基于FPGA 的雷达信号采集系统设计

基于FPGA技术的模拟雷达信号的设计与实现（现场可编程门阵列）是由掩膜可编程门阵列和PLD（可编程规律器件）演化而来的，并将二者的特性结合在一起，使FPGA既有掩膜可编程门阵列的高规律密度和通用性，又有PLD的可编程特性。

FPAG技术的进展使得单个芯片上集成的规律门数越来越多，能实现的功能越来越复杂。

它以编程便利、集成度高、速度快等特点受到设计人员的青睐。

人们可以通过硬件编程的办法设计和开发ASIC（专用）芯片，极大地提高芯片的研制效率、降低开发费用。

通过应用FPGA技术，较好地为“某型雷达告警设备”的配套检测仪器实现了模拟雷达ASIC芯片的设计，该芯片能够提供“某型雷达告警设备”测试过程中所需的多种典型的重频脉冲及制导信号等，其中包括SA-6重频信号、SA-2重频脉冲及制导信号、SA-3重频脉冲及制导信号、雷达脉冲视频等。

所设计的ASIC芯片的性能较为抱负。

模拟雷达信号发生器的结构模拟雷达信号发生器的结构1所示。

可以看到，模拟雷达信号发生器由延续波雷达模拟信号CW开关、制导信号SA-2开关、制导信号SA-3开关、时钟脉冲产生器、输出1、输出2和产生模拟雷达信号的控制芯片组成。

上述开关都是高电平有效，开关的消颤动放在控制芯片部分考虑。

时钟脉冲产生器由外部的晶体产生一个频率稳定的1MHz时钟脉冲，用来满足信号脉冲宽度的要求。

“CW开关”有效时，“输出2”输出延续波雷达达模拟信号；“SA-2开关”有效时，“输出2”输出SA-2的重频脉冲，“频脉冲，“输出1”输出SA-2的命令信号组；“SA-3开关”有效时，“输出2”输出SA-3的重频脉冲，“输出1”输出SA-3的命令信号。

ASIC芯片的设计1 芯片主要性能指标（1）产生延续波雷达模拟信号：重频3012Hz，脉宽1μs±0.1μs；第1页共3页。

59电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering1 系统总体结构本文提出的信号采集系统主要是利用FPGA 芯片控制模数转换芯片对目标模拟信号进行采样，将模拟信号转换数字信号后，写入到USB 接口芯片中将数据传输到PC 中，利用软件编写人机交互界面，将信号数据进行存储。

信号采集模块的设计功能是实现信号采集与分析，通过ADC 进行模数转换，实现数据采集和采样数据的存储。

如图1所示。

2 信号模块方案分析2.1 信号采集模块方案分析信号采集模块是计算机与外界连接的桥梁，也称信号获取模块。

主要完成对目标模拟信号采集，并将之转换成数字信号进行存储。

该模块的主要任务是实现模拟信号的数字采集，即进行模数转换，以便进行信号的处理，本设计采用模数转换芯片（ADC ）来实现。

目前，主流信号采集系统大多采用MCU 或者DSP 作为核心部件来进行信号转换，存储器和其他外围电路来完成数据采集。

但是，不论是单片机还是DSP 都有缺点：单片机虽然指令丰富，编程简单，灵活的控制方式，但运行速度慢，稳定性较差，抗干扰能力较低，极大地限制了ADC 的采样速度，对于目前强调高速信号处理的今天已经不太适用了。

而DSP 芯片虽然处理速度较快，但DSP 芯片的通用输入输出接口较少，功耗较大，并且对外围设备的控制能力较弱。

相反，FPGA （可编程逻辑器件）具有MCU 和DSP 所无法比拟的优势，它硬件采用并行机制，在性能和处理速度上优势明显，并且编程简单，设计灵活，时钟频率高，抗干扰能力强，稳定性好的优点。

特定的逻辑功能由用户通过硬件描述语言（HDL ）实现，设计灵活，功能可以更改。

此外，FPGA 还有大量可编程逻辑的片上系统，主要包括PLL （锁相环）模块和存储单元，可为总线、模块产生时钟。

因此， FPGA 的这些处理速度快和存储特性使其非常适合用作ADC 的控制设备，以实现高速信号采集和存储控制。

信息通信INFORMATION & COMMUNICATIONS2020年第1期（总第205期）2020(Sum. No 205)基于FPGA 的雷达信号采集及预处理电路设计裴静静'，李佳宁'（1冲航工业西安航空计算技术研究所;2.陆军装备部航空军代局驻西安地区航空军代室，陕西西安710065）摘要:针对现代雷达对抗侦察技术的发展及需求，根据雷达信号处理的特点设计了一种基于FPGA 的雷达信号采集及预处理电路，文章对该电路中AD 采集调理电路、采样时钟电路、FPGA 供电电路以及AD 采集关键技术做了详细介绍。

该电路 实现了雷达信号的高精度采集，实时接收、存储以及信号快速处理，为雷达信号后续处理搭建了平台，具有良好的推广性。

关键词：雷达信号;FPGA ；AD 采集中图分类号:TN957.51文献标识码:A 文章编号:1673-1131（ 2020 ）01-0128-020引言在现代战争中雷达对抗是取得信息优势和军事优势的重 要手段和保证，是消灭敌人、完成任务、保存自己的必要武器。

雷达需要实现对抗必须通过信号处理来检测目标，并提取目标的各种有用信息,如距离、角度、运动速度、目标形状和和性质等，同时通过数据处理进一步完成雷达目标的点迹和航迹 处理，以及目标信息的显示和分发等。

现代雷达辐射源数量 多，分布密度大，脉冲重频高，信号交叠严重，想要在如此复杂的环境中迅速识别目标，实施打击对抗,就要求雷达侦察接收机和信号处理机具有对瞬时检测脉冲信号的快速检测、处理及识别能力,传统雷达信号处理机大都无法满足要求。

XC7K325T-2FFG900是XILINX 公司近几年新推出的一 款新型的28nmFPGA,该芯片具有足够多的通用IO 和高速串行接口用于连接外围电路，并有足够多的逻辑资源实现数据 传输和时序控制，与前几代FPGA 相比，器功耗降低了一半, 而性价比提高了2倍，适用于图像及雷达信号等大数据量处理。

基于FPGA模型化设计的雷达信号处理的实现的开题报告一、研究背景随着雷达技术的不断发展，航空、导航、军事等领域中的雷达应用不断增加。

雷达信号处理是指对由雷达接收到的信号进行处理并提取出目标的信息的过程。

传统的雷达信号处理通常采用数字信号处理器（DSP）进行实现，但随着FPGA（Field-Programmable Gate Array）技术的发展，FPGA可编程性强、并行处理能力强，能够满足雷达信号处理实时性与复杂度的要求。

因此，本文将通过基于FPGA模型化设计的方式实现雷达信号处理的模块，以提高雷达信号处理的效率和实时性，并为雷达信号处理的研究提供一定的参考。

二、研究内容1. 雷达信号处理实现原理的研究本章将归纳总结当前常见的雷达信号处理算法，介绍基于FPGA实现雷达信号处理的原理及其优缺点。

2. 基于FPGA的雷达信号处理模块设计本章将对FPGA的可编程特性进行详细阐述，同时设计实现一个可以处理雷达信号的FPGA模块，设计过程中将包括对模块进行优化与测试。

3. 性能评估与结果分析本章将通过实验对FPGA模块进行性能评估和分析，并对模块的效率及实用性进行探讨。

三、研究意义随着雷达技术的不断发展和应用范围的不断扩大，雷达信号处理成为了一个重要的研究领域。

本文将通过利用FPGA的高可编程特性，设计出一个实时性能和精度皆可获得提升的雷达信号处理模块，为雷达信号处理研究提供一定的参考和模板，具有重要的理论和实践应用意义。

四、预期成果本文预计能够设计出一个可以在FPGA上实现雷达信号处理的模块，能够实现雷达信号的处理、数据传输、抗干扰和输出目标信息等功能。

同时，对模块进行测试和性能评估，得到满足工程实践需求的结果和理论分析。

五、研究方法本文主要采用文献调研、理论分析和实验研究等方法，通过对雷达信号处理算法和FPGA技术的理论研究，完成雷达信号处理的模块设计和实现，同时进行性能评估和结果分析。

六、研究计划安排1. 工作内容（1）学习雷达信号处理的基本算法和FPGA技术的相关知识。

基于FPGA的信号采集与处理系统设计与实现一、本文概述随着电子技术的快速发展，信号采集与处理技术在众多领域，如通信、医疗、军事和航空航天等，都发挥着至关重要的作用。

现场可编程门阵列（FPGA）作为一种高性能、高灵活性的硬件平台，其在信号采集与处理领域的应用日益广泛。

本文旨在探讨基于FPGA的信号采集与处理系统的设计与实现，包括系统的硬件架构、软件设计、信号采集方法、处理算法以及优化策略等方面。

本文将首先介绍FPGA的基本原理、特性和在信号处理中的优势，然后阐述信号采集与处理系统的总体设计方案。

在硬件设计部分，将详细介绍FPGA的选择、外围电路的设计以及与其他硬件组件的接口设计。

在软件设计部分，将重点讨论信号采集模块、处理算法模块以及控制模块的实现方法。

接着，本文将深入探讨信号采集的关键技术，包括采样率的选择、抗混叠滤波器的设计以及模数转换器的选型等。

对于处理算法部分，将涉及数字信号处理的基础理论，如傅里叶变换、滤波器等，以及它们在FPGA上的实现方法。

还将讨论如何通过优化算法和硬件设计来提高系统的性能和实时性。

本文将通过具体的实验和测试来验证所设计的信号采集与处理系统的性能，并给出结论和展望。

本文旨在为读者提供一个全面、深入的基于FPGA的信号采集与处理系统设计与实现的参考指南，同时也希望为相关领域的研究和实践提供有益的借鉴和启示。

二、FPGA基础知识FPGA，全称为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array），是一种半定制电路，它结合了通用处理器和专用集成电路（ASIC）的优点。

FPGA内部包含大量的可配置逻辑块（Configurable Logic Blocks, CLBs）、输入输出块（Input/Output Blocks, IOBs）和内部连线（Interconnect），这些资源可以通过编程实现各种不同的逻辑功能。

可配置逻辑块（CLBs）：CLBs是FPGA的基本逻辑单元，可以配置为执行各种逻辑操作，如AND、OR、OR等，以及更复杂的组合逻辑和时序逻辑功能。

基于FPGA的数字信号处理技术在雷达信号处理中的应用雷达技术是一种实现远距离非接触检测的方法，通过发射和接收电磁波来探测目标物体的位置、速度、形状等参数，并能对这些参数进行处理，实现目标识别和跟踪。

由于雷达信号在传输过程中会受到各种干扰，因此需要对信号进行处理以提高信噪比和分辨率。

基于FPGA的数字信号处理技术在雷达信号处理中具有重要的应用，它可以提高信号处理的效率和精度。

1. FPGA的概述和特点FPGA是一种可编程的逻辑器件，具有高度的可编程性和可重构性。

它可以通过编程的方式实现不同的功能，包括数字信号处理、图像处理、通信协议等。

相比于ASIC芯片，FPGA具有更高的灵活性、更短的开发周期和更低的成本，因此越来越多的应用将FPGA作为处理核心。

2. FPGA在雷达信号处理中的应用雷达信号处理涉及到很多数字信号处理算法，包括滤波、FFT、相关和目标跟踪等。

这些算法需要对大量的采样数据进行处理和分析，因此需要高效的数字信号处理器。

FPGA具有并行处理能力和高速运算的特点，非常适合用于雷达信号的处理。

以滤波为例，通过在FPGA中实现数字滤波器，可以对雷达信号进行滤波处理，滤除噪声和杂波，提高信号的纯净度和可靠性。

同时，FPGA可以实现实时滤波和在线滤波，避免了离线处理的繁琐和延迟。

另外，FPGA还可以实现多通道滤波和自适应滤波等高级处理算法，提高滤波的效率和精度。

对于FFT算法，FPGA可以实现高速FFT计算，加快信号频谱分析的速度和精度。

FFT算法在雷达信号处理中广泛应用，可以实现目标检测和分类等功能。

通过在FPGA中实现FFT模块，可以大大提高FFT的运算速度和稳定性。

同时，FPGA 还可以实现多级FFT、变换解密和故障检测等增强功能，提高FFT算法的适应性和可扩展性。

相关算法是雷达信号处理中常用的一种算法，通过对雷达信号进行相关分析，可以实现信号的准确定位和跟踪。

FPGA可以实现复杂的相关算法，包括相干积、马赫菲函数和卡尔曼滤波等多种方法。

基于FPGA的雷达信号采集处理器的设计苗敏，柳晓鸣大连海事大学摘要：本文介绍了雷达信号高速采集处理器的设计，整个系统的设计是由FPGA担任主要控制处理模块，结合以AD9054芯片为核心实现的AD转换电路，完成的，简化了电路结构, 增强了系统设计的灵活性和可靠性, 降低了体积与成本。

详细讨论了AD转换电路以及FPGA控制模块的工作原理、系统设计过程中用到的一些关键技术。

关键词：AD转换，FPGA，雷达中图分类号：TN951 引言在雷达信号处理系统中,需要对目标的回波进行采集与处理，检测出目标的精确位置，预测与跟踪目标的运动轨迹，记录每一个目标的距离与时间。

同时，人们对数据采集系统的采集精度、数据采集速率都提出了更高的要求，雷达信号采集处理系统的设计需要解决系统在速度、精度、数据存储及处理等各方面的问题。

目前，许多现有的高速数据采集处理系统都是采用DSP+ FPGA协同控制来构建系统的基本结构。

在高速数据采集方面，FPGA具有DSP无法比拟的优势。

FPGA的时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑均可由硬件完成。

FPGA作为控制器的同时也作为数据通道,可以对数据进行分配、预处理,扮演协处理器角色。

而且FPGA集成度高、体积小、功耗低，可以集采集控制、缓冲、处理、传输于一个芯片内，编程配置灵活，开发周期短，系统简单，而且比较容易移植到雷达系统中，并且可以大大降低成本。

因此，对于有严格时序要求的高速雷达信号采集处理系统，我们采用FPGA构建系统核心控制电路。

2 数据采集系统结构考虑到实际需要，该采集处理系统应具有以下功能：适应各种雷达的信号接口，实现对信号AD转换的控制，完成恒虚警处理，滑窗检测、信号格式的极坐标向直角坐标转换，以及邻近单元的合并等一系列信号预处理的算法，将处理后的数字信号传送给dsp芯片进行更进一步的处理，然后送至上位机进行显示。

在这里我们只介绍基于FPGA部分的系统。

2.1 硬件结构系统硬件结构前端主要包括A/D转换电路、核心控制器FPGA，时钟电路。

基于FPGA和DSP的雷达模目信号设计图2系统实现框图系统工作流程为：DBF分机提供系统控制字、时序和外时钟，其中系统控制字通过光纤送出，每个CPI送一次，时序和外时钟通过电缆送出。

当FPGA收到控制字后，将其缓存于双口RAM，等到其次个FR，给DSP发起中断，通知DSP取走控制字。

DSP从控制字中提取CPI代码、FR代码、模目距离和模目多普勒等信息。

通过CPI代码可以知道雷达当前放射的是哪种波形，即哪种线形调频信号，通过FR 代码可以知道当前脉冲是该相干处理脉冲组中第几个脉冲，通过模目距离和模目多普勒可以知道系统要求模拟目标所处的距离和相对径向速度。

因为系统控制字已在其次个FR得到，所以在接下来的FR中，DSP 只需读进FR序列号，就不需要再读控制字。

读FR序列号的目的是为了计算模目因为存在径向速度而产生的相位，即φd=fd(n-1)Tr，其中：n 即为FR序列号；Tr为脉冲重复周期，一旦获得这些信息，就可以计算模目。

在计算模目的过程中，采纳了乒乓存储方式，即当前FR产生下一FR的数据，并存于FPGA的双口RAM中，等下一FR到来时，延迟到系统控制字所给的模目距离单元所对应的时刻，读出模目数据即可。

为了使目标回波与实际状况全都，要求模目信号在距离和多普勒上都要含糊，因为系统控制字送来的参数是非含糊的，那么转换办法为：含糊距离=真切距离mod本相干处理脉冲组对应的距离，含糊多普勒一真切多普勒mod本相干处理脉冲组对应的重频，其中mod为求模，这一过程在DSP中完成。

3调试过程调试所用到的分机有：综合分机，送时序和控制字；DBF分机，完成控制字中CPI代码和FR代码的填充，并通过光纤将控制字送至DSP分机，本模目信号产生模块就在DSP分机的脉压插件上；频率源，给每个分机提供时钟；除此之外，还需要一台直流。

系统加电后，DSP初始化完成就处于等待状态，当有时序和系统控制字送来，DSP就按照控制字的要求产生模目信号，并在时序的同步下将信号送往FPGA，然后再由FPGA送后续处理。

基于FPGA与DSP的雷达高速数据采集系统随着雷达数据处理技术的快速发展，需要高速采集雷达回波信号。

然而激光雷达的发射波及回波信号经光电器件转换后，形成的电信号脉宽窄，幅度低，而且背景噪声大，如采用低速的数据采集系统进行采集，存在数据精度不高等问题。

同时，为避免数据传输不及时，发生数据丢失，影响系统的可靠性和实时性，需设计开发高速数据采集系统。

设计中针对前端输出约-25～25 mV，带宽为20 MHz 的信号，采用高带宽，低噪声，高数据传输率，高分辨率数模转换芯片AD9235；利用XC2V250 内部的大小为6 KB 的异步FIFO 实现AD9235 转换器与TMS320C6201 间的高速数据传输。

采集系统的采样率为30 MHz，分辨率为12 位，内部异步缓存FIFO 为6 KB，满足高速数据采集要求。

1 系统设计如果A／D 直接与DSP 的外部存储接口EMIF 连接，会使DSP 的负荷过重，另一方面DSP 还需扩展外设，与采样输入共用一条外部总线，进行外部设备的读写，不允许数据采集始终占用外部总线。

如果不能及时接收数据，上次存储的数据会被覆盖，造成数据丢失。

异步FIFO 能实现不同时钟域的数据传输，可将它作为A／D 转换器和EMIF 之间的桥梁，每写入一块数据，便通知EMIF 从FIFO 取走数据。

基于以上分析，图1 为高速数据采集系统结构框图。

FPGA 内部DCM 为A／D 转换器和DSP 提供采样时钟和外部振荡源，A／D 转换器与DSP 工作在不同时钟，在FPGA 内部生成一个异步FIFO 作为数据传输缓存。

A／D 转换器把采样值写入FIFO，FIFO 写使能WR_EN 一直有效，系统上电后，A／D 转换器一直处于工作状态，每写入一块数据便向DSP 发出中断信号，在中断中读取FIFO 中的数据。

FIFO 输入数据宽度12 位，。

基于FPGA的雷达信号处理方法探究【摘要】作为雷达的关键组成部分，雷达信号处理系统对雷达精度起着关键性作用。

FPGA技术以其出色的优点，已经在雷达信号处理系统中得到越来越广泛的应用。

本文主要就基于FPGA的雷达信号处理方法进行探究。

【关键词】FPGA;DSP;雷达;信号处理一、引言经济发展以及军事技术现代化的不断推进对雷达技术提出了更高的要求。

目前超大规模集成电路等电子技术的迅速发展和微机计算速度的提升，特别是大规模可编程逻辑器件的不断进步，为雷达信号的处理带来了新的发展机遇。

目前不断提高的A/D转换速率对数字信号处理器提出了更高的处理速率要求，而传统的DSP已经无法满足这种超高速数据流的需要，因此FPGA应用就成为解决这一问题的主要方案。

二、雷达信号处理的主要技术及FPGA 的特点雷达的发射机可以把电磁波能量射向某一方向，这些电磁波如果遇到物体就会反射回来，雷达天线可以接收这些反射波并通过相关接收设备进行处理，以提取如距离、速度、方位和高度等相关信息。

目前，通用雷达的信号处理系统主要依靠以下的步骤来进行信号处理：雷达信号转换→信号处理→数据传输→目标显示与控制，这一系列处理过程中涉及到许多重要技术，例如：数据重采样、匹配滤波、恒虚警处理等，这些步骤需要高度复杂的FFT、FIR等运算完成，并且这些运算和步骤的实现都有极高的实时性要求。

上世纪数字逻辑电路的飞跃式发展使设计方法逐渐演变为采用可编程逻辑器件。

经过了连续不断的发展和进步，FPGA由可编程的只读存储器已经逐步发展成为可编程的片上系统并实现了多种技术的融合，技术上的进步不仅提高了芯片的性能，同时其工艺和规模也不断扩大，目前已经达到了百万以上的规模。

同时技术的进步还进一步提高了它的应用价值，FPGA设计灵活并且具有可移植性，这就使得现场编程成为可能。

因此FPGA在很多领域都已经得到了广泛的应用。

由于FPGA技术除了包含了查找表、多路复用器、寄存器和存储器以外，还拥有包括乘法器、加法器以及输入—输出处理等专用电路。