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）

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[1～2]。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[5～6]。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。

图1 系统总体结构图

■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80±38.7MHz，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。

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。

图5 系统硬件实物图

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x1=1.5sin((2πf1t) +sin(2πf2t)，其 中f1为8MHz，f2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50μs，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8所示，是利用MATLAB模拟出的测风激光雷达回波信号时域图。

图8 MATLAB模拟测风雷达回波信号

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。

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。