基于FPGA的调频连续波测距信号处理系统设计

第３３卷第７期　四川兵工学报　２０１２年７月　

【武器装备理论与技术】　

基于ＦＰＧＡ的调频连续波测距信号处理系统设计　

李万峰　

（中国空空导弹研究院８所，河南洛阳４７１００９）　

摘要：设计了１种基于ＦＰＧＡ的调频连续波信号处理系统。该系统可实现回波信号放大、整形及信号处理，可精确测　

距，输出距离信息。实测结果表明，该信号处理系统具有工作稳定、可编程、模块化、运算速度快等特点，适用于精确　

测距。　关键词：调频连续波；ＦＰＧＡ；测距　

中图分类号：ＴＪ４３　４．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—０７０７（２０１２）０７—００３９—０３　

近距离测距技术是一种探测距离从零点几米到几百米　

的小型雷达技术。该技术发射功率小，最小作用距离近或者　

无测距盲区，测距精度高，结构简单，体积小。根据发射信号　

的波形可将雷达分为２种体制：采用脉冲方式进行距离测量　

的脉冲体制和采用调频连续波（ＦＭＣＷ）进行距离测量的连　

续波体制　。　

目前，基于调频连续波（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　

ｗａｖｅ，ＦＭＣＷ）的测距系统能满足人们对测距精度和系统在　

恶劣天气条件下仍能工作的要求，具有独特的优势。这种体　

制的雷达久己有之，其主要优点有辐射功率小、测距测速精　

度高、设备相对简单、易于实现固态化设计、具有良好的电子　

对抗（ＥＣＭ）和低截获概率（ＬＰＩ）性能等。２０世纪７０年代以　

前，该体制的雷达主要用于测距和测速，如近炸引信、连续波　

高度计、测距雷达、汽车防震雷达等。从２０世纪８Ｏ年代开　

始，关于ＦＭＣＷ体制雷达的有关研究工作得到了普遍重视，　

加之硬件水平的提高，ＦＭＣＷ雷达的理论和技术水平得到迅　

速提高，其应用已扩展到导弹制导、船舰导航、成像、战场侦　察、气象观测等军用和民用领域…。　

以ＦＰＧＡ为核心的信号处理系统，可利用调频连续波雷　

达的优势，实现精确测距，并根据实际需要方便地修改程序。　

１　连续波调频测距基本原理　

调频连续波的波形参数对微波部件和调频连续波信号　源的设计要求较低，发射功率较脉冲法也较小，降低了系统　

对末级功率放大器１ｄＢ压缩点的要求，这也增加了器件芯片　

的选择范围，降低了整个系统的设计难度。　

利用周期锯齿波对振荡源ＶＣＯ进行频率调制。调频信　

号经功率放大后，通过２个发射天线辐射出去。另外，调频　

信号经定向耦合器取一部分能量作为混频器的本振信号。　在电磁波遇到目标并返回接收天线的时间内，发射信号频率　相比回波信号频率已有了变化，因此在混频器输出端出现差　

频信号　。该信号经放大、整形等预处理后送入ＦＰＧＡ处理　

器。在单向测距范围内，由于信号频率与目标距离一一对　

应　，因此计算出频率即可算出探测器到目标的距离。调频　

连续波测距系统组成如图１所示。　

图Ｉ　ＦＭＣＷ测距系统组成　

差频信号的频率包含由距离时延产生的频率差和多普　

勒频率，而前者远远高于后者，因此多普勒频率对测距的影　

响可忽略不计。　

２信号处理系统总体方案　

与传统电路设计方法相比，ＦＰＧＡ具有功能强大，开发过　

程投资小，周期短，可反复编程修改，保密性能好的优点。同　

时，ＦＰＧＡ器件厂商较多，器件种类丰富，可根据需要方便选　

择。另外，ＦＰＧＡ的开发软件成熟，在电路设计与输入、功能　

仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真　

与验证等方面都有工具＂ｊ。因此，该信号处理系统方案采用　

以ＦＰＧＡ为核心的信号处理器，电路前端是预处理电路。　

在预处理电路中，来自混频器的差频信号经高增益、大　

收稿日期：２０１２—０５—０２　作者简介：李万峰（１９７９一），工程师，主要从事无线电引信技术研究。

　四川兵工学报　ｈｔｔｐ：／／ｓｃｂｇ．ｊｏｕｒｓｅｒｖ．ｃｏｍ／　

动态范围、低噪声电路放大后，进入高速器件整形，形成脉冲　

信号送入ＦＰＧＡ处理器。在ＦＰＧＡ中，首先产生信号处理工　

作的一系列时序，经计算将输入脉冲的频率信息转换成距离　

信息，最终输出目标信息。　

ＦＰＧＡ设计在Ａｈｅｒａ公司的Ｑｕａｒｔｕｓ　ＩＩ软件平台上进行，　

综合利用硬件描述语言Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ和原理图相结合的方法　开发。ＦＰＧＡ信号处理系统设计原理如图２所示。该信号处　

理系统由３个模块，即时序产生模块ｓｈｉ—ＸＵ、脉冲计数模块　

ｐｕｌｓｅ—ｃｏｕｎｔｅｒ和ｄｓｐ组成。其中，ｓｈｉｘｕ模块产生ＦＰＧＡ工作　

时序，ｐｕｌｓｅｃｏｕｎｔｅｒ和ｄｓｐ模块完成脉冲计数、距离计算及结　

果输出。　

３信号处理系统设计　图２　ＦＰＧＡ信号处理系统设计原理　

３．１预处理电路设计　预处理电路用于放大和整形来自射频前端的差频信号，　

由放大电路和脉冲整形电路组成。放大电路整个增益高达　

６ｏ　ｄＢ，动态范围大，输出噪声低，其最小输入信号可达几十　

微伏。　

脉冲整形电路中的高速比较器采用Ｍａｘ９６１ＥＳＡ，该器件　

由单电源供电，常温下＋５　Ｖ工作电流约为８．５　ｍＡ，在关断　

模式下电流低至０．２７　ｍＡ；响应速度快，延迟时间只有　

４．５　ｎｓ；２个输入端有保护电路，各串入１个２００　ｎ的电阻以　

及在输入之间并入２组反向箝位二极管，每组二极管由３个　

二极管前后串联组成；有２个互补输出端可供选择，而且２　

个互补通道的延迟只有０．３　ａｓ；内置的迟滞电路可防止因噪　

声或寄生反馈的影响，在１个输入端信号电平接近另１端时　

输出状态来回跳变。脉冲整形电路如图３所示。　

３．２时序产生模块设计　

该模块的功能是利用多个计数器，通过５０　ＭＨｚ晶振时　

钟产生信号处理所需的时序。ｅｎ为脉冲计数使能信号，当　

ｅｎ＝１且有外部输入脉冲时，开始计数；ｃｌｅａｒ为脉冲计数清　

零信号，当ｃｌｅａｒ＝１时，对脉冲计数器清零；ｎｄｋ、ｍ４０ｋ和　

ｌｏａｄ是距离结果转化及输出同步信号。时序产生仿真结果　

如图４所示。通过修改ｃｌｋ—ｒｅｐｅａｔ、ｅｎ—ｒｅｐｅａｔ、ｍ—ｌｏａｄ—ｒｅｐｅａｔ、　ｍ＿ｍ４Ｏｋ＿ｒｅｐｅａｔ参数来改变ｅｎ、ｍ４０ｋ、ｌｏａｄ、ｃｌｅａｒ和ｍ２ｋ时序　

参数。　

图３脉冲整形电路　

图４时序产生仿真　

３．３脉冲计数模块设计　

该模块在ｅｎ和ｃｌｅａｒ信号的协同作用下完成对来自预　

处理电路的脉冲计数，并将计数结果ｑ＿ｎｕｍ［１４．．０］送给ｄｓｐ　

模块，以作进一步处理。　３．４信号处理模块设计　

该模块的功能是完成脉冲频率到距离的转化，即将脉冲　李万峰：基于ＦＰＧＡ的调频连续波测距信号处理系统设计　４１　

计数结果ｑ　ｎｕｍ［１４．．０］转换成距离ｄ［６．．０］，之后将７位　

的距离信息转换成串码ｄｉｓ，同时输出近距、远距标志信号。　

通过修改参数ｎｕｍｌ、ｎｕｍ２、ｎｕｍ３、ｎｕｍ４可改变距离分辨率和　

近距远距标志信息等。　

该模块设计中，脉冲计数结果向测距结果转化方法为：　

满量程距离ｄ［６．．０］＝７’１１１１１１１Ｂ对应的脉冲计数结果为　

ｎｕｍｌ＝１３’１１１１１１１１ＩＯ０１０Ｂ，乘以一个系数即为ｑ＿ｎｕｍ［１４．．　

０］＝１５’１１１１１１１１１１１１１１１Ｂ。因此，其逆运算即脉冲计数结　

果除以这个系数，再右移８位即可得到测距结果ｄ［６．．０］。　

信号处理仿真如图５所示。其中ｄｉｓ—ｆａｒ、ｄｉｓ—ｎｅａｒ是远距近　

距标志信息，ｄｉｓ是将ｄ［６．．０］通过编码转化成２０位的编码　再串行输出。　

图５信号处理仿真　

４信号处理的ＦＰＧＡ实现　

系统选择Ａｈｅｒａ公司生产的Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩＩ系列的ＦＰＧＡ　

（ＥＰ３ｃ１０Ｅｌ４４ｃ８Ｎ）。Ａｈｅｒａ公司的这款Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩＩ比上一代　

ＦＰＧＡ的功耗低７５％，共有１４４个引脚组成，这些Ｉ／０引脚支　

持６种单端信号标准、８种差分标准，含有１０　ｋｂｉｔ逻辑单元　

（ＬＥ），２３个数字信号处理（ＤＳＰ）乘法器，存储器达４００　ｋｂｉｔ。　

Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩＩ系列比前一代产品每逻辑单元成本降低２０％，使　设计人员能够更多地在成本敏感的应用中使用ＦＰＧＡ＿４］。　５结束语　

调频连续波测距信号处理系统采用Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩＩ系列的　

ＦＰＧＡ（ＥＰ３ＣｌＯＥ１４Ｃ８Ｎ）作为核心处理器，在Ａｈｅｒａ公司的　

Ｑｕａｒｔｕｓ　ＩＩ软件平台上，综合利用硬件描述语言Ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ　

和原理图相结合的方法进行程序设计，并将程序下载到ＦＰ－　

ＧＡ中。该系统具有工作可靠、可编程化、测距精度高的　

特点。　

参考文献：　

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（责任编辑鲁进）