "eyes" to the missile, which can strike the target more accurately. The use of digital 
beamforming technology to process the transmit and receive signals of phased-array radar 
antennas can improve radar monitoring performance, and has more obvious advantages than 
traditional radar guidance heads, which is a hot spot for future research on precision-guided 
weapons. Based on the above background, in order to develop a real-time acquisition and 
processing system for multi-beam signals, this paper designs FPGA-based multi-channel 
radar signal processor.
The bullet radar signal processor designed in this paper is characterized by high performance, 
low power consumption and small size, and contains functional modules such as signal 
generation and acquisition, data transmission, real-time processing and data storage. In this 
design, the interface board is mainly responsible for the control and data transmission of 
each extension through different interfaces. The board chooses ZYNQ7000 series chip as 
the main control chip with embedded ARM structure in its FPGA, which is convenient for 
logic code design. The two acquisition boards are responsible for data generation and 
acquisition, and signal pre-processing of the acquired signals. Each board includes two ADC 
chips, each with two channels, which can realize eight channels of real-time sampling 
processing.
This paper first explains the relevant theories of the signal acquisition module ADC chip, 
data transmission link JESD204B, serial RapidIO, and signal preprocessing algorithm used 
in the radar signal processing system based on the design requirements of the signal 
processing system. The system scheme is designed according to the design indicators. Then, 
according to the design plan, start designing the hardware circuit. The system is divided into 
main modules according to its functions, such as signal acquisition, signal generation, clock, 
power supply module, etc. This article analyzes the device parameters required for each 
module, selects the device based on design requirements, designs the module schematic, 
estimates the power consumption of the power module, and plans and designs the PCB board 
layer based on relevant PCB technology. The layout of the board is designed reasonably, and 西安电子科技大学硕士学位论文
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then wiring is carried out, Complete PCB design and board soldering, and conduct circuit 
testing on the final board. The logic code design mainly includes the clock chip register 
parameter configuration, AD/DA high-speed data interface design, serial RapidIO interface 
design, master control system design, signal preprocessing algorithm design, and Functional 
verification of each module. Then, based on the system design plan, first, comprehensively 
test the functionality and performance of the radar processor system, analyze the test results, 
and then test the entire radar system to verify its functionality. The analysis and testing results 
prove that this system can complete the task of multi-channel radar signal processing. At the 
end of this paper, a summary of the radar processor system is provided to provide ideas for 
subsequent system maintenance and upgrades.

参考文献:
[1] 李玉平.电磁波理论的提出到实验验证[J].农村.农业.农民(B 版),2007(12):42-43.
[2] 包丽萍. 永磁直线同步电机的 PI 控制及动态特性研究[D].昆明理工大学,2018.
[3] 丁鹭飞, 耿富录, 陈建春. 雷达原理[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014: 1.
[4] 吴曼青.数字阵列雷达及其进展[J].中国电子科学研究院学报,2006(01):11-16.
[5] 邵春生.相控阵雷达研究现状与发展趋势[J].现代雷达,2016,38(06):1-4+12.
[6] 刘波. MIMO 雷达正交波形设计及信号处理研究[D].电子科技大学,2008.
[7] 余晖冬,龚昊龑,王书磊.基于 FPGA+DSP 架构的 RapidIO 接口硬件技术与实现[J].船电技术,2022,42(01):49-53.
[8] 吴大正. 信号与线性系统分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.
[9] 岑楠. 2x2 MIMO-OFDM 实时平台设计与开发[D].山东大学,2011.
[10] 威利斯顿. 数字信号处理权威指南[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012.
[11] 史林, 赵树杰. 数字信号处理[M]. 北京: 科学出版社, 2007.
[12] 杜龙先.瓦特森-瓦特测向系统原理[J].中国无线电,2009(08):67-69. 5.
[13] 蔡萍,赵辉,施亮. 现代检测技术与系统[M]. 北京: 高等教育出版社, 2005.
[14] 朱润铭. 基于光延迟光模数转换技术研究[D].电子科技大学,2016.
[15] 庞文彬. 高分辨成像雷达模拟器设计与实现[D].西安电子科技大学,2020.
[16] 程成. 一种 16 位 Sigma-Delta ADC 中抽取滤波器的研究与设计[D].北京交通大学,2014.
[17] 宋寿鹏,邵勇华,堵莹.采样方法研究综述[J].数据采集与处理,2016,31(03):452-463.
[18] 李素芬 ,李刚 ,孙景发.模数转换技术及其发展[J].电子技术应用,2002(04):72-75.
[19] 马海潮.超高速数据采集技术发展现状[J].测试技术学报,2003(04):287-292.
[20] Analog Devices, Inc. “14-Bit, 2.0 GSPS/2.6 GSPS, JESD204B, Dual Analog-to-Digital Converter” AD9689 Datasheet. October 2017.
[21] 杨丹. 雷达成像处理机的仿真平台设计[D]. 西安电子科技大学, 2018.
[22] Walt Kester. Analog-Digital Conversion[J]. Analog Devices, ISBN-0-916550-27-3, 2004.
[23] 马昶. 基于多核 DSP 的 5G 基带处理平台的设计与实现[D].重庆邮电大学,2019.
[24] 姚文琦. 基于 FPGA 的多用途中频信号预处理机的研究与设计[D].江苏科技大学,2018.
[25] 何蕾,陈伯孝,刘茂仓.正交相干检波的 Bessel 内插法及其 CPLD 实现[J].现代雷
达,2003(09):48-50.
[26] 张睿,李维英,李建东.带通采样技术在软件接收机中的应用[J].西安电子科技大学学报,2000(03):326-329+367.
[27] 胡体玲,李兴国.单脉冲探测技术的发展综述[J].现代雷达,2006(12):24-29.西安电子科技大学硕士学位论文98
[28] Xilinx,Inc. ZYNQ-7000 All Programmable SoC Family Product Tables and Product Selection Guide. June 2019.
[29] Xilinx,Inc. ZYNQ-7000 SoC Data Sheet: Overview. July 2018.
[30] Xilinx,Inc. UltraScale Architecture GTH Transceivers. August 2018.
[31] Teaxs Instruments,Inc.“CDCM6208 2:8 Clock Generator,Jitter Cleaner With Fractional Dividers”datasheet.March 2013.
[32] Analog Devices, Inc. “Dual,16-Bit,12.6GSPS,RD DAC with Channelizers ”AD9173 Datasheet.August 2019.
[33] Xilinx,Inc. JESD204 v6.1 LogicCORE IP Product Guide. April 2015.
[34] Xilinx,Inc. JESD204 PHY v2.0 LogicCORE IP Product Guide. April 2015.
[35] ISO/IEC 18372: 2004. Information technology – RapidIO™ interconnect specification[EB/OL]. 2004.
[36] Xilinx, Inc Serial RapidIO Gen2 Endpoint v4.1 LogiCORE IP Product Guide. June 2017.
[37] ARM,Inc. AMBA AXI and ACE Protocol Specification. February 2013.
[38] 赵旭辉. 雷达信号处理机的高速数据交换设计[D].西安电子科技大学,2021.
[39] 史克延. 气象雷达信号处理系统的集成化设计[D]. 西安电子科技大学, 2021.
[40] 王康景. 基于 ZYNQ MPSOC 的实时高分辨率 SAR 成像处理系统[D].西安电子科技大学,2020.
[41] Uwe Meyer-Baese, 刘凌. 数字信号处理的 FPGA 实现[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003.
[42] 刘欢. 弹载 MIMO 雷达实时信号处理机研制[D].西安电子科技大学,2019.
中图分类号:

 TN95    

馆藏号:

 60119    

开放日期:

 2024-09-08    

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