基于FPGA和DSP的船舶导航雷达数字信号处理机的设计与实现

摘要

雷达的发明大大扩展了人们对周围环境和事物的观测能力，被广泛应用在各种领域，船舶导航雷达作为雷达在航海交通上的一种应用，其发展已有几十年的历史，是各种航海船舶必备的导航设备。
　　随着雷达技术的不断提高，从传统的模拟雷达发展到现代的数字化雷达。利用数字处理技术使得雷达信号处理变得更加简易、灵活和高效，大大提高了雷达对目标的探测性能，在现代数字雷达中，数字信号处理机已成为整个雷达系统的关键部分，其性能直接决定了雷达的技术水平。
　　本文设计并实现了一种基于FPGA和DSP的船舶导航雷达数字信号处理机。文章首先研究了船舶导航雷达的系统结构和工作原理，然后重点分析讨论了船舶导航雷达信号处理机的设计方案，详细给出了信号处理机的硬件电路和软件算法设计。本设计的硬件系统主要包括AD采样电路、FPGA电路、DSP电路、外部存储器电路、以太网通信电路以及电源、时钟等辅助电路。软件部分包括雷达中频信号的采集、数字下变频处理、同频干扰抑制、回波脉冲积累、以太网通信以及FPGA与DSP的数据传输，本文还通过MATLAB和Modelsim等软件对所讨论的算法和程序进行了仿真验证和硬件测试，最后对整个船舶导航雷达信号处理系统进行了外场测试和性能分析。
　　测试结果表明，本文设计的船舶导航雷达数字信号处理机硬件电路工作正常，系统能够有效的采集数据，对数据进行处理并通过以太网实现数据传输等功能，符合设计要求，达到了预期目标，具有较高的应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究状况

1．3 本文的主要工作

第二章 船舶导航雷达信号处理机总体方案

2．1 船舶导航雷达基本工作原理

2．2 船舶导航雷达信号处理机设计分析

2．3 系统总体方案设计

2．3．1 系统工作流程

2．3．2 系统结构框图

2．3．3 系统主要技术指标

2．3．4 关键器件选型

第三章 船舶导航雷达信号处理机硬件设计

3．1 船舶导航雷达信号处理机硬件结构

3．2 A／D采样模数转换电路设计

3．3 雷达信号处理FPGA模块电路设计

3．3．1 配置电路

3．3．2 PLL和IO供电电路

3．3．3 时钟电路

3．3．4 外接存储器电路

3．3．5 以太网控制电路

3．4 雷达信号处理DSP模块电路设计

3．4．1 复位电路

3．4．2 外扩FLASH存储器和SDRAM存储器电路

3．4．3 时钟电路

3．4．4 JTAG仿真接口电路

3．4．5 DSP与FPGA通信接口电路

3．5 电源模块设计

3．6 电路板PCB设计与基本测试

3．6．1 多层PCB板的设置

3．6．2 电路板电气设计

3．6．3 电路板基本测试

第四章 船舶导航雷达信号处理相关理论论证

4．1 中频信号数字化接收处理

4．1．1 中频数字化系统基本结构

4．1．2 带通信号采样定理

4．1．3 数字混频正交变换

4．1．4 数字低通滤波器

4．1．5 整数倍抽取

4．2 雷达同频干扰抑制

4．2．1 同频干扰的概念

4．2．2 同频干扰信号的特征

4．2．3 同频干扰抑制处理

4．3 雷达回波脉冲积累理论

第五章 船舶导航雷达信号处理机软件设计

5．1 船舶导航雷达信号处理机软件结构

5．2 基于FPGA的信号采样控制

5．3 基于FPGA的DDC设计‘实观

5．3．1 NCO的设计

5．3．2 数字混频的实现

5．3．3 FIR滤波器的实现

5．3．4 CIC抽取滤波器实现

5．3．5 CIC补偿滤波器实现

5．3．6 雷达回波幅值和相位信息提取

5．4 基于FPGA的雷达同频干扰抑制实现

5．4．1 数据存储模块

5．4．2 卷积计算模块

5．4．3 干扰抑制模块

5．5 基于FPGA的雷达脉冲积累实现

5．6 基于FPGA的以太网通信实现

5．7 DSP与FPGA的通信实现

第六章 系统测试与分析

6．1 算法模块的仿真验证

6．2 系统各功能模块实测

6．2．1 AD采样测试

6．2．2 以太网通信实验

6．2．3 DSP与FPGA通信实验

6．3 船舶导航雷达整机测试

6．4 系统资源占用分析

总结与展望

参考文献

致谢

作者简介

附录