CN205920220U - 一种基于fpga的雷达接收前端数字调谐装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，包括收发天线、环形器、磁控管、脉冲调制电路，其还包括一限幅保护电路、接收前端变换电路、滤波电路、ADC转换电路、放大驱动电路、DAC转换电路和频率测量模块。本实用新型采用数字法，直接对中频信号进行频率测量，根据测量结果与理想值的频偏来直接产生调谐控制信号，从而有效解决了上述模拟方法的明显缺陷。
Description
技术领域
本实用新型涉及船用雷达技术领域，特别涉及一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置。
背景技术
当前，民用的船用雷达绝大部分是基于磁控管的脉冲雷达，雷达发射短时间的X波段(9410MHz)或者S波段(3050MHz)微波信号，一般采用一个低噪声的接收前端来对接收到的微波信号进行下变频，变换至易于处理的中频信号(60MHz)，再进行放大、检波等处理，最后送至显示器显示。
为了抑制额外噪声，而且受放大器的带宽限制，中频信号的处理带宽非常有限。另一方面，磁控管的微波输出并不十分稳定，会随着温度、调制、老化等因素表现出较大的频率漂移，为了跟踪磁控管振荡源的这种不稳定变化，接收前端提供一个调谐控制端，通过控制调谐电压的不同，改变本振的频率，从而保证输出中频的稳定。
一般对调谐电压的自动控制采用模拟法，即首先对中频信号检波，从检波包络的极值来获得最优值控制。由于雷达信号是持续时间极短的脉冲信号，因此模拟法往往要利用积分电路来累积检波结果，为了消除脉冲影响，往往积分时间较长，这样的方法存在“入锁”时间缓慢与容易“锁偏”等现象，而且入锁范围也非常有限。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有船用雷达对调谐电压的自动控制采用模拟法所存在的问题而提供一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，该基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置采用数字法，直接对中频信号进行频率测量，根据测量结果与理想值的频偏来直接产生调谐控制信号，从而有效解决了上述模拟方法的明显缺陷。
本实用新型所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：
一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，包括收发天线、环形器、磁控管、脉冲调制电路，所述脉冲调制电路的输入端与脉冲信号连接，所述脉冲调制电路的输出端与所述磁控管的输入端连接，所述磁控管的输出端与所述环形器的A口连接，所述收发天线与所述环形器的B口连接，其特征在于，还包括一限幅保护电路、接收前端变换电路、滤波电路、ADC转换电路、放大驱动电路、DAC转换电路和频率测量模块，所述限幅保护电路的输入端连接所述环形器的C口，所述限幅保护电路的输出端与所述接收前端变换电路的回波信号输入端连接，所述接收前端变换电路的中频信号输出端接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端接所述ADC转换电路的模拟信号输入端，所述ADC转换电路的数字信号输出端接所述频率测量模块的数字信号输入端，所述频率测量模块的控制电压输出端接所述DAC转换电路的数字信号输入端，所述DAC转换电路的模拟信号输出端接所述放大驱动电路的输入端，所述放大驱动电路的输出端接所述接收前端变换电路的控制信号输入端，所述频率测量模块的脉冲信号输入端接脉冲信号。
在本实用新型的一个优选实施例中，所述频率测量模块为FPGA模块或DSP模块。
由于采用了如上的技术方案，本实用新型采用数字法，直接对中频信号进行频率测量，根据测量结果与理想值的频偏来直接产生调谐控制信号，从而有效解决了上述模拟方法的明显缺陷。
附图说明
图1为本实用新型的基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置的电原理框图。
图2为本实用新型的基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置中FPGA模块测频框图。
图3为本实用新型的基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置的闭环数字化调谐框图。
具体实施方式
参见图1，图中给出的一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，包括收发天线100、环形器200、磁控管300、脉冲调制电路400。
脉冲调制电路400的输入端与脉冲信号连接，输出端与磁控管300的输入端连接，磁控管300的输出端与环形器200的A口连接，收发天线100与环形器200的B口连接，其还包括一限幅保护电路500、接收前端变换电路600、滤波电路700、ADC转换电路800、放大驱动电路1100、DAC转换电路1000和频率测量模块900。
限幅保护电路600的输入端连接环形器200的C口，输出端与接收前端变换电路600的回波信号输入端连接，接收前端变换电路600的中频信号输出端接滤波电路700的输入端，滤波电路700的输出端接ADC转换电路800的模拟信号输入端，ADC转换电路800的数字信号输出端接频率测量模块900的数字信号输入端，频率测量模块900的控制电压输出端接DAC转换电路1000的数字信号输入端，DAC转换电路1000的模拟信号输出端接放大驱动电路1100的输入端，放大驱动电路1100的输出端接接收前端变换电路600的控制信号输入端，频率测量模块900的脉冲信号输入端接脉冲信号。频率测量模块为FPGA模块。
本实用新型的基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置的数字化调谐方法如下：
脉冲雷达的工作原理：脉冲信号产生发射脉冲，经过脉冲调制电路400调制后激发磁控管300发出高强度微波信号，经过环形器200，由A口->B口通道经过收发天线100向外发射。回波则通过B口->C口通道接收至接收前端变换电路600，变换至中频IF。
数字化调谐的原理如下：利用磁控管300发射时，环形器200的A口->C口泄露的信号，经过限幅保护电路600、接收前端变换电路600变换至中频IF，经过滤波电路700滤波后，由ADC转换电路800欠采样为数字信号，利用FPGA模块实时计算出所采集的频率，再与理想的中频信号比如60MHZ比对，求出频偏误差；将误差信号对应成相应的控制电压，由DAC转换电路1000成模拟电压，再经过放大驱动电路1100放大驱动到符合接收前端电气特性的TUNE控制信号，从而改变本振频率，使得输出保持理想中频(60MHz)信号不变；由频偏误差到产生TUNE信号是一个闭环的稳定最优控制过程。
具体数字化调谐过程
1.带通信号欠采样技术
带通信号欠采样技术所需的采样频率比Nyquist低通采样频率要低得多，可以使用大于信号带宽而非最高频率2倍的采样频率。如果信号为频带有限信号，其频带限制在[fL,fH]，
则采样率只需满足：
且无混叠均匀，采样频率需满足
N*fs≥2fH
其中整数n被限制在：
2≤n≤N
本系统，中心频率fc＝60MHz，带宽30MHz，即BW＝(45MHz，75MHz)，如下进行采样频率fs的选取，设f1为采样频率的下限，f2为采样频率的上限。
由于采样率越大，ADC转换电路800AD变换之后的数据量越多，综合考虑，选择fs＝80MHz，输入的中频信号fc＝60MHz，与fs混频之后，我们只需要关注的是fc'＝20MHz，带宽30MHz，即方案中输入的60MHz中频信号对应20MHz频点，通过测量该频点的频偏，来获得跟踪的误差信号(参见图2)。
2.测频技术
在前面重点阐述了本实用新型中使用的带通信号欠采样技术，且选择fs＝80MHz。
参见图2，ADC转换电路800采样中频信号后输出Xs，本实用新型主要测量20MHz频点附近的频偏，所以Xs被测频之前需要经过FIR低通滤波器910，输出X'S，之后测频，输出测得的中频信号峰值频率，以供后级TUNE调谐。
脉冲信号作为门限信号，当脉冲信号有效时，磁控管发射脉冲信号，且 会泄露到接收前端与TUNE调谐电压控制920的本振进行混频，输出中频信号，当脉冲信号无效过程即为回波接收的过程，此过程内是不做TUNE调谐的。所以测频仅在脉冲信号有效状态下进行。
测频采用FFT快速频谱分析算法对信号进行快速频谱分析，为了得到更高精度的测频输出，设置分析带宽RBW＝30kHz，处理数据点数对应为16384点。
由于20MHz正对应60MHz中频信号，19.95MHz实际对应的是59.95KHz，以至于需要TUNE调谐，使中频信号输出恰好为60MHz。
3.调谐过程
如图3，脉冲信号有效期间，测频开始，且输出值与理想的中频信号(本方案60MHz)比对，求出频偏误差；将误差信号对应成相应的数字量，通过DAC转换成模拟电压，再放大驱动到符合接收前端电气特性的调谐控制信号920，从而改变接收前端的本振频率，使得接收前端的输出保持理想中频信号不变，该闭环控制响应时间快，调谐精度高。
在雷达波发射过程中，因磁控管的环境温度发生变化或自加热时，发射出的雷达波频率会缓慢漂移，为了保持接收机可以调谐到发射机的频率，需要自动调谐。同样脉冲信号有效的门限内，测频，并与理想中频信号比较：当测量值小于理想中频值时，将FPGA内保存的Dtune值逐渐加大，直到测量值与理想值相同，输出该DA控制值，并记录Dtune。
当测量值小于理想中频值时，将FPGA内保存的Dtune值逐渐减小，直到测量值与理想值相同，输出该DA控制值，并记录Dtune。
为了达到更快地数字化调谐闭环响应，Dtune增大或减小的步进值，要根据测量值与理想值之间的误差值来确定，当误差值较大时，步进适当调大，调节过程中误差值逐渐减小，步进也随之逐渐减小，直至误差值基本为0。
本实用新型与模拟法调谐相比，数字化调谐，具有抗干扰能力强，闭环控制响应速度快，调谐精度高等优点，雷达接收前端稳定输出理想的中频信号，且回波图像清晰，饱满，目标与杂波层次分明，目标识别率得到了有效的提高。
Claims (2)
1.一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，包括收发天线、环形器、磁控管、脉冲调制电路，所述脉冲调制电路的输入端与脉冲信号连接，所述脉冲调制电路的输出端与所述磁控管的输入端连接，所述磁控管的输出端与所述环形器的A口连接，所述收发天线与所述环形器的B口连接，其特征在于，还包括一限幅保护电路、接收前端变换电路、滤波电路、ADC转换电路、放大驱动电路、DAC转换电路和频率测量模块，所述限幅保护电路的输入端连接所述环形器的C口，所述限幅保护电路的输出端与所述接收前端变换电路的回波信号输入端连接，所述接收前端变换电路的中频信号输出端接所述滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端接所述ADC转换电路的模拟信号输入端，所述ADC转换电路的数字信号输出端接所述频率测量模块的数字信号输入端，所述频率测量模块的控制电压输出端接所述DAC转换电路的数字信号输入端，所述DAC转换电路的模拟信号输出端接所述放大驱动电路的输入端，所述放大驱动电路的输出端接所述接收前端变换电路的控制信号输入端，所述频率测量模块的脉冲信号输入端接脉冲信号。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的雷达接收前端数字调谐装置，其特征在于，所述频率测量模块为FPGA模块或DSP模块。
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| CN201620831788.5U CN205920220U (zh) | 2016-08-03 | 2016-08-03 | 一种基于fpga的雷达接收前端数字调谐装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108535700A (zh) * | 2018-04-04 | 2018-09-14 | 海华电子企业(中国)有限公司 | 基于组网模式的导航雷达收发机装置及其工作方法 |
| CN108594197A (zh) * | 2018-06-27 | 2018-09-28 | 南京理工大学 | 一种地面雷达自适应距离幅度加权系统及方法 |
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- 2016-08-03 CN CN201620831788.5U patent/CN205920220U/zh active Active
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