Design of an FPGA-based Data Acquisition System for a Shore-based Maritime Radar Network
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2833232Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Et landbasert nettverk av maritime radarer skal utvikles av NTNU og Sintef som en del avOcean Lab Node 2-infrastrukturen. Hensikten med nettverket er å spore både autonome ogtradisjonelle fartøy i Trondheimsfjorden for å bidra til en delt situasjonsbevissthet. Denne rapportenpresenterer en systemarkitektur for eksterne radarsteder, basert på sampling av radardata på stedetog opplasting via det nye 5G-nettverket i Trondheim for å minimere infrastrukturkostnadene. Etdatainnsamlingssystem er utviklet basert på Analog Devices AD-FMCDAQ2 ADC og et iWave IntelArria10 SoC / FPGA FMC+ utviklingskort. En Simrad Halo 20+ pulskompresjonsradar er tiltenktfor systemet som del av prosjektet. Radarbølgeformene måles og viser seg å overføre både pulser ogchirps med varierende senterfrekvenser og båndbredde. Båndbredden for en chirp måles til maksimalt30 MHz, som forventes å resultere i 1.0 Gbit/s opplinkingsdata. Datainnsamlingssystemet er vist åutføre IQ-demodulering, klokkedomenekryssing og pulskompresjon i simulering. Pulskompresjonoppnås ved dynamisk å lage et matchet filter fra den overførte chirp-en for å ta hensyn til denalternerende senterfrekvensen og båndbredden til chirpen. Den nødvendige filterlengden bleikke oppnådd på grunn av overutnyttelse av FPGA-multiplikatorene, som flere løsninger blirdiskutert til. Et driverproblem forhindret testing av dechirping i maskinvare. Prosjektet brukerogså continuous integration for å simulere FPGA-design med VUnit-testrammeverket og GHDL-simulatoren med åpen kildekode. Det er også demonstrert hvordan VUnit kan brukes til å verifiseresignalbehandlingskjeden ved å generere og validere simuleringsdata i Python, fremfor bruk av renVHDL. A shore-based network of maritime radars is to be developed by NTNU and Sintef as part of theOcean Lab Node 2 infrastructure. The purpose of the network is to track both autonomous andtraditional vessels in the Trondheim fjord and contribute to a shared situational awareness. Thisreport presents a system architecture for the remote radar sites, based on sampling the radardata on-site and transmitting the data via the emerging 5G network in Trondheim to minimizethe cost of infrastructure. A data acquisition system is developed based on the Analog DevicesAD-FMCDAQ2 ADC and an iWave Intel Arria10 SoC/FPGA FMC+ Development Kit. A SimradHalo 20+ pulse compression radar is currently considered for the system. The radar waveformsare measured and revealed to transmit both pulses and chirps with varying center frequencies andbandwidths. The sweep bandwidth is measured to a maximum of 30 MHz, which is expected toresult in 1.0 Gbit/s of uplink data. The data acquisition system is shown to successfully performIQ demodulation, clock domain crossing and pulse compression in simulation. Pulse compression isachieved by dynamically creating a matched filter from the transmitted chirp to account for thealternating center frequency and bandwidth of the chirp. The required filter length was not achieveddue to over-utilization of the FPGA multipliers, to which multiple solutions are discussed. A driverissue prevented the testing of the dechirping in hardware. The project also makes successful use ofa continuous integration workflow for simulating the FPGA design with the VUnit test frameworkand the open source GHDL simulator. It is also demonstrated how VUnit can be used to verify thesignal processing chain by generating and validating simulation data in Python, rather than pureVHDL.