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基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究(1).pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究(1)pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含南京航空航天大学博士学位论文基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究姓名:王旭东申请学位级别:博士专业:通信与信息系统指导教师:刘渝南京航空符等。

南京航空航天大学博士学位论文基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究姓名:王旭东申请学位级别:博士专业:通信与信息系统指导教师:刘渝南京航空航天大学博士学位论文i摘要随着信号处理技术的进步和电子技术的发展雷达信号侦察接收机逐渐从模拟体制向数字体制转变。软件无线电概念的提出促使雷达侦察接收机朝大带宽、全截获方向发展现有的串行信号处理体制已经很难满足系统要求。FPGA器件的出现为实现宽带雷达信号侦察数字接收机提供了硬件支持。本文结合FPGA芯片特点在前人研究基础上从算法和硬件实现两方面对雷达信号侦察数字接收机若干关键技术进行了研究和创新主要研究内容包括以下几个方面。)给出了基于QuartusIIMatlab和ISEModelSimMatlab的两种FPGA设计联合仿真技术。这种联合仿真技术大大提高了基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机的设计效率。)给出了一种基于FFTIFFT的宽带数字正交变换算法并将该算法在FPGA中进行了硬件实现设计可对MHz带宽内的输入信号进行实时正交变换。)提出了一种全并行结构FFT的FPGA实现方案并将其在FPGA芯片中进行了硬件实现设计能够在一个时钟周期内完成点并行FFT运算满足了数字信道化接收机对数据处理速度的要求。)提出了一种自相关信号检测FPGA实现方案通过改变FIFO长度改变自相关运算点数实现了弱信号检测。提出通过二次门限处理来消除检测脉冲中的毛刺和凹陷降低了虚警概率提高了检测结果的可靠性。)在单通道自相关信号检测算法基础上提出采用三路并行检测每路采用不同的相关点数和检测门限再综合考虑三路检测结果得到最终检测结果。给出了算法FPGA实现过程并对设计进行了联合时序仿真提高了检测性能。)给出了一种利用FFT变换后的两根最大谱线进行插值的快基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究ii速高精度频率估计方法并将该算法在FPGA硬件中进行了实现。通过利用FFT运算后的实虚部最大值进行插值降低了硬件资源消耗、缩短了运算延迟。)结合)、)、)中的研究成果完成了对雷达脉冲信号到达时间、终止时间、脉冲宽度和脉冲频率的估计最终在一块FPGA芯片内实现了一个精简的雷达信号侦察数字接收机并在微波暗室中进行了测试。关键词:雷达信号侦察、数字接收机、FPGA、信号检测、正交变换、频率估计、FFT南京航空航天大学博士学位论文iiiAbstractAsthedevelopmentofsignalprocessingandelectronictechnology,thesystemofradarsignalreconnaissancereceiverhasbeenchangedfromanalogtodigitalTheemergenceofsoftwareradioconceptpromptsthedevelopmentofwidebandandfullinterceptionofradarreconnaissancePresentserialsignalprocessingstructurewasdifficulttomeetthesystem’srequirementsHowever,theinventionofFPGAdevicemakesitconvenienttorealizesuchawidebandradarsignalreconnaissancedigitalreceiverAccordingtothecharacteristicsofFPGAchip,severalnovelalgorithmsandhardwareimplementationtechnologiesofradarsignalreconnaissancedigitalreceiverhavebeenresearched,whichwerebasedonthepreviousresearchachievementsofourgroupThemaincontentsandinnovationsofthisdissertationwerefollowing)Twokindsofcosimulationtechnologies,suchasMatlabQuartusIIandISEModelSimMatlab,werepresentedtoimplementFPGAThedesignefficiencyofradarsignalreconnaissancereceiverusingFPGAcouldbeimprovedgreatlybythesecosimulationmethods)AwidebanddigitalInphaseQuadrature(IQ)transformationalgorithmbasedonFFTIFFTwaspresentedAndthenitwasimplementedinFPGAThisdesigncancompletearealtimecontinuousIQtransformationofheinputdatawithMHzbandwidth)AfullparallelFFTarithmeticanditsimplementationinFPGAwerepresentedThetotalpointsFFTcomputationcouldbeaccomplishedwithinonlyoneclockcycleTheoperationspeedcanmeettherequirementofthechannellizeddigitalreconnaissancereceiver基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究iv)AselfcorrelationsignaldetectionalgorithmanditsimplementationinFPGAwerepresentedBymodifyingtheFIFOdepth,thelengthofselfcorrelationcanbealteredconveniently,whichcouldbeusedtodetectweaksignalThethornsandprotuberancesappearedwhiledetectingradarpulsewouldbeeliminatedthroughsettingthesecondthresholdTheprobabilityoffalsealarmisreducedandthereliabilityofdetectionresultimproved)AeffectivemultichannelselfcorrelationsignaldetectionalgorithmwasproposedThebasicstructureofthisalgorithmincludedthreechannelsEachchannelwasanindependentselfcorrelationcellwithdifferentcorrelationlengthanddetectionthresholdThroughcombiningthedetectionresultsofthreeindependentchannels,finaldetectionresultwasgivenTheimplementationprocedureofthisalgorithminFPGAwaspresentedThecosimulationresultsshowedthatthesignaldetectioncapabilitycanbeimprovedgreatly)Afastandaccuratefrequencyestimationmethod,whichwasderivedbyinterpolatingbetweentwomaximumFFTcoefficients,waspresentedThenitwasimplementedinFPGAchipInordertoreduceoperationdelayandsavehardwareresources,onlyrealorimagepartofthetwomaximumFFTcoefficientswereusedwhenimplementingthisalgorithminFPGA)Summarizingtheresultspresentedabove,aradarsignalreconnaissancedigitalreceiverwasimplementedinasingleFPGAchipThecapabilitiesofinterceptingradarsignal,estimatingarrivingtime,terminativetime,pulsewidthandpulsefrequencycanbeobtainedbythissinglechipreceiveratrealtimeFinally,thereceiverwastestedinmicrowavedarkroomKeywords:radarsignalreconnaissance,digitalreceiver,FPGA,signaldetection,IQtransformation,frequencyestimation,FFT基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究viii图表清单图信道化接收机原理图图超外差接收机原理图图FIR算法结构图图滤波运算示意图图查找表FIR算法原理图图查找表结构FIR顶层模块图图MegaWizard界面图图滤波器仿真波形图图理论结果(Matlab输出)图QuartusII输出结果图常规数字正交变换法图直接采样数字正交变换法框图图直接采样数字正交变换信号频谱示意图图H(Z)结构图图简化后的H(Z)结构图图直接采样数字正交变换Matlab仿真结果图正交变换模块内部结构图图rdcontr模块内部结构图图I通道内部结构图图输入信号波形图图正交变换FPGA仿真波形图正交变换QuartusII输出结果图基于FFTIFFT的数字正交变换原理图图正交变换算法仿真频域图图正交变换算法仿真时域图图用FFT实现IFFT框图图系统FPGA硬件实现整体结构图图ModelSim时序仿真波形南京航空航天大学博士学位论文ix图ModelSim时序仿真数据的Matlab分析图后置抽取器的滤波器组示意图图基于多相滤波结构的信道化接收模型图原型滤波器频率响应图图原型滤波器时域频域特性图图多相滤波信道化接收机的幅频特性图各通道输出结果图通道输出结果图通道输出结果图通道输出结果图基于FFTIFFT的信道化接收技术原理框图图STFT后输出结果图不同信道输出结果图IFFT复原后输出信号图LMF信号STFT变换后结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图信道~输出结果图IFFT复原后的LFM信号图基时间抽取全并行FFT算法结构图图FPGA实现顶层模块图图蝶形模块输入输出管脚图图蝶形模块内部结构图图信号时频域图(无噪声)图联合仿真结果(无噪声)图输出结果比较(无噪声)图信号时频域图(有噪声)基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究x图联合仿真结果(有噪声)图输出结果的比较(有噪声)图接收脉冲时域图图自相关运算后的模值输出图自相关信号检测算法硬件实现原理图图自相关信号检测模块内部结构图图contr模块内部结构图图sum模块内部结构图图自相关信号检测算法的理论结果图自相关信号检测模块FPGA波形输出图信号自相关检测的FPGA设计结果图多通道自相关检测结果(dB)图“梯形修正”法则示意图图多通道加“二次门限”前后检测结果(dB)图多通道自相关检测结果(dB)图多通道加“二次门限”前后检测结果(dB)图系统FPGA实现顶层模块图图系统FPGA布局布线后仿真波形图双线幅度法示意图图均方根误差(dB)图均方根误差(dB)图均方根误差(dB)图采用FFT实虚部结果(dB)图频率估计算法比较(sffN=)图频率估计算法比较(sffN=)图MRifeRI算法FPGA实现RTL图图MRifeRI算法FPGA时序仿真波形图MRifeRI算法FPGA时序仿真波形(局部放大)图系统整体结构图系统RTL结构图图串并转换模块原理图图串并转换模块时序图承诺书本人郑重声明:所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知除文中已经注明引用的内容外本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。作者签名:日期:南京航空航天大学博士学位论文第一章绪论研究背景及意义本研究课题来自电子侦察领域对雷达信号侦察的理论和工程需求。雷达信号侦察系统数字化是国内外电子侦察领域研究的热点问题之一具有重大理论和实用价值,。军事的需要推动了科技的发展同样科技的发展也被最先运用到军事上。随着电子科学的发展特别是数字信号处理理论及相关技术的进步军队的信息化程度得到迅猛发展雷达信号侦察接收机得到了广泛应用和发展,,。然而这种发展也绝对不是单方面的正所谓“道高一尺魔高一丈”雷达技术也在不断地进步和发展。电子侦察特别是雷达侦察无论在战时还是和平时期都具有重大而深远的意义,。在战争时期通过对敌方雷达的侦察不仅可以确知来敌类型、多寡、武器配备等重要信息而且可为我方实行有效的电子干扰给以支援在和平时期雷达侦察作为收集敌方情报的一种重要途径而被广泛应用于各国情报部门。因此研究高灵敏度、大带宽、实时性能高的电子侦察数字接收机已引起国内外电子对抗界广泛重视,。一般来说雷达信号侦察接收机大体上可分为三代。第一代为瞬时测频接收机只能截获雷达信号的载频信息而且精度不高但是由于其特有的快速截获特性现今仍然在使用。第二代接收机采用超外差式接收结构将混频后的信号通过带通滤波在中频进行AD采样然后采用数字信号处理技术对侦收带宽内的雷达信号进行处理可以获得雷达信号的细微特征。但是其中频带宽一般为几十MHz无法处理大带宽的脉冲压缩信号(如LFM信号)限制了其在工程实践中的应用。由于低截获概率雷达技术的出现使得侦察接收机所截获信号的功率大大降低雷达信号脉内调制的出现使其带宽变得很宽所以必须研究在低信噪比条件下对宽带雷达基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究信号的处理技术。这就是方兴未艾的第三代雷达信号侦察数字接收机也是本文研究的重点。随着AD采样技术的快速发展其采样速率已从MHz级提高到GHz级几乎可以满足对射频宽带信号的直接采样了。然而数字信号处理芯片的处理速度却远远满足不了如此高的数据采样速率。这主要是由于通用的数字信号处理芯片采用的是串行处理的方式虽然采用了超级哈佛曼结构但是在同一时间仍然只有一个CPU在工作所以即使是主频达到GHz级的高端DSP芯片也不能满足在电子对抗领域对数据处理的实时性要求。为此必须考虑新的数字信号处理体系结构。本文研究了一种以超大规模集成电路FPGA(现场可编程逻辑门阵列)为平台的新型雷达信号侦察数字接收机。通过对雷达信号侦察处理算法进行深入研究使其能够在FPGA硬件上以并行流水的方式实现通过充分利用大规模FPGA芯片内部的存储器资源、硬件乘法器资源和逻辑模块资源构建大规模并行流水形式的硬件系统结构使得侦察接收机能够在低信噪比的条件下对雷达信号进行实时检测和频率测量实时的给出信号到达时间、终止时间、脉冲宽度和脉冲频率。在一块FPGA芯片中实现了传统模拟雷达信号侦察接收机的绝大部分功能。这种基于大规模可编程逻辑门阵列的雷达信号侦察数字接收机不仅可以替代传统模拟接收机的信号截获功能而且为各种基于数字方法的脉内特征分析算法提供了硬件实现验证平台对雷达信号侦察接收机的数字化、小型化具有重要意义。国内外研究现状国外从上世纪九十年代初已开展雷达信号侦察数字接收机方面的研究工作但是由于雷达信号侦察技术属于各国重点保护的军事机密对他们在这方面的研究细节不甚清楚。我们很难从公开发表的文献资料中确知国外现有的研究水平。从一些零星发表的技术报告和研究论文中可以推断国外雷达信号侦察数字接收机研究正随着模数变换(ADC)和数字信号处理技术的进步而快速发展。目前正在向全频段(GHz~GHz)截获、信道化接收等技术方向南京航空航天大学博士学位论文发展。文献介绍了上世纪年代国外雷达对抗侦察设备的发展情况。对电子侦察中最常用的瞬时测频和超外差接收机的技术发展状况进行了重点介绍。指出国外雷达对抗侦察设备已经从简单的视频信号直接检测式侦察设备发展到先进的由多种接收体制组成的使用微处理机和计算机控制的综合雷达对抗侦察设备。文献通过对以色列的实地考察介绍了该国各种电子支援侦察设备。重点介绍了该国电子支援接收机所采用的体制和信号处理技术以及无源测向技术。指出通过采用窄带瞬时测频接收机加超外差接收机的接收体制有利于稀释进入接收机的信号密度确保信号的正确分选也有利于获得较高的测频精度能够满足多种要求包括脉内特征分析也降低了接收机体积、重量和成本与国内普遍追求的宽开接收体制有很大不同值得我们借鉴。文献介绍了数字信道化瞬时测频接收机的基本概念对同一信道内的双音正弦信号的频率估计问题进行了讨论并将估计结果与克拉美罗界(CRB)进行了比较。文献介绍了下一代宽带电子侦察数字接收机的体系结构分析了数字信道化接收机相对模拟信道化接收机的诸多优点。指出通过应用数字方法利用多相滤波进行频域信道化与传统的用模拟滤波器组实现的信道化相比能够大大减小系统体积、重量和功耗。文献分析了电子战数字接收机的灵敏度。指出当接收机的带宽与接收信号的脉宽相匹配时可以获得最好的灵敏度。然而由于电子侦察接收机输入信号的非合作性特点使得接收信号的脉冲宽度往往是不确定的因此接收机的带宽不可能始终与信号的脉宽相匹配为此该文提出通过不同长度FFT的并行处理来匹配输入信号以获得准最佳的接收机灵敏度。国内在雷达信号侦察数字接收机方面的研究方兴未艾近年来相关高校和科研院所开展了许多卓有成效的研究。文献从引导式接收、数字信道化接收两个方向对宽带数字接收机实现方案进行了讨论。利用带通采样和数字下变频技术实现了对宽带雷达信号的截获与处理。文献介绍了不同体制的雷达和通信侦察接收机重点叙述了国内外通信侦察接收机的现状及发展趋势。指出研制混合式接收机采用数字化处理技术和计算机技术提高设备基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机关键技术研究的自动化程度对适应复杂的信号环境非常重要提出未来的信号情报系统接收机不应是单一体制的系统而必须是计算机控制的综合体制的新系统。集多种接收机的优点于一体形成一种混合的接收方法成为一种比较理想的信号情报接收系统。文献主要讨论了超宽带侦察接收机的信道化实现方案重点研究分析了频段折叠信道化技术。文献研究了引导式宽带数字接收机实现数据率转换的有效方法通过带通采样和数字下变频降低了对后续数据处理速度的要求给出了在一定信噪比和短数据长度条件下的快速频率估计方法。文献以脉冲编码

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