CN112924948A

CN112924948A - 一种基于fpga的雷达信号检测与接收系统

Info

Publication number: CN112924948A
Application number: CN202110072354.7A
Authority: CN
Inventors: 章秀银; 梁嘉辉; 杨俊�; 黄丽英; 林树棉; 林超
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: CN112924948B

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统，包括至少一个检测与接收通道，每一个检测与接收通道包括前端接收模块，用于接收空间中特定频段的雷达信号；高速收发器模块，用于对雷达射频信号与直流信号进行比较及采样，得到采样后的雷达信号；频率检测模块，用于对采样后的雷达信号进行频率检测，估算得到雷达信号的载波频率；下变频模块，用于根据载波频率产生对应频率的下变频载波信号，并与雷达信号相乘得到下变频信号；滤波抽取模块，用于对下变频信号进行滤波抽取处理，得到雷达基带信号。本发明实现了一种设计灵活、轻便的雷达信号检测与接收系统。

Description

一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统。

背景技术

随着雷达战场环境的日益复杂，雷达接收系统需要完成任务的难度和复杂性也日益增加。现代雷达信号覆盖频段不断地扩大，其对接收机的工作带宽要求已经达到吉赫兹(GHz)、甚至数十GHz以上的数量级，这远大于一般接收机的接收频率范围，而且雷达信号越来越密集，对接收系统的处理能力和速度也提出了越来越高的要求。

目前，雷达接收系统一般采用传统的模拟电路结构设计，但模拟器件一般体积庞大、可重构性差，难以满足通用化的要求。面对宽频段的雷达信号，传统接收架构需要将多路不同工作频段的接收链路再整合为一个系统，还存在通道的幅度、相位响应不一致等问题。采用数字接收链路代替传统模拟接收架构可以突破上述部分缺陷，如中国专利申请2019109330090，面向电子对抗的数字射频前端及射频信号频率检测方法中提出一种数字射频前端来解决模拟接收架构下一些固有的问题。然而，该类型数字接收系统中依然存在不足，例如信号接收方式使用脉冲宽度调制(PWM)利用三角波信号来采样射频信号，而高频、高质量且频率和幅度可调的三角波信号难以产生，需要额外的信号发射器模块，不利于系统小型化、集成化；同时，接收系统中雷达信号的频率检测基于离散傅里叶变换(DFT)对信号的载波频率进行分析，但基于DFT的频率检测方式实现结构复杂、计算资源消耗高，通常还需要额外的信号处理器辅助计算；另外，为了从极高采样率的射频信号降低为低采样率的基带信号，传统的滤波抽取需要很高阶数的FIR滤波器或者多级滤波器处理，这又造成了系统的资源消耗增多、复杂度提高等问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统。

本发明采用如下技术方案：

一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统，包括至少一个检测与接收通道，每一个检测与接收通道包括：

前端接收模块，用于接收空间中特定频段的雷达信号；

高速收发器模块，用于对雷达信号与直流信号进行比较及采样，得到采样后的雷达信号；

频率检测模块，用于对采样后的雷达信号进行频率检测，估算得到雷达信号的载波频率；

下变频模块，用于根据载波频率产生对应频率的下变频载波信号，并与雷达信号相乘得到下变频信号；

滤波抽取模块，用于对下变频信号进行滤波抽取处理，得到雷达基带信号。

进一步，所述高速收发器模块包括差分接收端口、均衡器及串并转换器，其功能等效为一个差分输入的单比特高速ADC，采样得到N路并行的雷达信号。

进一步，所述直流信号的数值大小为雷达射频信号的直流成分大小，若雷达信号无直流成分，则直流信号取模拟地信号。

进一步，高速收发器模块包含多对差分接收端口。

进一步，所述滤波抽取模块包括流水并行求和器、累加器和FIR滤波器。

进一步，用于对采样后的雷达射频信号进行频率检测，具体为：

对采样的雷达射频信号进行有效性判断，若信号有效则发送有效起始信号；

收到有效起始信号后，根据设置统计数据长度M，开始统计有效信号在一段时间数据内的脉冲个数M0；

得到统计数据后，根据高速收发器模块的采样速率Fs以及载波频率估算公式进行分析计算，估算得出雷达信号载波频率Fc；

多次估算结果与先前载波频率值比较，判断当前的载波频率值是否需要变更，若否，则维持先前载波频率值；若是，则更新为新的载波频率值。

进一步，所述频率检测模块通过采样后单比特雷达信号的特性估算得出其载波频率，其估算公式为：

Fc≈Fs·M0/M

其中Fc为估算所得的雷达载波频率，Fs为高速收发器的采样速率，M0为某段时间内采样数据的脉冲个数，M为某段时间内统计数据长度。

进一步，频率检测模块连续多次进行载波频率估算，若估算所得载波频率值均相同且与先前的载波频率值不同，则将载波频率值更新并传递到下变频模块；若多次估算所得载波频率值不完全相同，则不更新载波频率值，下变频模块保持先前或者默认的载波频率值。

进一步，高速收发器模块、频率检测模块、下变频模块及滤波抽取模块均集成在FPGA芯片上。

进一步，流水并行求和器和累加器的处理等效于级联积分梳状滤波和1/(k*N)抽取，FIR滤波器对低采样率信号进一步滤除带外噪声，降低下变频信号的采样速率并滤除带外噪声。

本发明的有益效果：

本发明采用基于FPGA芯片的数字接收架构完成雷达信号的接收与信号处理；

本发明利用高速收发器的多对差分接收端口实现多通道接收；

本发明信号接收方式利用直流信号代替基于PWM数字接收机中三角波信号，接收方式简便、接收动态范围更广；

本发明频率检测利用雷达信号时域特性估算其载波频率，相比基于DFT的频率检测方式，结构简单及资源节省；

本发明滤波抽取使用简易实现的方式，有效降低了资源消耗，并可灵活地抽取到所需的低采样速率；

本发明对雷达信号中常用的线性调频信号进行接收以及信号处理，具有良好的效果，实现了一种设计灵活、轻便的雷达信号检测与接收系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的高速收发器模块简化的结构示意图；

图3是本发明频率检测模块的工作流程图；

图4是本发明的滤波抽取模块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

考虑一个雷达信号，具体调制方式为线性频率调制信号，其脉冲重复周期为1ms，脉冲宽度为100μs，接收到的信号功率为-20dBm，信号带宽为20MHz，无直流偏置，信号载波频率为2GHz、3GHz、4GHz、5GHz、6GHz以上频点。对于雷达信号检测与接收系统来说，当前时刻信号载波频率是未知的，需要通过接收后进行处理和分析得到当前信号载波频率值，系统自动完成对雷达下变频、滤波抽取等功能。

如图1所示，一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统，包括至少一个检测与接收通道，每一个检测与接收通道包括依次连接的前端接收模块、高速收发器模块、频率检测模块、下变频模块及滤波抽取模块，所述高速收发器模块、频率检测模块、下变频模块及滤波抽取模块均集成在FPGA芯片上。

所述前端接收模块，使用雷达天线、带通滤波器及低噪声放大器接收空间中特定频段的雷达信号，特定频段根据用户需要自行设定。

所述高速收发器模块，用于对雷达信号与直流信号进行比较及采样，得到采样后的雷达射频信号；

所述高速收发器模块利用FPGA所集成的高速收发器，实现超宽带的接收频率范围。该实施例中取消设置高速收发器的信道编解码等模块，时钟恢复电路的时钟频率锁定为参考频率，作用等效为一个差分输入的单比特高速ADC，并选用中高端系列的FPGA其高速收发器模块能实现十吉赫兹(GHz)以上的线速率。由于实施例中雷达信号频率范围为2～6GHz，根据奈奎斯特采样定理，采样率必须大于被采样信号最高频率的两倍，故本实施例高速收发器模块的接收线速率Fs设置为15.2GHz。

本实施例选用的雷达信号无直流偏置，故直流信号选择为地信号，直流信号可以通过在系统硬件电路上设计简单电压源产生。高速收发器模块简化结构如图2所示，包括差分接收端口、均衡器及串并转换器，将前端接收模块所接收的雷达信号与系统产生的直流信号分别接入到差分接收端口的正负端，实现对两个信号的电压比较。信号再经过均衡和串并转换器等处理，实现雷达信号从串行模拟信号到并行数字信号的转换。本实施例具体并行路数设置为80路，数字接收系统内部的工作频率设置为Fs/80＝190MHz，得到80路并行传输的雷达信号数据。

所述高速收发器模块选用GTY型号以QUAD为单位，每个QUAD包含4对差分接收端口，可以利用多对接收端口实现对雷达信号的多通道接收。

本实施例的接收到的雷达信号功率从-10dBm到-45dBm变化，直流信号保持不变，进行接收效果测试，在以上信号功率范围内均能接收和探测到雷达信号，说明采用直流信号作为比较信号，系统接收动态范围可达30dBm以上。

所述频率检测模块用于对采样的雷达信号进行频率检测，通过采样后单比特信号的特性估算得出雷达信号的载波频率。雷达信号拥有脉冲重复周期以及脉冲宽度，分为有信号时间段和无信号时间段，故频率检测首先要确定信号的有效性，需要检测到一定数量的信号作为起始点，再开始进行脉冲数量统计。

所述频率检测模块的载波频率估算公式为：

Fc≈Fs·M0/M

频率检测模块载波频率具体估算方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、对采样的雷达信号进行有效判断，检测到一定数量的信号后则发送有效起始信号；否则，保持无效状态；

S2、收到有效起始信号后，根据设置统计数据长度M，开始统计有效信号的一段时间数据内的脉冲个数M0；

S3、得到统计数据后，根据系统采样速率Fs以及载波频率估算公式进行分析计算，估算得出雷达信号载波频率Fc，统计的有效信号数据越多，估算结果相对越精确。

S4、为提高准确性与稳定性，用多次估算结果与先前载波频率值比较，判断当前的载波频率值是否变更。若无，则维持先前载波频率值；若有，则更新为新的载波频率值。

该实施例中接收有效信号后，统计1000个时钟周期内采样所得的单比特雷达信号的脉冲数量，且由于并行路数为80路，实际统计数据数量M为80*1000＝80000个数据点。在实施例中，其中一次有效时间段内接收雷达信号的统计脉冲数量M0为10476个。根据估算公式，载波频率Fc＝Fs*M0/M＝15.2*10476/80000GHz≈2.0GHz，由此估得该有效时间段接收雷达信号的载波频率为2GHz。

为了提高估算的准确性，实施例中设置三次估算载波频率相同的情况下，才确定该次接收雷达信号的载波频率值。频率检测模块连续三次进行载波频率估算，若估算所得载波频率值均相同且与先前的载波频率值不同，则将载波频率值更新并传递到下变频模块；若三次估算所得载波频率值不完全相同，则不更新载波频率值，下变频模块保持先前或者默认的搬频值。

所述下变频模块，根据频率检测模块估算得出的载波频率值，产生对应频率的下变频载波信号，实现雷达信号从射频到基带的搬移。该例中依据上述频率检测模块估算得出的载波频率，读取出载频为2GHz的下变频信号并与接收的雷达信号相乘，得到下变频后的雷达信号，完成数字下变频操作。

所述滤波抽取模块，如图4所示，包括流水并行求和器、累加器和FIR滤波器。

所述流水并行求和器对N路并行的下变频信号的实部与虚部分别进行流水求和，其中并行路数N可根据不同型号的高速收发器和实际需求进行设定；

所述累加器对流水并行求和器的输出进行k个周期的累加，其中累加周期k可根据实际需求进行设定；

所述FIR滤波器为传统低通数字滤波器结构，对低采样率信号进一步滤除带外噪声，得到干净的雷达基带信号；

所述流水并行求和器和累加器的处理等效于级联积分梳状(CIC)滤波和1/(k*N)抽取，此时累加器输出信号的采样率降低为Fs/(k*N)的低采样率信号，可灵活地配置N和k得到所需的低采样率信号。

对并行下变频信号进行流水求和以及累加，等效于CIC滤波和抽取处理，再加以FIR滤波器进一步滤除噪声。实施例中并行路数N为80路，累加周期k为2，则处理后等效的信号采样速率降为15.2GHz/(80*2)＝95MHz，已经下降到便于后续基带处理的采样速率。并行路数N根据高速收发器型号和需求进行设置，一般有32/40/64/80/160等并行路数选择，而累加周期k根据实际需求进行设置。通过N和k的设置，可以灵活地从极高采样速率降低到所需低采样速率，并且有效节省了乘法器资源。最后，再加低阶数的FIR滤波器滤除剩余的带外量化噪声，提取出干净的雷达基带信号以便于后续进行更复杂的信号处理。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于FPGA的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，包括至少一个检测与接收通道，每一个检测与接收通道包括：

前端接收模块，用于接收空间中特定频段的雷达信号；

高速收发器模块，用于对雷达射频信号与直流信号进行比较及采样，得到采样后的雷达信号；

频率检测模块，用于对采样后的雷达射频信号进行频率检测，估算得到雷达信号的载波频率；

2.根据权利要求1所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，所述高速收发器模块包括差分接收端口、均衡器及串并转换器，其功能等效为一个差分输入的单比特高速ADC，采样得到N路并行的雷达信号。

3.根据权利要求1或2所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，所述直流信号的数值大小为雷达射频信号的直流成分大小，若雷达信号无直流成分，则直流信号取模拟地信号。

4.根据权利要求3所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，高速收发器模块包含多对差分接收端口。

5.根据权利要求1所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，所述滤波抽取模块包括流水并行求和器、累加器和FIR滤波器。

6.根据权利要求1所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，用于对采样后的雷达射频信号进行频率检测，具体为：

7.根据权利要求6所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，所述频率检测模块通过采样后单比特雷达信号的特性估算得出其载波频率，其估算公式为：

Fc≈Fs·M0/M

8.根据权利要求1或6所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，频率检测模块连续多次进行载波频率估算，若估算所得载波频率值均相同且与先前的载波频率值不同，则将载波频率值更新并传递到下变频模块；若多次估算所得载波频率值不完全相同，则不更新载波频率值，下变频模块保持先前或者默认的载波频率值。

9.根据权利要求1所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，高速收发器模块、频率检测模块、下变频模块及滤波抽取模块均集成在FPGA芯片上。

10.根据权利要求5所述的雷达信号检测与接收系统，其特征在于，流水并行求和器和累加器的处理等效于级联积分梳状滤波和1/(k*N)抽取，FIR滤波器对低采样率信号进一步滤除带外噪声，降低下变频信号的采样速率并滤除带外噪声。