基于FPGA的數(shù)據(jù)采集板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集板作為雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中的接收前端,必須面對(duì)越來(lái)越高的要求,為后續(xù)信號(hào)處理提供可靠的保證。將數(shù)據(jù)采集板獨(dú)立設(shè)計(jì)提高了通用性,降低了系統(tǒng)的研制時(shí)間,因此成為雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。采用ADC和FPGA設(shè)計(jì)了基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集板,實(shí)現(xiàn)了8路信號(hào)同時(shí)中頻采樣及處理,并已應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集板;ADC;FPGA;CPCI
The Design and Realization of the Data Sampling Board
Abstract:
With the development of modern radar,the data sampling board used as the receiver of a system of radar signal processing must face the increasingly high requirements,and guarantee the reliability of posterior signal processing.The data sampling board is designed specially,which improves the generality and shortens the time for design,so that it has become the development trend of signal processing system design.This paper adopts FPGA and ADC to design a data sampling board for signal processing based on the CPCI Bus,which accomplishes eight channels of IF signal sampling and processing,and has been used in some radar systems.
Keywords: data sampling board;ADC;FPGA;CPCI
隨著先進(jìn)雷達(dá)功能多樣化、復(fù)雜化, 要求研制、裝備周期越來(lái)越短, 有必要設(shè)計(jì)一種通用性強(qiáng)、功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集板, 以支持雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的需要, 這無(wú)論是在硬件還是軟件編程的實(shí)現(xiàn)方面, 都為其可通用性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)上, 近些年來(lái), 一改以往傳統(tǒng)的模擬處理方法, 多采用數(shù)字中頻正交采樣技術(shù), 這種做法直接對(duì)模擬中頻信號(hào)進(jìn)行單路采樣, 再以一定方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻, 得到所需的兩路正交信號(hào)。由于兩路信號(hào)是經(jīng)數(shù)字處理得到的, 因此可以達(dá)到較高的精度,兩路正交信號(hào)的幅度和相位一致性都較好。
文中所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)正是基于上述幾點(diǎn)應(yīng)用而生的, 采用的核心器件是Analog Devices公司的A /D芯片和Altera 高端高密度、低功耗、低成本的FPGAStratix II, 設(shè)計(jì)了基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集板, 實(shí)現(xiàn)了單板8路信號(hào)的中頻采樣及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理, 并在某雷達(dá)系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以同時(shí)接收8 路中頻模擬信號(hào), 并在FPGA中同時(shí)對(duì)8路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行下變頻處理, 得到所需要的檢波信號(hào), 然后送往后端繼續(xù)進(jìn)行處理。實(shí)際硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中, 系統(tǒng)大致可分為模擬和數(shù)字兩部分, 模擬部分實(shí)現(xiàn)中頻采樣, 核心器件采用的是AD6645ASQ; 數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻(DDC) ,通過(guò)FPGA (EP2S60)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
模擬部分選用美國(guó)Analog Devices公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD6645ASQ, 它是一個(gè)完整的14 位集成ADC, 功耗115 W, 芯片結(jié)構(gòu)采用的是串/并行編碼相結(jié)合的方法, 兼顧速度與成本, 其主要特性在于:中頻采樣最高能到200MHz; 輸入時(shí)鐘和模擬信號(hào)都采用差分電平格式, 降低了干擾; 器件信噪比高; 而且其工作溫度范圍(環(huán)境) : - 40～ + 85°C[ 7 ] , 能夠滿足一般雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度要求 。數(shù)字部分選用的是Altera 公司采用112 V,90 nm, 9層金屬走線、全銅SRAM工藝制造的中高端FGPA產(chǎn)品Stratix II系列的
圖1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)
2 數(shù)字正交采樣在數(shù)據(jù)采集板上的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
211 數(shù)據(jù)采集板中頻采樣的實(shí)現(xiàn)一個(gè)中頻窄帶信號(hào)可以表示為
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30MHz的線性調(diào)頻信號(hào), 設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)M 值取為2,則時(shí)鐘設(shè)計(jì)所定的fs = 40 MHz, 通過(guò)FPGA實(shí)測(cè)得到中頻采樣數(shù)據(jù), 如圖2所示。
圖2 FPGA實(shí)測(cè)中頻采樣數(shù)據(jù)
2 12 數(shù)據(jù)采集板數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)
對(duì)中頻實(shí)信號(hào)進(jìn)行采樣后, 下一步是進(jìn)行數(shù)字混頻和濾波處理, 使信號(hào)變?yōu)榱阒蓄l正交信號(hào)(零中頻正交信號(hào)即是回波信號(hào)的復(fù)包絡(luò), 包含了回波的所有有用信息) , 即為數(shù)字下變頻, 其作為雷達(dá)信號(hào)處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一, 這里采用低通濾波法來(lái)實(shí)現(xiàn), 低通濾波法包括正交插值、低通濾波和抽樣3個(gè)部分。數(shù)字下變頻的算法框圖, 如圖3所示。
圖3 數(shù)字下變頻算法框圖
相比于傳統(tǒng)的模擬處理方法, 本方法從根本上解決I, Q兩路正交誤差和幅度不平衡, 提高了鏡頻抑制比。
其中混頻, 即點(diǎn)乘的實(shí)現(xiàn), 根據(jù)中頻帶通采樣定理有
這是以{1, 0, - 1, 0}和{0, 1, 0, - 1}為周期循環(huán)的兩個(gè)序列。當(dāng)外部數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)時(shí)根據(jù)不同時(shí)刻輸出不同的數(shù)據(jù), 主要包括原值、原值取反和0。其FPGA實(shí)現(xiàn)電路, 如圖4所示。
圖4 數(shù)字混頻的FPGA實(shí)現(xiàn)電路
在整個(gè)正交相干檢波過(guò)程中, 除了ADC的量化影響外, 整個(gè)正交檢波系統(tǒng)的性能, 由低通濾波器的設(shè)計(jì)決定。由于鏡頻分量處于濾波器的阻帶, 因而阻帶衰減決定了鏡頻的抑制程度。文中采用的低通濾波器為24階F IR濾波器, 其阻帶衰減> 70 dB鏡頻分量得到了較好的抑制 。24階FIR濾波器的頻率特性, 如圖5所示。
輸入時(shí)寬帶寬積為55的線性調(diào)頻信號(hào), 實(shí)測(cè)的I路與Q路波形, 如圖6所示。
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把實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)到Matlab進(jìn)行分析, 得到鏡頻抑制比滿足系統(tǒng)的要求, 如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 低通濾波法頻率歸一化后的鏡頻抑制比數(shù)據(jù)采集板實(shí)物圖, 如圖8所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)的基于CPCI總線的數(shù)據(jù)采集板, 8路信號(hào)同時(shí)采集并處理, 兼?zhèn)鋸?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是數(shù)字正交采樣, 無(wú)論是中頻采樣, 還是數(shù)字下變頻, 都有一定的通用性, 在以后類似的應(yīng)用中, 無(wú)需重新設(shè)計(jì), 只需通過(guò)資源分配和算法的再實(shí)現(xiàn), 足以達(dá)到預(yù)期的效果, 保證可靠性的同時(shí)也大大的縮短了研制周期。
圖8 數(shù)據(jù)采集板實(shí)物圖
實(shí)時(shí)性。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是數(shù)字正交采樣, 無(wú)論是中頻采樣, 還是數(shù)字下變頻, 都有一定的通用性, 在以后類似的應(yīng)用中, 無(wú)需重新設(shè)計(jì), 只需通過(guò)資源分配和算法的再實(shí)現(xiàn), 足以達(dá)到預(yù)期的效果, 保證可靠性的同時(shí)也大大的縮短了研制周期。
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