阅读说明：本技术 基于fpga的雷达回波基带信号产生系统及方法 (Radar echo baseband signal generation system and method based on FPGA ) 是由 任煜 吴彬彬 李洪涛 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统及方法,该系统由中频发射信号模块、信号采集模块、回波调制模块和控制模块组成,其中控制模块根据配置的波形参数和运动目标信息对中频发射信号模块和回波调制模块进行控制；中频发射信号模块根据波形参数产生相应的中频发射信号,并输入到信号采集模块；信号采集模块对中频信号进行带通采样和数字下变频形成基带信号；回波调制模块对基带信号进行多普勒调制和距离调制,得到回波基带信号。本发明通过环回的方式在发射信号的基础上叠加运动目标信息,产生雷达回波基带信号,为在室内调试雷达信号处理系统提供了条件。(The invention discloses a radar echo baseband signal generating system and a method based on FPGA, wherein the system consists of an intermediate frequency transmitting signal module, a signal acquisition module, an echo modulation module and a control module, wherein the control module controls the intermediate frequency transmitting signal module and the echo modulation module according to configured waveform parameters and moving target information; the intermediate frequency transmitting signal module generates a corresponding intermediate frequency transmitting signal according to the waveform parameter and inputs the intermediate frequency transmitting signal to the signal acquisition module; the signal acquisition module performs band-pass sampling and digital down-conversion on the intermediate-frequency signal to form a baseband signal; the echo modulation module performs Doppler modulation and distance modulation on the baseband signal to obtain an echo baseband signal. The invention superposes the moving target information on the basis of the transmitted signal in a loopback mode to generate a radar echo baseband signal, thereby providing conditions for debugging a radar signal processing system indoors.)

基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统及方法

技术领域

本发明属于雷达测试技术领域，具体是一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统及方法。

背景技术

雷达信号处理系统是雷达系统的重要组成部分，具体地，信号处理系统接收来自目标的回波，进行相应的数字信号处理后获取目标的距离速度等信息。在雷达信号处理系统的研制过程中，需要对其功能和性能进行验证。

一般情况下，信号处理系统的功能和性能常采用外场测试验证，这种测试方式受天气和场地等因素的影响，实施的过程将耗费大量人力、物力和资源。雷达模拟器通过模拟雷达的回波信号并发送给雷达，可用于在外场测试条件不满足时对雷达系统进行调试与验证，在雷达测试领域有广泛的应用，但是这种方式需要添加额外的硬件设备，增加了研发成本与周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统及方法，为雷达信号处理系统提供回波信号，便于室内调试。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统，包含中频发射信号模块、信号采集模块、回波调制模块和控制模块；

所述控制模块用于根据配置的波形参数和运动目标信息对中频发射信号模块和回波调制模块进行控制；

所述中频发射信号模块用于根据波形参数产生相应的中频发射信号，并输入到信号采集模块；

所述信号采集模块用于对中频信号进行带通采样和数字下变频形成基带信号；

所述回波调制模块用于根据控制模块输出的速度、距离信息对基带信号进行多普勒调制和距离调制，得到回波基带信号。

一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生方法，包括如下步骤：

控制模块根据配置的波形参数控制中频发射信号模块产生相应的中频发射信号；

中频发射信号输入至信号采集模块，进行带通采样和数字下变频形成基带信号；

回波调制模块根据控制模块输出的速度、距离信息对基带信号进行多普勒调制和距离调制，得到回波基带信号。

进一步的，控制模块接收并解析控制命令，根据控制命令中的波形参数配置中频发射信号模块，根据控制命令中的运动目标信息解算出当前回波的距离和速度，控制回波调制模块，产生匀速运动的目标回波，其实现步骤为：

步骤1、输入运动目标的初始距离R₀和径向速度v；

步骤2、判断初始距离和速度是否在测距和测速范围内，如果是则进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3、根据目标的速度信息控制回波调制模块进行多普勒调制；

步骤4、令天线扫描次数N＝0；

步骤5、令时间参量t＝NT，其中T是天线扫描周期；

步骤6、判断目标的速度是否大于0，若是则表示目标向靠近雷达的方向运动，目标相对雷达的距离为R＝R₀-vt，若不是则表示目标向远离雷达的方向运动，目标相对雷达的距离为R＝R₀+vt；

步骤7、判断目标当前的距离R是否在测距范围内，若是则根据目标当前距离进行距离调制，并且令N＝N+1，再返回步骤5，重复步骤5至步骤7，若不是则表示目标运动到雷达的测距盲区或超过了雷达最大作用距离，此时该运动轨迹完成。

进一步的，所述波形参数包括脉冲时宽、带宽、重复周期、中心频率。

进一步的，中频发射信号模块接收来自控制模块的波形参数，并且根据波形参数配置DDS产生所需的发射信号。

进一步的，信号采集模块将中频信号下变频到基带，其实现步骤为：

步骤1、将中频发射信号作为信号采集模块的输入，信号采集模块利用ADC芯片对中频信号进行带通采样形成中频数字信号，ADC芯片通过LVDS接口将数字信号传输给FPGA；

步骤2、FPGA接收到的中频数字信号与两路正交的数字本振信号相乘，再经过低通滤波器，得到IQ两路正交的基带信号。

进一步的，回波调制模块分为多普勒调制子模块和距离调制子模块；多普勒调制子模块根据目标的速度信息解算出多普勒频率，对基带信号进行多普勒频移，距离调制子模块根据目标的距离信息解算出回波延时，对基带信号进行距离延时。

所述多普勒调制子模块的实现步骤为：

步骤1、根据公式f_d＝2v/λ计算出目标的多普勒频移，其中λ为波长；

步骤2、利用CORDIC算法产生频率为f_d的正弦和余弦数字信号；

步骤3、将IQ两路基带信号与步骤2的正弦、余弦信号进行复数乘法得到包含多普勒频移的回波基带信号。

距离调制子模块的实现步骤为：

步骤1、根据公式2R＝τc计算出回波相对发射信号的延时τ，其中R是目标相对雷达的距离，c是光速；

步骤2、根据信号采集模块的AD采样频率f_s确定最小时间单元Δτ＝1/f_s，将回波延时与最小时间单元相除取整得到延时的采样点数M＝τ/Δτ；

步骤3、将基带信号缓存进FIFO中，同时计数器开始从0计数，计数到M时再读取出来，可以得到包含距离延时的回波基带信号。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明充分利用雷达已有的硬件，无需添加额外的器件，通过环回的方式将产生的中频发射信号连接到接收端，对发射信号模数转换后进行数字处理即可得到携带目标信息的回波信号，为后续的回波信号处理提供激励信号；2)发射波形灵活可配，可以快速产生不同参数的脉冲信号，适用范围广；3)可以灵活地设定目标的初始状态，模拟出目标在静止和匀速运动状态下的回波信号；4)该方法在回波调制的过程中算法简单，易于用FPGA实现，且集成度高。

附图说明

图1是基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统整体框图。

图2是产生回波基带信号的硬件结构图。

图3是控制模块流程图。

图4是信号采集模块框图。

图5是回波调制模块框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明的一种基于FPGA的雷达回波基带信号产生系统如图1所示，包含中频发射信号模块、信号采集模块、回波调制模块和控制模块。控制模块根据配置的波形参数和运动目标信息对中频发射信号模块和回波调制模块进行控制；中频发射信号模块根据波形参数产生相应的中频发射信号，并输入到信号采集模块；信号采集模块对中频信号进行带通采样和数字下变频形成基带信号；回波调制模块根据控制模块输出的速度、距离信息对基带信号进行多普勒调制和距离调制，得到回波基带信号。

本发明的硬件结构如图2所示，FPGA接收来自上位机的控制命令并解析出命令中的波形参数，结合波形参数通过SPI接口配置DDS产生中频的发射信号，发射信号通过SMA接口传输到ADC器件的输入端进行模数转换，得到的数字信号通过LVDS接口传输给FPGA后进行信号处理即可获得携带目标信息的回波基带信号。

本发明还提供一种基于上述系统的信号产生方法，包括如下步骤：

控制模块根据配置的波形参数控制中频发射信号模块产生相应的中频发射信号；

中频发射信号输入到信号采集模块，进行带通采样和数字下变频形成基带信号；

回波调制模块根据控制模块输出的速度、距离信息对基带信号进行多普勒调制和距离调制，得到回波基带信号。

控制模块的流程如图3所示，控制模块用于接收并解析控制命令，根据控制命令中的波形参数配置中频发射信号模块；根据配置的运动目标信息解算出当前回波的距离和速度，控制回波调制模块，产生匀速运动的目标回波；其控制回波调制模块的实现步骤为：

步骤1、输入运动目标的初始距离R₀和径向速度v；

步骤2、判断初始距离和速度是否在测距和测速范围内，如果是则进入步骤3，否则返回步骤1；

步骤3、根据目标的速度信息控制回波调制模块进行多普勒调制；

步骤4、令天线扫描次数N＝0；

步骤5、令时间参量t＝NT，其中T是天线扫描周期；

步骤6、判断目标的速度是否大于0，若是则表示目标向靠近雷达的方向运动，目标相对雷达的距离为R＝R₀-vt，若不是则表示目标向远离雷达的方向运动，目标相对雷达的距离为R＝R₀+vt；

步骤7、判断目标当前的距离是否在测距范围内，若是则根据目标当前距离进行距离调制，并且令N＝N+1，再返回步骤5，重复步骤5至步骤7，若不是则表示目标运动到雷达的测距盲区或超过了雷达最大作用距离，此时该运动轨迹完成。

上述的波形参数包括脉冲时宽、带宽、重复周期、中心频率。

所述中频发射信号模块接收来自控制模块的波形参数，并且根据波形参数配置DDS产生所需的发射信号。

信号采集模块的实现框图如图4所示，首先，通过SMA接口接收中频发射信号；其次利用ADC芯片对中频信号进行带通采样形成中频数字信号；再次，ADC芯片通过LVDS接口将数字信号传输给FPGA；最后，在FPGA中对中频信号进行数字下变频，接收到的中频数字信号与两路正交的数字本振信号相乘，再经过低通滤波器，得到IQ两路正交的基带信号。

回波调制模块的实现框图如图5所示，分为多普勒调制子模块和距离调制子模块。

基带的IQ两路信号和目标的速度作为多普勒调制子模块的输入，根据公式f_d＝2v/λ计算出目标的多普勒频移，再利用CORDIC算法产生频率为f_d的正弦和余弦数字信号，与IQ两路基带信号进行复数乘法得到包含多普勒频移的回波基带信号。

距离调制子模块接收到当前目标的距离后，根据公式2R＝τc计算出回波相对发射信号的延时τ，其中R是目标相对雷达的距离，c是光速。根据信号采集模块的AD采样频率f_s确定最小时间单元Δτ＝1/f_s，将回波延时与最小时间单元相除取整可得到回波需要延时的采样点数M＝τ/Δτ。在接收到多普勒调制子模块输出的含多普勒频移的回波基带信号后，将其缓存进FIFO中，同时计数器开始从0计数，计数到M时再读取出来，可以得到包含距离延时的回波基带信号。

基带信号依次经过多普勒调制子模块和距离调制子模块后可转换成携带目标距离、速度信息的回波信号。