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CN119148122A - 基于fpga的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置 - Google Patents

基于fpga的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置 Download PDF

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CN119148122A
CN119148122A CN202411206865.3A CN202411206865A CN119148122A CN 119148122 A CN119148122 A CN 119148122A CN 202411206865 A CN202411206865 A CN 202411206865A CN 119148122 A CN119148122 A CN 119148122A
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，优化了FPGA相关计算算法流程，旨在解决传统相关检测法的低效率、高延迟问题，本发明使用基于FPGA的发送端和接收端，采用模块化流水线结构，在发送端进行信号LFM‑MSK信号调制，接收端进行LFM‑MSK信号的同步与解调，在雷达跟踪信号检测部分，采用并行计算的算法结构，计算速度较传统的相关检测法提高了数倍，在不影响计算精度的同时，大幅度减少了信号同步所需时间。本发明可广泛应用于雷达通信技术领域，为雷达通信系统提供高效的性能支持。

Description

基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置。
背景技术
在雷达应用中，实时准确地检测并获取接收信号的到达时刻是一个关键课题。雷达只有正确地检测到接收信号的到达时刻，才能做到对接收信号完整地接收，不漏掉有用信息。对于各种雷达系统，尤其是高精度和高实时性应用场景，如军事雷达、航空管制雷达和气象雷达等而言，高效的雷达信号检测算法尤为重要。
现有的雷达信号检测方法主要包括频域检测方法和时域检测方法。频域检测方法涉及傅里叶变换和傅里叶逆变换，计算量大，时间延迟显著，并且消耗大量硬件资源，不利于硬件FPGA的实现，因而不适用于实时信号检测。
相比之下，时域检测方法利用雷达信号本身的频率特征，在本地产生与雷达信号相同的参考信号，通过两信号在时域上的相关累加使脉冲信号的能量不断累加，最终出现峰值，从而确定信号的到达时刻和结束时刻。这种方法具有较低的计算复杂度和较小的硬件资源消耗，更适合于实时性要求高的雷达系统。
相关检测法作为时域检测方法中的一种重要技术，通过计算接收信号和已知参考信号之间的相关性来检测目标信号。其基本原理是利用已知参考信号与接收信号之间的相似性，通过计算它们的相关函数，来判断接收信号的到达时刻。具体步骤如下：
对接收信号进行滤波和去噪处理，以减少噪声和干扰的影响；
将接收信号与已知的参考信号进行相关运算，得到相关函数，反映信号在不同时间延迟下的相似程度；
寻找相关函数中的峰值，峰值的位置和高度分别反映信号的到达时间和强度；
根据相关函数的分析结果，判断是否存在目标信号。如果相关函数中存在显著峰值，表明在该延迟下存在与参考信号相似的接收信号，可能对应于目标回波信号。
尽管相关检测法在硬件领域相较于频域检测方法具有明显优势，并已在实际应用中得到广泛运用，但现有的相关检测法计算效率依然较低，时间延迟较高。为了解决上述问题，提高雷达信号检测的实时性和准确性，提出了快速同步检测算法。该算法通过优化相关计算和信号处理流程，实现更高效的信号检测和同步，可以显著提高雷达信号检测的实时性和准确性，为雷达系统的高效运行提供保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的线性调频快速同步法的通信系统，包括基于FPGA的LFM-MSK信号发生端，用于模拟雷达信号输出，以及基于FPGA的LFM-MSK信号接收端，用于验证雷达信号的同步解调效果；
所述基于FPGA的LFM-MSK信号发生端包括码元生成模块、LFM-MSK信号调制模块和射频模块；码元生成模块用于将信息源进行二进制编码调制，所述编码调制包括差分编码以及串并转换；LFM-MSK信号调制模块用于将码元调制模块输出的信号处理为频移最小、相位连续、载波频率线性变化并且携带信息的数字信号；射频模块包括滤波器模块、DAC模块、天线模块，负责将数字信号转变为无线电形式；
所述基于FPGA的LFM-MSK信号接收端包括无线信号接收端包括射频接收模块、基于FPGA的雷达信号检测模块、相干解调模块、差分解码模块；所述射频接收模块用于将无线电信号转变为数字信号；基于FPGA的雷达信号检测模块得到载波同步信息；所述相干解调模块负责进行去载波同步以及MSK解调过程，采用相干平方环解调法，将包含载波的数字信号解调为位宽为一的二进制信号；通过所述差分解码模块，对二进制信号进行解码，得到最终的源码信息。
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
(1)在雷达信号检测部分，采用并行计算的算法结构，计算速度较传统的相关检测法提高了数倍，在不影响计算精度的同时，大幅度减少了信号同步所需时间；
(2)并行参数可调节，可以根据实际需求增加并行结构数量提高运行速度，或减少并行结构数量降低功耗，自由度极高，可充分利用FPGA内部资源；
(3)本发明可广泛应用于雷达通信技术领域，为雷达通信系统提供高效的性能支持。
附图说明
图1为通信系统整体结构图。
图2为源码信号与正交两路信号转换关系图。
图3为LFM-MSK信号生成原理图。
图4为数字信息调制过程的FPGA实现结果图。
图5为I路和Q路的最终信号图。
图6为雷达信号检测模块结构图。
图7为雷达信号检测模块仿真测试结果。
具体实施方式
目前，尽管相关检测法已在实际雷达系统中得到运用，并且在硬件领域相较于频域检测方法已经具有明显优势，但现有的相关检测法计算效率依然较低，时间延迟较高。为了解决上述问题，提高雷达信号检测的实时性和准确性，提出了快速同步检测算法。该算法通过发挥FPGA的并行处理特性，优化相关计算和信号处理流程，将线性计算优化为“面”计算，更高效地实现信号检测和同步，可以显著提高雷达信号检测的实时性和准确性，旨在解决传统相关检测法的低效、延迟严重问题，为雷达系统的高效运行提供保障。
本发明优化了FPGA相关计算算法流程，设计了一种基于FPGA的快速雷达信号检测与数据通信装置，旨在解决传统相关检测法的低效、延迟严重问题。
所述通信装置如图1所示，包括基于FPGA的线性调频(LFM)—最小频移键控(MSK)信号发生端，用于模拟雷达信号输出，以及基于FPGA的LFM-MSK信号接收端，用于验证雷达信号的同步解调效果。
所述基于FPGA的LFM-MSK信号发生端包括基于FPGA的码元生成模块、LFM-MSK信号调制模块和射频发射模块。
通过所述FPGA码元生成模块，将待传输数据通过特定规则以2进制进行差分编码，并进行串并转换；
所述差分编码的目的是解决信号接收端对调制信号进行载波恢复时产生的相位模糊问题。
进一步地，所述差分编码表达式为：
其中，ak为数据源码第k位，bk为ak经过差分编码后的数据。
所述串并转换是将差分编码后的输出信号用串/并转换器分成I、Q两路，并且相互交错一个码元宽度Tb，图2对差分编码及串并转换规则进行了举例说明。
通过所述LFM-MSK信号调制模块，将码元调制模块输出的信号处理为频移最小、相位连续、载波频率线性变化并且携带信息的数字信号，图3展示了LFM-MSK信号生成过程原理图。
所述LFM-MSK信号调制模块首先对差分编码后的两路数据分别使用DDS生成的加权函数进行加权处理；
所述加权函数分别表示为：
其中，t为时间，Tb为码元周期；
每个码元的周期内只有半周期的载波信号，当发送数据为0时则信号的相位发生180度的偏转，为1时则信号的相位不变。载波相位的这种变换就携带了数字信号。图4给出了数字信息调制过程的FPGA实现结果，其中，msk_i是I支路经过调制后的结果，msk_q是Q支路经过调制后的结果。
对两路加权后的信号分别使用线性调频正交载波信号cos(ωct+πμt2)和sin(ωct+πμt2)进行调制并叠加。
其中，ωc为初始载波频率，μ为线性调频系数，表示为线性调频信号的频率变化率。
所述调制后的信号即是携带码元信息的LFM-MSK信号，其表达式SLFM-MSK为：
其中，Ik，Qk∈{±1}且带有码元信息。
与载波信号相乘的最终信号如图5所示，其中msk_lfm_i是I支路调制的最终信号，其中msk_lfm_q是Q支路调制的最终信号。
所述射频发射模块的滤波器模块、DAC模块、天线模块属硬件电路部分，负责将数字信号转变为无线电形式。
所述基于FPGA的LFM-MSK信号接收端包括射频接收模块，基于FPGA的雷达信号检测模块、相干解调模块、差分解码模块；
所述射频接收模块的天线模块、ADC模块、滤波器模块属硬件电路部分，负责将无线电信号转变为数字信号。
通过所述天线模块，可以接收到空间中的无线电信号，并以模拟信号的形式发送给ADC模块；
通过所述ADC模块，将模拟信号转化为数字信号，数字信号经过滤波器模块抽取滤波，发送给FPGA进行信号处理。
所述基于FPGA的雷达信号检测模块采用相关检测法，相关检测法的基本原理是利用已知参考信号与接收信号之间的相似性来检测目标信号，算法基于信号之间的相关函数计算，相关函数反映了信号在不同时间延迟下的相似程度。
对于一个雷达系统，本地参考信号s(t)和接收信号r(t)之间的相关函数定义为：
由于FPGA接收到的信号是基于时钟的、离散的、有限长度数字信号，于是在数字电路系统中，将连续信号s(t)与r(t)分别替换为长度为N的离散信号x(n)与y(n)，则上式变为
所述雷达信号检测模块以上式算法为基础，结构如图6所示，FPGA内部的运算使用以下步骤：
在程序运行之前，使用matlab生成与发射端的载波频率、线性调频系数均相同的线性调频参考信号y(n)，将其存储到FPGA内部rom中；
程序运行开始，系统通过等待启动延时(START_WAIT)进行初始化，以确保所有组件准备好运行。在初始化阶段结束后，输入信号(din)被连续采样并存储在FPGA内部RAM中。确保存储了一段完整的脉冲后，信号输入锁定标志位(din_lock)拉高，运行周期内不再保存输入信号，以防止新数据进入处理流水线。这样可以确保正在处理的数据一致且不会在计算过程中被更改；
在信号输入锁定标志位(din_lock)寄存器变为高电平，输入信号不再更新后，开始从ROM中读取参考信号，从RAM中读取接收信号信息，分别存储到输入信号内存缓冲数组(rec_dat)与参考信号内存缓冲数组(ref_dat)中，数组寄存器的深度等同于参考信号的深度。随后计算所存储的输入信号与参考信号的相关值；每组相关计算使用的输入信号与参考信号数据分别预先加载到另一个数组寄存器中，数组寄存器的深度等同于参考信号的数量；
进行相关计算时，读取了输入信号(rac_dat)与参考信号(ref_dat)的两个数组寄存器首先被等距地分为若干组，不同组的数据使用并行计算，在相同分组内，输入信号(rac_dat)与参考信号(ref_dat)相同地址的数据相乘，相乘的结果与下一个周期的相乘结果进行相加，每个时钟周期依次进行计算，直至每组组内、每个分组的数据均相乘、相加完毕，得到的结果赋给结果数组寄存器(sum_phase)中；
在相乘、相加计算完成后，将每个阶段的结果部分，即结果数组寄存器(sum_phase)每一位的和进一步累加，得到的最终结果就是一组输入数据与参考信号的相关计算结果；
当一组相关计算过程完成后，输入信号寄存器(ram)的读地址增加一位，将读出的新数据放入输入信号数组寄存器中，随后计算新一组数据的相关值，直到处理完整个参考数据集；
与上一组步骤同时，当一组相关计算过程完成后，相关值会输出到峰值检测模块中，峰值检测模块负责对输入的相关值进行判断，保留最大值，当所有输入信号的相关计算全部完成后，输出峰值的地址信息，以获得准确的信号到达时刻与结束时刻；
系统还包括一个模块内部复位机制(rst_internal)，以确保在计算结束时除峰值检测结果外所有组件均恢复到初始状态。一旦存储的外部脉冲信号全部处理完成，触发此复位，确保系统可以在无需外部复位信号的情况下对下一组脉冲进行雷达信号检测；
通过所述雷达信号检测模块，可以准确地得到载波同步信息，仿真测试结果如图7所示，信号发生端载波频率在第8000位开始进行线性调频，图中sum_final信号在第8000位得到了相关计算最大值，并且计算结果明显高于其他位置，这也证明了此算法抗干扰性强的特点。后续在此计算结果基础上进行去载波同步过程，即相干解调过程。
所述相干解调模块，基于得到的载波同步信息，对ADC接收到的LFM-MSK数字信号进行去载波同步以及MSK解调过程，设计采用相干平方环解调法，将包含载波的数字信号解调为位宽为一的二进制信号。
所述解调后的信号经过差分解码模块解码后，即可得到源码信息。差分解码的表达式为：其中，ak为差分编码解码后的第k位，bk为经过解调后得到的差分编码数据。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，包括基于FPGA的LFM-MSK信号发生端，用于模拟雷达信号输出，以及基于FPGA的LFM-MSK信号接收端，用于验证雷达信号的同步解调效果；
所述基于FPGA的LFM-MSK信号发生端包括码元生成模块、LFM-MSK信号调制模块和射频发射模块；码元生成模块用于将信息源进行二进制编码调制，所述编码调制包括差分编码以及串并转换；LFM-MSK信号调制模块用于将码元调制模块输出的信号处理为频移最小、相位连续、载波频率线性变化并且携带信息的数字信号；射频发射模块包括滤波器模块、DAC模块、天线模块，负责将数字信号转变为无线电形式；
所述基于FPGA的LFM-MSK信号接收端包括无线信号接收端包括射频接收模块、基于FPGA的雷达信号检测模块、相干解调模块、差分解码模块；所述射频接收模块用于将无线电信号转变为数字信号；基于FPGA的雷达信号检测模块得到载波同步信息；所述相干解调模块负责进行去载波同步以及MSK解调过程，采用相干平方环解调法，将包含载波的数字信号解调为位宽为一的二进制信号；通过所述差分解码模块，对二进制信号进行解码，得到最终的源码信息。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，FPGA内部的码元生成模块，将待传输数据通过特定规则以2进制进行差分编码，并进行串并转换；
所述差分编码表达式为：其中ak为数据源码第k位，bk为经过差分编码后的数据；
所述串并转换是将差分编码后的输出信号用串/并转换器分成两路，并且相互交错一个码元宽度Tb。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，所述LFM-MSK信号调制模块首先对差分编码后的两路数据分别使用加权函数进行加权处理；所述加权函数分别表示为：其中，t为时间，Tb为码元周期；
对两路加权后的信号分别使用线性调频正交载波信号进行正交调制并叠加；所述线性调频正交载波信号分别表示为：cos(ωct+πμt2)、sin(ωct+πμt2)，其中，ωc为初始载波频率，μ为线性调频系数，表示为线性调频信号的频率变化率；
调制后的信号即是携带码元信息的LFM-MSK信号，其表达式SLFM-MSK为：
其中，Ik，Qk∈{±1}且带有码元信息。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，所述射频接收模块包括天线模块、ADC模块、滤波器模块，负责将无线电信号转变为数字信号；
通过天线模块，接收到空间中的无线电信号，并以模拟信号的形式发送给ADC模块；通过ADC模块，将模拟信号转化为数字信号，数字信号经过滤波器模块抽取滤波，发送给FPGA进行信号处理。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，所述雷达信号检测模块采用相关检测法，FPGA内部的运算包括以下步骤：
在程序运行之前，生成与发射端的载波频率、线性调频系数均相同的线性调频参考信号y(n)，将其存储到FPGA内部；
程序运行开始，系统通过等待启动延时进行初始化，以确保所有组件准备好运行；在初始化阶段结束后，输入信号被连续采样并存储在内存缓冲区中；确保存储了一段完整的脉冲后，信号输入锁定标志位拉高，运行周期内不再保存输入信号；
计算所存储的输入信号与参考信号的相关值；每组相关计算使用的输入信号与参考信号数据分别预先加载到另一个数组寄存器中，数组寄存器的深度等同于参考信号的数量，进行相关计算时，读取了输入信号与参考信号的两个数组寄存器首先被等距地分为若干组，不同组的数据使用并行计算，在相同分组内，输入信号与参考信号相同地址的数据相乘，相乘的结果与下一个周期的相乘结果进行相加，每个时钟周期依次进行计算，直至每组组内、每个分组的数据均相乘、相加完毕，得到的结果赋给结果数组寄存器中；
在相乘、相加计算完成后，将每个阶段的结果部分，即结果数组寄存器每一位的和进一步累加，得到的最终结果就是一组输入数据与参考信号的相关计算结果；
当一组相关计算过程完成后，输入信号寄存器的读地址增加一位，将读出的新数据放入输入信号数组寄存器中，随后计算新一组数据的相关值，直到处理完整个参考数据集；
与上一组步骤同时，当一组相关计算过程完成后，相关值会输出到峰值检测模块中，峰值检测模块负责对输入的相关值进行判断，保留最大值，当所有输入信号的相关计算全部完成后，输出峰值的地址信息，以获得准确的信号到达时刻与结束时刻；
系统还包括一个内部复位机制，以确保在计算结束时除峰值检测结果外所有组件均恢复到初始状态；一旦存储的外部脉冲信号全部处理完成，触发此复位，确保系统可以在无需外部复位信号的情况下对下一组脉冲进行雷达信号检测。
6.根据权利要求1所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，所述相干解调模块，基于得到的载波同步信息，对ADC接收到的LFM-MSK数字信号进行去载波同步以及MSK解调过程，设计采用相干平方环解调法，将包含载波的数字信号解调为位宽为一的二进制信号。
7.根据权利要求1或6所述的基于FPGA的快速雷达跟踪信号检测与数据通信装置，其特征在于，解调后的信号经过差分解码模块解码后，得到源码信息；差分解码的表达式为：其中，ak为差分编码解码后的第k位，bk为经过LFM-MSK解调后得到的差分编码数据。
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