基于FPGA多带宽合成孔径雷达系统的数字接收技术

［ 1］ 然增加硬件开销 . 另外， 当增加 sinc 插值核的长度时， 会使插值运算非常耗时， 但精度提高得却很小 ，
因此， 一个 8 点的加权 sinc 函数比较适合 SAR 数据处理 .
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中国科学院研究生院学报 表2 各插值算法的计算量
计算量 插值算法 加法 / 次 最近邻插值 线性插值 二次多项式插值 3 次样条插值 8 点 sinc 插值 0 3 22 118 7 乘法 / 次 0 3 51 366 8 乘法器 / （ 个 / 并行运算） 0 3 51 366 8
图2
多带宽 SAR 系统数字解决方案框图
2. 2
FIR 滤波器的设计
图 2 （ b ） 所示方案中的数字滤波采用 FIR 滤波器， 因为它一 方 面 具 有 线 性 相 位 的 特 点， 能够很好地
［ 4］ 保留回波信号的相位信息；另一方面 FIR 滤波器系统稳定， 且易于实现 . 一个 N 阶 FIR 滤波器的差分
［ 1］
， 这样不同带宽的信号就需要不
图1
多带宽 SAR 系统信号接收处理部分组成框图
同频率的采样时钟 . 传统的多带宽系统信号接收处理方法存在 2 个缺点， 一是接收机里的滤波器组采用模拟方式实现，
E-mail ： hb8国科学院研究生院学报
第 27 卷
He B ，Zhang Z M. Digital receiving technology of multibandwidth synthetic aperture radar system based on FPGA ［ J］ . Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences ，2010 ， 27 （ 6 ） ：853858.
1175 （ 2010 ） 06-0853 - 06 文章编号 ：1002 -
简 报
基于 FPGA 多带宽合成孔径雷达系统 的数字接收技术
何 斌
1， 2
，张志敏 1
（ 1 中国科学院电子学研究所，北京 100190 ； 2 中国科学院研究生院，北京 100049 ） （ 2010 年 3 月 22 日收稿； 2010 年 5 月 7 日收修改稿）
［ 7］
.
第6期
何
斌， 等：基于 FPGA 的多带宽合成孔径雷达系统数字接收技术研究
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图3
FIR 滤波器的幅频响应和相频响应曲线
由于 FIR 滤波器具有线性 相 位 特 性， 其 系 数 具 有 奇 对 称 或 偶 对 称 的 特 点， 在 用 FPGA 实 现 滤 波 器 时， 就可以把系数相反或相同的输入数 据 合 并；然 后 根 据 式 （ 1 ） ， 利 用 FPGA 的 流 水 线 技 术 进 行 累 加 求 即可得到滤波结果 . 这样不仅可以节约硬件资源， 也提高了系统运行的速率 . 和，
第 27 卷第 6 期 2010 年 11 月
中国科学院研究生院学报 Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences
Vol. 27 November
No. 6 2010

第 27 卷
Q 2 路的运算量， 注：以上数据是只计算 I 路数据的结果， 若计算 I 、 则以上数据均需乘以 2.
2. 3. 2
sinc 插值算法的原理与实现
设函数 f （ x ） 是一个最高频率有限的信号， 当满 足 采 样 定 理 时， 就 可 以 从 f（ x） 的 等 间 隔 离 散 样 本 中 无失真的重建原始信号， 此时的重建方程可写为 f（ x ） = f d （ i ） 是 f （ x ） 在 x = i 时的采样值 . 其中， 上式可以理解为所有输入样本的 加 权 叠 加 . 由 此 式 就 可 以 计 算 出 任 意 点 处 f （ x ） 函 数 值 . 为 精 确 计 算某一点上 f （ x ） ， 卷积核需要覆 盖 无 限 多 个 点， 实 际 这 是 无 法 做 到 的 . 计 算 表 明， 核值随着与插值点 x 的间隔增大而降低， 这意味着可以在不过度损失精度的同时， 对卷积核进行截断 . 当使用截 断 后 sinc 函
注： PSLR 为峰值旁瓣比， 通常为 － 13dB 左右； ISLR 为积分旁瓣比， 通常为 － 10 dB 左右 .
PSLR 和 ISLR 的 值 越 接 近 插 值 前 的 理 想 信 号， 在进行插值运算直接实现降 采 样 时， 表明其效果越 8 点的 否 则 会 引 起 分 辨 率 的 下 降 . 由 以 上 表 中 的 统 计 数 据 可 以 看 出， 好；而脉冲展宽比越接近 1 越 好， sinc 插值只比 3 次样条插值的效果逊色 . 各插值算法的计算量见表 2. 由表 2 数据可知， 8 点 sinc 插值计 算量比 3 次样条插值要小很多， 并且当用 FPGA 实现 3 次样条插值算法时， 需要用克莱默法则求出待定 系数， 其中涉及非二进制除法运算， 这无法使用 FPGA 内部的 IP 核来实现， 必需额外编程实现除法， 必
［ 56］
. 图 3 是 Kaiser 窗设计 FIR 滤波器的幅频响应和相频响应曲线 . 由图 3 可以看出， 幅频响
应曲线的通带内衰减几乎为零， 阻带内的最小衰减为 38dB ， 满足设计指标的要求 . 不同的测绘带宽需要不同的滤波器因子， 因此， 在 用 FPGA 实 现 FIR 滤 波 器 时， 滤波器系数的选取 可以用查找表来实现， 即把各带宽的滤波器系数存入 ROM 中， 根据带宽控制字选择系数选 择 模 块 的 起 始地址， 然后按照时钟节拍读取查找表中的系数 . 同时为了减小量化误 差 对 成 像 造 成 的 影 响， 滤波器系 数一般量化为 16bit 有符号数
［ 23］ 7200MHz ， ， 这会给器件选择和电路实现都带 来 很 大 困 难 并且对数字滤波器处理速度的要求也非常
高. 针对上述问题， 本文提出一种新的多带宽系统数字处理方案， 如图 2 （ b ） 所示 . 该方案采用各带宽信 如上例中取 600MHz ， 通过插值的方法产生其他 各 采 样 频 率 的 号采样频率中的最高一个作为采样时钟， 信号， 该方案中多带宽信号的滤波同样由数字滤波器来完成 . 这种新的多带宽系统数字处理方案中仅采 用 1 个模拟接收机滤波器和 1 个采样时钟， 并且采样时钟频率也不比传统方法高 . 该方案中的插值运算 还直接实现了降采样， 但会对数据的实时处理提出较高要求， 这可以通过选择适当的插值算法来实现 .
2. 3
2. 3. 1
插值运算模块设计
插值算法的选择 不能简单地通过整数倍降采 由于使用的最高采样频率不是其他小带宽信号对应采样率的整 数 倍 ，
样来降低数据率， 只能采取插值运算对滤波后的小带宽信号进行处理 . 常 用 的 插 值 方 法 有 最 近 邻 插 值 、 3 次样条插值和 sinc 插值等［8 ］. 为比较以上几种插值算法的性能， 分段线性插值 、 二次多项式插值 、 本文 给出了对 200 ～ 400MHz 带宽的线性调频信号进行插值降采样的仿真结果， 如表 1 所示 .
数量越多设计及切换越复杂；二是多种采样时钟带来的时钟产生电路设计复杂和时钟同步困难等问题 .
2
2. 1
多带宽系统数字处理方法的设计实现
数字处理方案介绍
针对传统多带宽系统接收处理方法存在的缺点， 最容易想到的 数 字 解 决 方 案 是 采 用 1 个 高 采 样 频
率时钟， 使其为各带宽信号采样时钟的整数倍， 这样获取高数据率信号 后， 通过整数倍降采样即可获得 而多带宽信号的滤 波 也 可 通 过 数 字 滤 波 器 来 完 成 . 方 案 框 图 如 图 2 （ a ） 系统要求的各种数据率的信号， 所示 . 该方案虽然仅采用 1 个模拟滤波器和 1 个采样时钟， 但也带来了新的问题， 即采样率过高 . 本文以
－ 18. 51 － 12. 51 － 14. 91 － 11. 13 － 13. 60 － 10. 21 － 13. 34 － 10. 33
－ 15. 89 － 11. 96 － 13. 81 － 10. 28 － 13. 33 － 13. 27 － 9. 72 － 9. 99
－ 14. 43 － 10. 68 － 13. 37 － 13. 25 － 13. 30 － 9. 71 － 9. 57 － 9. 89
［ 1］ 200MHz 、 300MHz 、 400MHz 和 500MHz 带宽的线 性 调 频 信 号 为 例， 按 照 1. 2 倍 的 过 采 样 率 ， 各采样频
360MHz 、 480MHz 和 600MHz ， 则 ADC 的 采 样 率 要 取 它 们 的 公 倍 数， 至少要达到 率分别为 240MHz 、
表1 几种插值方法的计算机仿真结果
带宽 200 MHz 插值方法 PSLR / dB 插值前的调频信号 最近邻插值 线性插值 二次多项式插值 3 次样条插值 8 点 sinc 插值 － 13. 26 － 14. 17 ISLR / dB － 9. 64 － 5. 33 脉冲展宽 率 /（% ） — 2. 4596 2. 4591 2. 4583 2. 4561 2. 4583 PSLR / dB － 13. 26 － 14. 53 ISLR / dB － 9. 65 － 6. 52 脉冲展宽 率 /（% ） — 1. 9912 1. 6262 1. 6239 1. 6021 1. 6225 PSLR / dB － 13. 26 － 13. 59 ISLR / dB － 9. 66 － 8. 37 脉冲展宽 率 /（% ） — 1. 6388 1. 2487 1. 1015 1. 00806 1. 00833 300MHz 400 MHz
摘
要
针对传统多带宽合成孔径雷达系统需要多个 滤 波 器 和 多 种 采 样 时 钟 等 问 题 ， 提出一