基于FPGA的测风激光雷达功率谱估计系统设计_左磊.pdf

wwwele169com|49信息工程0 引言与常见的微波雷达相比，1550nm 全光纤相干测风激光雷达具有高测量精度、高时空分辨率以及能实现小型化和集成化的优点12。因此，其在低空安全、气象监测、风电资源开发、航空安全保障等领域具有重要的研究和应用价值3。功率谱估计是相干测风激光雷达获取大气径向风速和风场信息的重要过程4。目前，比较常见的是采用 MATLAB等分析软件进行编程或者使用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）来完成雷达回波信号的功率谱估计56。但是，一方面使用 MATLAB 等工具来处理数据，具有通用性和灵活性，但其缺点是费时低效，不能达到实时处理的要求，另一方面，由于 DSP 内部的乘法器资源有限，在做大规模 FFT 运算时，往往需要使用多片 DSP 进行并行运算，从而会增大提高系统的体积，提高系统的开发难度7。近年来，FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片内部资源部不断丰富，性能得到极大地提高，为测风雷达信号数字信号处理提供了新的解决方案8。本文基于 FPGA 设计了针对测风激光雷达的功率谱估计系统。系统采用 14 位、250MSPS 的 ADC（Analog to Digital Converter）采样回波信号，以 Xilinx Artix-7 系列FPGA 为数据采样处理的控制核心，完成了采样数据接收、外触发采样设置以及 DDR3 缓存，并通过 Verilog RTL 设计并行 FFT 处理模块实现了 1024 点的 4 路并行 FFT 计算，最终得出了信号的功率谱估计。1 系统硬件设计 1.1 系统总体结构设计本系统以高速 ADC 和 FPGA 为设计核心。首先，由ADC 模块采样回波信号，并将离散化后的信号传输到 FPGA数据处理模块。然后，系统再对采样后的有用数据进行接收、存储、功率谱估计以及传输，系统硬件总体设计框图如图 1所示。1.2 ADC 模块硬件电路设计考虑到测风雷达回波信号的频率范围为8038.7MHz，本设计选用了 ADI 公司的 AD9642 芯片。AD9642 是一款流水线型，不带内部缓冲器的 AD 转换芯片，满足低功耗要求。它的最高采样速率为 250MSPS，分辨率为 14-Bit，在输入信号为 185MHz 时，信噪比（SNR）为 71.0dBFS，无杂散动态范围为 83dBc。AD9642 输入要求是 1.75-VPP 差分信号，输出兼容 LVDS 格式信号，可以实现信号的高速传输，其外围硬件电路设计如图 2 所示。图 1 系统总体结构图图 2 AD9642 外围电路设计图AD9642 为单通道 AD 芯片，可以通过 CSB，SCLK，SDIO 这 3 个引脚进行功能配置。在系统设计中，经过 ADC数字化后的回波信号，被传输到 FPGA 进行接收和处理。AD9642 与 FPGA 的接口方式如图 3 所示，AD 芯片的编码时钟 CLK_P，CLK_N（差分输入时钟），由外部时钟发生器提供。AD 芯片输出的数据是 LVDS 格式，以 7 对差分对的形式输出，并同时输出数据参考时钟DCO_P，DCO_M（差分信号）到 FPGA 模块。基于 FPGA 的测风激光雷达功率谱估计系统设计左磊，贾豫东（北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京，100192）摘要：为了从测风激光雷达回波信号中获取大气径向风速信息，本文设计了一套基于FPGA的测风激光雷达功率谱估计系统。系统采用14位250MSPS的AD芯片进行高速采样，以Xilinx Artix-7系列FPGA为信号处理核心将硬件系统和算法逻辑相结合，灵活实现了信号采样、外部触发、数据存储、功率谱估计以及数据通信等系列功能。通过对系统进行功能仿真和实验验证，对比分析出其功率谱估计与MATLAB计算结果最大相对误差在10-4量级，验证了本系统设计的正确性和可靠性。关键词：测风激光雷达；FPAG；功率谱估计；数字信号处理DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.02650|电子制作 2023 年 2 月信息工程 图 3 AD9642 与 FPGA 的连接图 1.3 FPGA 模块硬件电路设计系统采用 Xilinx Artix-7 系列 XC7A100T-2FGG484I 芯片对采样回波信号进行功率谱估计等处理。FPGA 模块硬件结构如图 4 所示，主要包括 FPGA 芯片外围电路、DDR3 SDRAM 存储器电路、FPGA 下载编程电路、AD 模块与FPGA 模块连接器电路、时钟电路、USB3.0 传输模块电路等设计。图 4 FPGA 模块硬件结构框图 1.4 系统硬件实物图功率谱估计系统采用信号采样子卡和数据处理主卡分离式设计，两块板卡通过 PMC-64 板对板连接器进行连接。系统的硬件实物如图 5 所示，其中，信号采集板子卡采用 4 层PCB 板进行设计，数据处理主卡采用 8 层 PCB 板进行设计，经测试验证，该硬件系统满足本文设计要求。2 系统 Verilog 逻辑设计系统的数字信号处理逻辑接口由Verilog RTL设计实现，主要包括采样信号接收和存储、功率谱估计、数据通信三个部分，系统的总体逻辑设计框图如图 6 所示。其中，信号接收和存储部分包含 ADC 数据接收模块、外触发模块以及DDR3 存储器模块。功率谱估计部分包括 FFT 预处理模块、并行 FFT 处理模块和功率谱分段累加模块。数据通信部分则包括 USB3.0 数据传输模块。图 6 系统总体逻辑设计框图3 系统仿真与实验 3.1 并行 FFT 处理模块仿真验证本节主要对功率谱估计系统进行功能仿真和实验验证，首先对系统并行 FFT 处理模块性能进行仿真测试，通过 MATLAB 工具生成仿真波形数据，作为测试并行 FFT 处理模块的输入信号。MATLAB 产生的测试信号为1211.5sin(2)sin(2)xf tf t=+1211.5sin(2)sin(2)xf tf t=+，其中1f为 8MHz，2f为 10MHz，信号采样频率为 50MHz。系统核心是 Artix-7 FPGA 系列的XC7A100T 芯片，FPGA 模块使用单精度定点格式进行数据运算，信号采样长度为 1024 点，采样频率设置为 50MHz，将平台并行 FFT 模块计算的复数结果虚部实部平方求和后可以得到功率谱，如图 7 所示，是平台 FPGA 的结果和MATLAB 计算结果，以及两种不同计算方式的误差。分析可知，两种方法的处理结果一致，绝对误差在 10-16量级，因为功率谱在 10-12量级，因此，两者的相对误差为 10-4量级。图 7 MATLAB 模拟测风雷达回波信号结合测风激光雷达实际情况，利用 MATLAB 工具模拟雷达多普勒回波信号再次对本系统的并行 FFT 处理模块进行功能仿真验证。设置雷达发射信号脉宽为 400ns，重复频率为 20kHz，中频信号频率为 80MHz。利用 MATLAB 生成 80MHz 的正弦信号作为载波，采用周期为 50s，占空比为 0.8%的脉冲信号对其进行调制，回波信号使用 90MHz 的正弦信号进行模拟，将回波信号加入在载波中作为待测信号，最后，在测试信号加入信噪比为 20dB 的随机高斯噪声。如图 5 系统硬件实物图图 8 MATLAB 模拟测风雷达回波信号wwwele169com|51信息工程图 8 所示，是利用 MATLAB 模拟出的测风激光雷达回波信号时域图。将模拟回波信号存入到 FPGA 内部 RAM 中，用作并行FFT 模块的输入信号，从而可以对单距离门回波信号功率谱估计进行测试验证。如图 9 所示，图 9(a)为回波信号的512 点功率谱密度图，测得的中心频率为 80.08MHz，回波信号频率为 89.84MHz，多普勒频移为 9.76MHz，与测试信号多普勒频移间的误差0.24MHz，在功率谱分辨率0.49MHz之内；图 9(b)为回波信号的 1024 点功率谱密度图，测得的中心频率为 80.08MHz，回波信号频率为 90.09MHz，多普勒频移为 10.01MHz，与测试信号多普勒频移间的误差0.01MHz，在功率谱分辨率 0.24MHz 之内。两次仿真测试表明，本文设计的并行 FFT 功率谱估计模块满足系统要求。(a)(b)图 9 模拟测风雷达回波信号功率谱密度 3.2 系统功率谱估计实际性能测试对功率谱估计系统实际性能进行实验验证时，由函数信号发生器提供测试信号，通过本系统进行信号采样和功率谱估计，由 MATLAB 进行数据分析。测试时，设置输出信号频率分别为 10MHz、20MHz、30MHz 和 40MHz。设置平台信号采样频率为 250MHz、触发采样点数为 8000 点，距离门点数为 512 点，为了降低频谱泄露的影响，信号都进行加窗处理。如图 10 所示，是四种不同频率测试信号的功率谱估计结果，峰值频率分别为 9.77MHz、20.02MHz、29.79MHz 和 40.04MHz，最大误差不超过 0.23MHz，在功率谱分辨率 0.49MHz 以内，功率谱估计结果与信号发生器的输入信号频率一致。图 10 不同频率的功率谱估计结果设置平台信号采样频率为 250MHz，触发采样点数为8000，输入信号频率固定为 40MHz，距离门点数依次设置为 200、300、500、700 进行测试。图 11 所示的是输入信号的平台功率谱估计结果，观察可知，随着信号距离门内点数的增多，功率谱的分辨率不断提高。图 11 不同距离门点数的功率谱估计结果4 结论本文采用高速 ADC 和 FPGA 设计了一套测风激光雷达功率谱估计系统，整个系统分为信号采样和数据处理两个模块，具有体积小、实时性强、测量范围广等特点。在硬件模块基础上设计 Verilog 逻辑接口，系统实现了 250MSPS 高速率采样和回波信号功率谱估计。通过系统仿真实验，对比分析出系统并行 FFT 模块与 MATLAB 功率谱估计结果最大相对误差在 10-4量级，并且系统对于雷达回波信号的谱估计性能也满足设计要求。参考文献 1 左金辉.相干测风激光雷达数字信号处理及风场反演算法研究 D.北京信息科技大学,2021.2 高源.激光测风雷达信号处理技术研究 D.哈尔滨工业大学,2013.3 董佳.基于 FPGA 的相干测风激光雷达实时信号预处理实验研究 D.哈尔滨工业大学,2017.4 付恩琪.基于 FPGA 的功率谱分析系统设计 D.中国科学技术大学,2020.5 陈磊.激光测风雷达回波信号处理技术的研究 D.长春理工大学,2010.6 付友涛.相干测风激光雷达实时数据采集处理系统研究 D.中国海洋大学,2013.7 范东倩.激光测风雷达脉冲相干累加技术的实验研究 D.哈尔滨工业大学,2015.8 张勇成.基于 FPGA 的相干激光测风雷达实时信号处理技术研究 D.中国科学院大学,2011.