基于CPCI總線的通用FPGA信號(hào)處理板的設(shè)計(jì)

2 通用FPGA信號(hào)處理板的在某雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用
2．1 通用信號(hào)處理板實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻
數(shù)字下變頻是雷達(dá)信號(hào)處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常采用低通濾波法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻，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。模擬信號(hào)經(jīng)過A／D正交采樣后分別與余弦模塊和正弦模塊進(jìn)行點(diǎn)乘，實(shí)現(xiàn)正交變換，然后I、Q兩路數(shù)據(jù)各自經(jīng)過低通濾波器，最后抽樣輸出。

圖4為數(shù)字下變頻算法的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖，主要分為3模塊：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、FIR模塊和抽樣模塊，其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算，當(dāng)外部數(shù)據(jù)進(jìn)來時(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。

輸入時(shí)寬帶寬積為1 028的線性調(diào)頻信號(hào)，系統(tǒng)實(shí)測I路Q路波形，如圖5所示。

2．2 通用FPGA信號(hào)處理板實(shí)現(xiàn)大時(shí)寬帶寬積數(shù)字脈沖壓縮
數(shù)字脈沖壓縮(Digital Pulse Compression，DPC)處理是指對(duì)雷達(dá)接收機(jī)接收的雷達(dá)回波經(jīng)過A／D采樣后，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理。數(shù)字脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)可分為兩種：時(shí)域法和頻域法。時(shí)域處理是指雷達(dá)回波序列x(n)與匹配濾波器的系數(shù)h(n)做卷積運(yùn)算。此時(shí)匹配濾波器的輸出為

參與脈沖壓縮的信號(hào)和匹配參數(shù)都是復(fù)數(shù)，因而時(shí)域處理是一個(gè)復(fù)數(shù)卷積過程，卷積過程也就是乘一累加(Multiply-Accmulate，MAC)的過程。
對(duì)于脈沖壓縮系統(tǒng)而言，通常需要處理線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)。對(duì)線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號(hào)，其匹配濾波器系數(shù)均可設(shè)計(jì)成對(duì)稱形式，通過使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的FIR濾波器結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)和系數(shù)相乘之前，完成數(shù)據(jù)的相加，乘法的運(yùn)算量減少N／2次，大大節(jié)省了乘法器資源。結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示。

由于FPGA中乘法器資源非常寶貴，為了提高乘法器資源的利用率，采用時(shí)分復(fù)用的方法，考慮只用一個(gè)乘法器，對(duì)其進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。在不需要較高采樣速率的系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)可以做到實(shí)用高的性價(jià)比。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況靈活地選擇乘法器的復(fù)用次數(shù)Ⅳ和采樣頻率。從上次加法運(yùn)算結(jié)束到這次加法運(yùn)算開始的時(shí)間間隔內(nèi)，乘法器應(yīng)完成N次乘法運(yùn)算，也就是實(shí)現(xiàn)了一次卷積運(yùn)算，這樣就只需要一個(gè)乘法器，其時(shí)序關(guān)系，如圖7所示。

時(shí)分復(fù)用結(jié)構(gòu)框圖，如圖8所示。

根據(jù)FPGA的速度等級(jí)和數(shù)據(jù)的采樣頻率，選擇乘法器的復(fù)用次數(shù)為40。利用StratixⅢ的專用增強(qiáng)型鎖相環(huán)(Enhanced PLL)的倍頻功能，生成一個(gè)40倍采樣頻率的時(shí)鐘作為乘法器的時(shí)鐘，使乘法器在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)周期內(nèi)完成40次乘法運(yùn)算。每40階作為一個(gè)乘累加單元，分別處理，最后對(duì)各單元結(jié)果求和。每個(gè)單元使用兩個(gè)40選1的選擇器，一個(gè)選擇參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，另一個(gè)選擇參與運(yùn)算的相應(yīng)匹配系數(shù)，數(shù)據(jù)和系數(shù)同時(shí)送到乘法器內(nèi)，完成運(yùn)算后，送到累加器中，每完成40次乘法，鎖存累加結(jié)果yk(n)，各級(jí)的yk(n)相加，得到最終的脈壓結(jié)果y(n)。通過時(shí)分復(fù)用技術(shù)，乘法器的數(shù)量只需原來的1／40。