一種雷達信號處理模塊的設(shè)計和實現(xiàn)

　現(xiàn)代雷達特別是機載雷達數(shù)字信號處理機的特點是輸入數(shù)據(jù)多，工作模式復(fù)雜，信息處理量大。因此，在一個實時信號處理系統(tǒng)中，雷達信號處理系統(tǒng)要同時進行高速數(shù)據(jù)分配、處理和大量的數(shù)據(jù)交換.而傳統(tǒng)的雷達信號處理系統(tǒng)的設(shè)計思想是基于任務(wù)，設(shè)計者針對應(yīng)用背景確定算法流程，確定相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再將結(jié)構(gòu)劃分為模塊進行電路設(shè)計。這種方法存在一定的局限性。

首先，硬件平臺的確定會使算法的升級受到制約，由此帶來運算量加大、數(shù)據(jù)存儲量增加甚至控制流程變化等問題。此外，雷達信號處理系統(tǒng)的任務(wù)往往不是單一的，目前很多原來由模擬電路完成的功能轉(zhuǎn)由數(shù)字器件來處理。系統(tǒng)在不同工作階段的處理任務(wù)不同，需要兼顧多種功能。這些問題都對通用性提出了進一步要求[2].隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、高速串行處理及各種先進算法的飛速發(fā)展，利用高速DSP和FPGA相結(jié)合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是解決上述問題的有效途徑。

　　1 雷達信號處理機方案設(shè)計

　　1.1 雷達信號處理的目的

　　現(xiàn)代機載雷達信號處理的任務(wù)繁重，主要功能是在空空方式下將AD數(shù)據(jù)錄取后進行數(shù)字脈壓處理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和重排、加權(quán)降低頻譜副瓣電平，然后進行匹配濾波或相參積累（FFT或DFT）、根據(jù)重復(fù)頻率的方式進行一維或二維CFAR處理、跟蹤時測角等運算后提取出點跡目標送給數(shù)據(jù)處理機。空地方式下還要進行地圖（如RBM和SAR）等相關(guān)圖像成像處理，最后坐標轉(zhuǎn)換成顯示數(shù)據(jù)送給顯控處理機。

　　上述任務(wù)需要基于百萬門級可編程邏輯器件FPGA與高性能DSP芯片作為信號處理模塊，以充分滿足系統(tǒng)的實時性要求，同時為了縮短機載雷達系統(tǒng)的研制周期和減少開發(fā)經(jīng)費，設(shè)計的基本指導(dǎo)思想是通用化的信號處理模塊，可以根據(jù)不同要求，通過軟件自由修改參數(shù)，方便用戶使用。

　　1.2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計方案

　　如圖1所示的功能模塊，除了信號處理所必需的脈沖壓縮模塊、為MTD模塊作準備的數(shù)據(jù)重排模塊、FIR濾波器組模塊、求模模塊、恒虛警處理模塊和顯示數(shù)據(jù)存儲模塊外，還包括雷達同步信號和內(nèi)部處理同步產(chǎn)生模塊、自檢數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊以及不同測試點測試數(shù)據(jù)采樣存儲模塊。這些模塊更加豐富了系統(tǒng)的功能，使得雷達系統(tǒng)的研制者能夠更方便地測試和觀察信號處理各功能模塊的工作情況。

　主要功能模塊的具體功能描述如下:

　?。?）正交采樣是信號處理的第一步，擔負著為后續(xù)處理提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)的任務(wù)，中頻接收機輸出的信號先通過A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，然后進行正交解調(diào)，以獲得中頻信號的基帶信號（也稱為中頻信號的復(fù)包絡(luò)）的I、Q兩路正交信號，采樣的速率和精度是需要考慮的首要問題，采樣系統(tǒng)引起的失真應(yīng)當被限定在后續(xù)信號處理任務(wù)所要求的誤差范圍內(nèi)。

　?。?）脈沖壓縮模塊是在發(fā)射峰值功率受限的情況下，使用匹配濾波器將接收到的寬脈沖信號變成窄脈沖且保持能量不變，以獲得更高的距離分辨力和較遠的探測距離，使得雷達作用距離和距離分辨力之間的矛盾得到較好的解決。

　?。?）MTD模塊通過各種濾波器，濾出雜波而取出運動目標的回波，從而大大改善了雜波背景下檢測運動目標的能力，而且提高了雷達的抗干擾能力。

　?。?）采用恒虛警模塊能夠隨著觀測目標的背景雜波大小而自適應(yīng)調(diào)整地門限代替固定門限，以防止雜波干擾增大時虛警概率過高，從而保證當雜波功率或其他參數(shù)發(fā)生變化時，輸出端的虛警概率保持恒定。

　　2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　基于以上實現(xiàn)方案，雷達信號處理器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要硬件資源為：一片Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VSX55 芯片，該系列器件整合了高達200 000 個邏輯單元，系統(tǒng)時鐘高達500 MHz,并具備高密度和低功耗的特點；一片TI公司的TMS320C6416芯片，系統(tǒng)時鐘達600 MHz~1 GHz,運算速度可以達到4 800 MIPS,用戶可根據(jù)對處理速度的需要，選擇不同的工作主頻；12片ADI公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9765.

　　該信號處理流程可分為3個階段：（1）預(yù)處理，由雷達接收機接收到的信號經(jīng)過放大器，濾波后通過A/D進行采樣，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及數(shù)字脈沖壓縮；其次是信號處理階段，信號處理系統(tǒng)根據(jù)工作方式，完成相參積累、MTD檢測及CFAR,或者完成圖像處理，例如實波束地圖（RBM）和SAR,主要通過寫入主處理FPGA算法完成；（2）處理主要完成結(jié)果的匯總、噪聲統(tǒng)計以及諸如抗干擾之類的處理，這一過程主要由扮演協(xié)處理器的DSP芯片組處理，并進行轉(zhuǎn)存結(jié)果并顯示。通訊接口采用RS-232串行接口連接器的9針DB9,實際使用時只使用了其中的RXD、TXD、信號地三條線；（3）由于RS-232電氣規(guī)定與常用的TTL或CMOS電平不兼容，故在與相關(guān)電路連接時，要使用專門的電平轉(zhuǎn)換芯片[6].

　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　雷達信號處理機的軟件設(shè)計包括兩方面：FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計和DSP控制程序設(shè)計。

　　3.1 FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

　　FPGA內(nèi)部功能模塊設(shè)計是整個系統(tǒng)的核心，主要功能是雷達回波數(shù)字信號的處理以及DSP接口和其他對外接口邏輯設(shè)計。雷達回波信號處理是本系統(tǒng)的核心，包括數(shù)字正交解調(diào)、脈沖壓縮處理、MTD、恒虛警處理等算法的硬件實現(xiàn)。

　　另外，F(xiàn)PGA還需要完成與計算機、DSP以及數(shù)模轉(zhuǎn)化器的通訊功能。與通用計算機采用RS-232串行通訊接口，與DSP通過EMIF連接實現(xiàn)FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)交換與存儲。因此，F(xiàn)PGA在邏輯設(shè)計時主要包括RS232接口邏輯、與DSP接口邏輯、信號處理算法邏輯以及輸出邏輯4個部分。

　　3.2 DSP控制程序設(shè)計

　　DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。

　　DSP在整個系統(tǒng)中起著控制、調(diào)整的作用，DSP與FPGA之間通過EMIF連接實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)的DSP軟件設(shè)計包括接收程序和串口程序兩部分。接收程序完成從FPGA讀取目標處理結(jié)果任務(wù)，數(shù)據(jù)接收后存儲在內(nèi)部RAM中。串口程序完成處理后信號到下位數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)送任務(wù)。程序從判斷串口的FIFO為空引起中斷開始，讀取DSP內(nèi)部RAM緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)，并按照通信協(xié)議由串口發(fā)送目標結(jié)果信息。

　　4 主要特點

　　設(shè)計的信號處理系統(tǒng)最突出的特點是高度并行、數(shù)據(jù)吞吐量大及實時性高。以大規(guī)模FPGA及高性能DSP共同構(gòu)造的信號處理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

　?。?）軟硬功能的重新劃分及軟硬協(xié)同。對于一個算法，用硬件實現(xiàn)的特點是速度快實時性強，但硬件設(shè)計較為復(fù)雜、靈活性差、精度較受限制。此系統(tǒng)可以在速度與精度要求上達到相對平衡。

　?。?）對外具有豐富的接口，既可以當作一塊獨立的板卡使用，也可以在CPCI機箱上作為標準板卡使用；同時，其具有豐富的底層軟件庫，可以提供良好的二次開發(fā)空間。

　?。?）設(shè)計的通用化的信號處理模塊，可以根據(jù)不同的要求，通過軟件自由修改參數(shù)，方便用戶使用。

　?。?）高速串行互聯(lián)技術(shù)的成熟，解決了多年來一直困擾系統(tǒng)發(fā)展的帶寬不足問題，用串行通道取代并行總線已成為趨勢，并且其優(yōu)勢是顯而易見的。

　　5 應(yīng)用舉例

　　選擇機載雷達的模擬回波信號在L結(jié)構(gòu)（LPRF和MPRF模式簡稱L結(jié)構(gòu)）下進行處理，通過計算機仿真分析系統(tǒng)的可操作性以及可靠性。在L結(jié)構(gòu)下，各個參數(shù)如表1所示。可以看出只是脈沖重復(fù)周期和信號形式的不同，因此只需要根據(jù)不同的信號選擇不同的脈沖壓縮系數(shù)即可。

　?。?）混頻：由于中頻60 MHz,采樣48 MHz,故混頻NCO頻率為12 MHz。

　?。?）DDC:由于濾波器的影響，經(jīng)過抽取后的數(shù)據(jù)率應(yīng)大于等于信號帶寬的1.25倍，即抽取后的數(shù)據(jù)率應(yīng)大于2.5 MHz,選取抽取率為8,則抽取濾波器的階數(shù)為160階，抽取后數(shù)據(jù)速率為6 MHz.下變頻后信號I（XS05輸出）、Q（XS06輸出）由DA送出可供觀察，如圖4所示。

　?。?）脈沖壓縮：LPRF有3種信號形式：7位巴克碼，13位巴克碼，線性調(diào)頻。因此需要不同的匹配濾波器系數(shù)，此處信號處理根據(jù)不同的信號形式自動切換。圖5是線性調(diào)頻信號脈壓后的仿真波形。

　?。?）動目標檢測及恒虛警：MTD采用8點的FFT實現(xiàn)，恒虛警采用兩邊距離單元平均算法，保護單元為2,平均單元為8.如圖6所示為經(jīng)過FFT后8個通道取模仿真波形以及恒虛警門限仿真波形，此圖中恒虛警系數(shù)為1.

　　6 結(jié)束語

　　近年來，國內(nèi)外雷達技術(shù)研究進展迅猛，各種新體制雷達相繼問世，對雷達信號處理器的處理能力、存儲能力、可擴展性、軟件開發(fā)以及數(shù)據(jù)傳輸與互連能力等各個方面都提出了更高的要求。FPGA和DSP技術(shù)的采用，增強了數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)的性能指標，促進了現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)的發(fā)展。尤其是各種新型的DSP產(chǎn)品，對軟件、外圍接口技術(shù)和互連技術(shù)的良好支持，使雷達信號處理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，系統(tǒng)的可擴展性得到提高。隨著FPGA和DSP的開發(fā)和應(yīng)用的深入，F(xiàn)PGA將在信息與信號處理、通信與信息系統(tǒng)、自動控制、雷達、軍事、航天和航空等許多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。