基于PCI Express總線的R-D算法實時成像系統設計

　　R-D算法是SAR成像中應用最廣的一種算法，因其具有原理直觀、實現方便等優(yōu)點在實際中有廣泛的應用。R-D算法的基本特點是運動補償、參數估計比較靈活，距離向處理和方位向處理分開，運算既是并發(fā)的、又是流水的，同時他又具有SAR成像本身的大運算量、大存儲量等特點，故R-D SAR信號處理機在系統結構上有其自身的特點。本文在分析R-D SAR信號處理特點的基礎上探討R-D SAR成像系統的設計，整個系統利用當前流行的PCI Express總線進行數據通信，提高了數據傳輸能力。

　　1 R-D算法流程及特點

　　距離-多普勒成像雷達雖然有多種參數估計方法，各自的成像算法又有很大的差異，但基本運算和算法流程差別不大，如圖1所示。

　　其中，(2)～(6)表示成像處理。在(2)中一般采用dechirp或者匹配濾波的方法。如果采用dechirp方法，要生成一幅8 192×8 192點的圖像，需要在距離向處理中進行8 192次8 192點FFT運算；而同樣大小的圖像如果采用匹配濾波的方法則需要16 383×8 192點FFT運算，這還沒有包括運動補償和乘以解調頻函數(dechirp方法)或乘以脈壓匹配函數(匹配濾波方法)中的乘法運算。圖中(3)就是專門進行距離向處理所必需的參數估計、運動補償因子計算以及解調頻函數或脈壓匹配函數的計算。這個過程往往需要用到預處理完成后的部分數據甚至全部數據，有時還要用到中間結果的部分數據甚至全部數據。完成距離向處理后，為了在方位向處理時數據能夠在存儲器中按方位向連續(xù)存放以加快存取速度，要將數據轉置(4)(這里原始數據按距離向連續(xù)存放)。方位向處理與距離向處理類似，但方位壓縮(5)一般采用匹配濾波的方法，因為方位回波的帶寬比較寬。而這期間也要由(6)來專門估計方位向參數，計算相位校正函數和方位向脈壓匹配函數。

　　由此總結R-D SAR成像雷達信號處理的特點如下：

　　巨大的存儲量 顯然，僅存一幅8 192×8 192點復圖像所需要的存儲量約為512 MB，如果乒乓工作，那么處理器的存儲能力需要超過1 GB，顯然應該用SDRAM。

　　巨大的運算量因距離向和方位向都要進行脈沖壓縮，故運算量非常大。以8 192×8 192點圖像為例，若兩個方向都采用匹配濾波方法，一共需要進行32 768次8 192點FFT運算；若采用基2方法，僅FFT運算就需要1 280萬次復數乘法，3 432萬次復數加法。設合成孔徑時間是5 s，則在一個合成孔徑時間內算出一幅圖像要求處理器的有效運算能力在10億FLOPS以上，因此必須采用多處理器結構。

　　處理的并發(fā)性和流水性 原始數據一般是以回波到達順序進入信號處理機，這樣在距離向處理時可采用流水方式進行，流水線以子孔徑為單位分級。方位向的參數估計往往需要整個孔徑長度的方位回波，所以方位向處理要等到在整個孔徑上完成距離向處理后才開始并發(fā)執(zhí)行。因此不僅要考慮整體的流水操作，還要考慮距離向處理和方位向處理的差異。 巨大的通信數據率 在進行參數估計和計算校正函數以及匹配函數時往往要用到數據的部分或全部樣本，由于運算集中在計算FFT上，處理器能夠花費在參數估計上的時間已非常有限，讀取數據的時間就更少了，這就要求在處理器的各模塊之間有良好的拓撲結構和很高的數據傳輸速率。

　　2 PCI Express總線技術

　　2.1 PCI Express總線簡介

　　在基于PCI總線的PC世界或工控領域里，隨著網絡流量的不斷提高，PCI和PCI-X的多點并行架構的瓶頸越來越突出，而PCI Express架構具有更高的性能，可以突破此類瓶頸的限制。PCI Express架構采用串行輸入／輸出結構，每條通道在每個方向上的發(fā)送和接收數據速率高達2.5 Gb／s，最新的PCI Express 2.0的數據速率更是高達5 Gb／s，具有更好的可擴展性，可提供更高的帶寬。由于PCI和PCI-X總線采用共享多點并行總線架構，所以當總線中的插槽和設備數量增加時，有限的總線資源會被多個設備共享，于是帶寬就會相應的下降。PCI和PCI-X采用平行的、多點下傳的連接架構，很容易產生串擾現象，此外所有的信號線必須完全等長，否則無法將信號同步傳到另一端，而會產生信號扭曲。這些問題讓PCI的時鐘頻率難以提升，電壓也難以下降，造成速度提升上的發(fā)展限制。而PCI Express采用序列的、點對點的連接架構，收發(fā)數據差分傳輸，可以避免信號不同步并且減少干擾。PCIExpress帶寬隨著通道數的增加而增加，如表1所示。

　　PCI Express是全新第三代I／O串行總線標準，其性能超越了以前的PCI標準。但是PCI、PCI-X與PCI Express仍將在未來的一段時間內共存。PCI Express可提供專用的、高性能的、可擴展的帶寬總線和卓越的以太網性能，其功能遠遠超越了PCI和PCI-X的共享多點架構。從軟件上看，采用PCI-Express架構可以兼容所有為PCI設備編寫的軟件。

　　在雷達信號處理系統設計中，要突破帶寬的限制，PCIExpress總線是一個不錯的選擇。在PCI Express點到點的結構中，每個設備都有一個專用連接而不必共享帶寬。一種典型的通過PCI Express互連的信號處理架構就是每個設備都與一個系統控制模塊相連。值得注意的足，系統控制模塊必須具備對串行數據進行交換的能力。

　　2.2 支持PCI Express總線的MicroTCA機箱

　　在工控機箱領域，MicroTCA充分采納和沿用了AT-CA的各項優(yōu)點，把ATCA的AMC模塊(Advanced Mez-zanine Card)作為系統的基本配置單元，具有更小的體積、更緊湊的結構和相對較低的系統成本，所以采用MicroT-CA架構的機箱是一個好的選擇。

　　MicroTCA是一個完全模塊化的系統平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機箱和風扇等，其結構如圖2所示。

　　AMC是MicroTCA的基本功能模塊，他有6種標準尺寸，這里采用148.8 mm*13.88 mm*181.5 mm的標準。用AMC可以實現數據處理、數據存儲、數據通信和數據I／O功能。與CPCI系統的PMC模塊相比，AMC在結構、功能、性能、互連方式和擴展能力等方面都有很大優(yōu)勢。MCH(MicroTCA Controller & Hub)是MicroTCA的系統控制、管理和數據交換模塊。每個MCH可以對12個AMC提供數據交換和管理功能，每個系統最多可有4個MCH通過更新通道互連實現多達48個AMC的數據交換和管理。每個AMC最多有21個可配置的高速數據接口，每個MCH最多有60個可配置的高速數據接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網絡實現高速數據通信。

　　MicroTCA擁有標準化的功能模塊、可配置的業(yè)務類型、可擴展的背板傳輸帶寬、緊湊的物理結構、靈活的應用方式、梯級化的可靠性設計、較低的開發(fā)和應用成本、較少的產品開發(fā)時間、更長的產品生命周期?；谶@些先進特性，MicroTCA必將得到廣泛的應用。

　　綜合上述優(yōu)點，我們采用具有MicroTCA架構的提供標準PCI Express總線的工控機。ELMA公司的MicroTCA 7U系統平臺符合PICMG規(guī)范，提供標準的PCI Express插槽，支持單寬、雙寬，半高、全高的AMC模塊，采用風冷的冷卻方式，具有高級的EMC屏蔽和靈活的組合方式，是我們雷達成像處理系統所需標準機箱的一個不錯的選擇。機箱的底板采用ELMA公司的14槽MicroTCA背板，他符合MicroTCA.0 R1.0標準規(guī)范，具有12個AMC模塊、1個電源模塊、1個MCH模塊，單槽數據帶寬可達40 Gb／s，具有高速串行連接器，支持6.25 Gb／s的傳輸率，此外還有標準的系統管理接口。底板的主要功能是給采集／存儲板卡及信號處理板卡提供標準的PCI Express插槽，給板卡供電的同時可以實現主機與板卡間的通信以及板卡間的相互通信。