一種基于FPGA的慢門限恒虛警處理電路設(shè)計(jì)

摘要 雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)多是在干擾背景下進(jìn)行，如何從干擾中提取目標(biāo)信號(hào)，不僅要求有一定的信噪比，而且必需有恒虛警處理設(shè)備。恒虛警處理是雷達(dá)信號(hào)處理的重要組成部分，慢門限恒虛警處理主要是針對(duì)接收機(jī)熱噪聲，文中介紹一種基于FPGA嵌入式設(shè)計(jì)的慢門限恒虛警處理電路，給出了仿真模型及仿真結(jié)果，并已將其用于某檢測(cè)器中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞 慢門限；恒虛警處理；FPGA

    慢門限恒虛警處理是一種對(duì)接收機(jī)內(nèi)部噪聲電平進(jìn)行恒虛警處理的電路，內(nèi)部噪聲隨著溫度、電源等因素的改變而改變，這種變化是緩慢的，所以針對(duì)內(nèi)部噪聲的處理稱為慢門限恒虛警處理。通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的慢門限處理降低了虛警概率，為后處理提供了必要條件。
    利用大規(guī)?？删幊屉娐穪?lái)實(shí)現(xiàn)慢門限恒虛警處理，具有方便、可靠的特點(diǎn)，可以方便地修改和仿真。雷達(dá)工作期，接收機(jī)輸出除噪聲外還有信號(hào)和地物雜波等，所以對(duì)噪聲的采樣應(yīng)在休止期進(jìn)行。接收機(jī)檢測(cè)器后噪聲電壓的概率密度函數(shù)服從瑞利分布
   
    由式(2)可得出，P(y)與σ無(wú)關(guān)，如果能將變量x歸一化為變量y，則噪聲強(qiáng)度σ變化時(shí)將保持輸出恒虛警；恒虛警處理裝置就是設(shè)法檢測(cè)出噪聲x的均方差σ值，再算出值；這個(gè)過(guò)程稱為歸一化，歸一化的結(jié)果就達(dá)到了恒虛警的目的。
    用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算比較復(fù)雜，故采用取對(duì)數(shù)的方法，將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為減法運(yùn)算，簡(jiǎn)化了電路實(shí)現(xiàn)
   

1 工作原理
    在休止期對(duì)噪聲值lgx采樣，得到lgσ。取雷達(dá)工作期的lgx減去lgσ，算出lgy式(3)，完成了歸一化處理。設(shè)計(jì)中慢門限恒虛警處理電路是采用開(kāi)環(huán)式噪聲電平恒定電路，省略了反對(duì)數(shù)電路，增加了部分檢測(cè)電路，原理如圖1所示。

2 FPGA設(shè)計(jì)
    在休止期選8位I／Q信號(hào)幅度值進(jìn)行累加，并對(duì)累加值進(jìn)行鎖存，當(dāng)累加128個(gè)單元后，取出平均值并鎖存作為第一門限值。在工作期選取8位I／Q信號(hào)幅度值一方面與噪聲平均值比較，另一方面減去噪聲平均值再與人工門限比較，如果兩次比較都為大于，則輸出1 bit過(guò)門限信號(hào)。人工門限值的選定要根據(jù)虛警率確定，如果虛警點(diǎn)多則調(diào)高門限值，反之降低門限，保持一定的虛警點(diǎn)數(shù)。
    電路總框圖如圖2所示，包括3個(gè)子模塊分別為時(shí)序產(chǎn)生模塊、求噪聲平均值模塊、減法運(yùn)算及比較模塊，虛框表示FPGA芯片外圍電路。

    設(shè)計(jì)遵從了流水線和模塊化設(shè)計(jì)原則，把總模塊劃分為幾個(gè)功能獨(dú)立又相互聯(lián)系的子模塊；上一個(gè)模塊的輸出即為下一個(gè)模塊的輸入，由最后一個(gè)模塊完成最終結(jié)果的輸出。
    各子模塊電路設(shè)計(jì)完成后，建立相應(yīng)電路符號(hào)，在原理圖輸入方式下，將各單元電路符號(hào)按原理框圖邏輯關(guān)系連接，通過(guò)保存、編譯，再進(jìn)行項(xiàng)目處理包括器件選擇、引腳定義，確認(rèn)正確無(wú)誤后便完成了FPCA內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)項(xiàng)目下載至芯片，嵌入板級(jí)電路與其它器件配合使用，完成電路功能。
2．1 時(shí)序產(chǎn)生模塊
    利用10 MHz時(shí)鐘產(chǎn)生τ脈沖RM；在休止期128 τ處產(chǎn)生平均值打入脈沖RM128和清除脈沖RST128。原理圖如圖3所示。

2．2 求噪聲平均值模塊
    當(dāng)休止期時(shí)，選8位I／Q信號(hào)幅度值進(jìn)行累加，并對(duì)累加值進(jìn)行鎖存，當(dāng)累加128個(gè)單元后取出平均值用RM128打入存儲(chǔ)器鎖存輸出作為第一門限值，然后清除脈沖RST128清除累加值。取平均值方法：128個(gè)單元8位I／Q信號(hào)幅度值累加最大能達(dá)到15位數(shù)，平均值即為高8位值，所以取累加值的高8位作為平均值即可，原理如圖4所示。

2．3 減法運(yùn)算及比較模塊
    在工作期選取8位I／Q信號(hào)幅度值一方面與噪聲平均值比較，另一方面減去噪聲平均值再與人工門限比較，如果兩次比較都為大于，則輸出 1 bit過(guò)門限信號(hào)。原理圖如圖5所示。

3 仿真
    慢門限恒虛警處理電路仿真波形如圖6所示。PM=‘1’時(shí)為休止期，PM=‘0’時(shí)為工作期；為使仿真波形更直觀、易理解，休止期恒取8位I／Q信號(hào)幅度值X[8．．1]=“33”，128單元后送出平均值C[8．．1]=“33”；人工門限為恒定門限，此處設(shè)為K[8．．1]=“44”；在工作期，當(dāng)X[8．．1]=“66”和“44”時(shí)，66-33<44、44-33<44故1 bit=‘0’，當(dāng)X[8．．1]=“DC”時(shí)，DC>33，DC-33>44連續(xù)通過(guò)兩道門限故1 bit=‘1’。

4 結(jié)束語(yǔ)
    以上是在MaxplusⅡ環(huán)境中設(shè)計(jì)、編譯、仿真。一般為減少積累單元數(shù)和存儲(chǔ)計(jì)數(shù)設(shè)備，采用降低第一門限以達(dá)到高虛警率，而后面采用較高的人工門限以保證工作時(shí)的低虛警概率。該慢門限恒虛警處理電路的設(shè)計(jì)成功，為設(shè)計(jì)此類型電路提供了借鑒。采用8位二進(jìn)制值累加128次，取高8位作為平均值的方法，使得電路易于實(shí)現(xiàn)，該方法簡(jiǎn)單、可靠。