陳 彬，蘇宇逍

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院 第8研究所，河南 洛陽471009;2.中國空空導(dǎo)彈研究院 總體部，河南 洛陽471009)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式中，導(dǎo)彈定向爆破能大幅提高作用于目標(biāo)方向的殺傷能量，使導(dǎo)彈獲得更大的命中和毀傷概率、作戰(zhàn)能力。引信作為導(dǎo)彈的重要組成部件，具有方位識別能力是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈定向爆破的前提條件。信號處理系統(tǒng)作為引信的核心部件，是方位識別功能和目標(biāo)檢測功能的主要實(shí)現(xiàn)單元。其結(jié)構(gòu)和性能對引信的整體性能有著至關(guān)重要的影響。隨著FPGA、DSP技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)在引信中的應(yīng)用大幅增強(qiáng)了引信信號的處理能力，有利于方位識別引信的實(shí)現(xiàn)。文中在采用FPGA+DSP架構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一種具有8象限方位識別能力的引信信號處理機(jī)。

1 可識別方位引信系統(tǒng)原理

本方位識別算法旨在實(shí)現(xiàn)引信周向8個(gè)象限的方位識別，利用雙收雙發(fā)收發(fā)分離共4根天線，在導(dǎo)彈圓周方向形成360°均勻探測場。其布局如圖1所示，T1/T2為發(fā)射天線，R1/R2為接收天線，根據(jù)方位識別算法，可實(shí)現(xiàn)Q1～Q8共8個(gè)象限的方位識別。

圖1 天線布局及各象限位置關(guān)系圖

根據(jù)時(shí)分復(fù)用原理得到4個(gè)通道的多普勒信號，是多象限分時(shí)掃描的最終目的。算法中的多象限分時(shí)掃描采用接收支路同時(shí)接收回波，再利用接收脈沖相關(guān)特性將接收到的回波進(jìn)行分離，這種定向探測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對簡單，收發(fā)隔離度高，并且能夠降低回波多普勒的距離副瓣［1］。圖2為多象限分時(shí)掃描時(shí)序原理圖，圖3為引信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖。

2 信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能要求

設(shè)計(jì)中定向探測引信的信號處理器是一個(gè)功能復(fù)雜的處理器，采用數(shù)字頻域處理方式實(shí)現(xiàn)，包括A/D轉(zhuǎn)換電路及信號處理模塊，實(shí)現(xiàn)對多普勒信號的采樣、量化，數(shù)字信號的FFT、CFAR處理，完成對目標(biāo)的檢測、啟動判斷、干擾判別。其功能包括:(1)對4路多普勒信號進(jìn)行數(shù)字化。(2)依據(jù)4路多普勒信號，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻轉(zhuǎn)換及相關(guān)頻域處理。(3)在符合目標(biāo)檢測判據(jù)時(shí)給出目標(biāo)存在信號。(4)將多普勒信號的頻域峰值作為目標(biāo)能量信息，對4路目標(biāo)能量信息進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)引信周向8個(gè)象限的方位識別［2］。

2.2 數(shù)字信號處理系統(tǒng)工作原理

目標(biāo)或環(huán)境回波經(jīng)過引信接收前端，根據(jù)分時(shí)掃描原理得到4路多普勒回波，4路信號同時(shí)輸入信號處理電路。4路多普勒信號首先經(jīng)過A/D采樣，形成回波時(shí)域數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行FFT頻域分析和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，基于線性逼近近似算法的求模運(yùn)算、多處理器協(xié)同工作下的數(shù)據(jù)傳輸緩存，最終輸入DSP芯片中進(jìn)行目標(biāo)檢測和方位識別，得如果滿足一定的信噪比則給出目標(biāo)存在信號，在目標(biāo)存在的前提下繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)方位識別，輸出目標(biāo)方位信息。設(shè)計(jì)信號處理系統(tǒng)采用了FPGA+DSP架構(gòu)，由FPGA完成4路FFT運(yùn)算，由DSP完成目標(biāo)檢測、脫靶方位識別，由2片F(xiàn)PGA芯片和單片DSP芯片構(gòu)成了一個(gè)多處理器協(xié)同工作的數(shù)字信號處理機(jī)。圖4給出了本設(shè)計(jì)中引信信號處理單元的流程框圖。

圖4 數(shù)字信號處理功能框圖

2.3 FPGA單元設(shè)計(jì)

引信信號處理系統(tǒng)中兩片F(xiàn)PGA芯片，主要實(shí)現(xiàn)4路多普勒信號的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換以及頻域信息的預(yù)處理，要求4路并行處理。FPGA芯片選用兩片Altera公司的EP1K100QI208－2，分別記為FPGA1和FPGA2，單片F(xiàn)PGA進(jìn)行兩路FFT運(yùn)算、求模運(yùn)算以及計(jì)算結(jié)果的緩存［3］。模塊化思想能夠大幅優(yōu)化數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)代碼的可讀性和維修性，設(shè)計(jì)中廣泛采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，對信號處理中的各項(xiàng)功能合理劃分。單片F(xiàn)PGA內(nèi)部主要包含F(xiàn)IFO緩存模塊、FFT時(shí)頻轉(zhuǎn)換模塊、求模運(yùn)算模塊、DSP數(shù)據(jù)緩存模塊。圖5為單片F(xiàn)PGA內(nèi)部系統(tǒng)框圖。

圖5 單片F(xiàn)PGA系統(tǒng)框圖

2.4 DSP單元設(shè)計(jì)

引信信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了TI公司的F2802芯片，作為FFT運(yùn)算后續(xù)處理檢測、判別的主處理器。F2812有內(nèi)置Flash存儲器，無需外掛存儲芯片。F2812是一款高速成熟的DSP處理器，具有很強(qiáng)的數(shù)字信號處理能力，最高核心頻率可達(dá)150 MHz，程序中系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定為100 MHz，既能滿足信號處理的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)又保證了器件工作的穩(wěn)定性。

DSP信號處理器接收到FPGA發(fā)送的中斷請求后，從FPGA雙口RAM中讀取128點(diǎn)頻譜x(k)，對x(k)進(jìn)行逐點(diǎn)選大，找到目標(biāo)所在頻譜位置。將單元內(nèi)其他譜線能量相加平均作為噪聲能量N。為弱化信號截?cái)嘁鸬念l譜泄漏，計(jì)算噪聲能量時(shí)，去掉最大譜線兩側(cè)相鄰的兩根譜線，將最大譜線及噪聲能量的比值與既定門限進(jìn)行比較，判斷目標(biāo)是否存在，若不存在，則進(jìn)行下一幀運(yùn)算;若存在，則進(jìn)入方位識別程序，進(jìn)行方位識別，若能識別出目標(biāo)方位，則給出二進(jìn)制3位方位指示信號3`b000～3`b111，分別對應(yīng)導(dǎo)彈周向8個(gè)方位。DSP軟件處理流程圖如圖6所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1 方位識別算法的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)文中方位識別算法設(shè)計(jì)，可以得到可識別方位信號處理系統(tǒng)的測向工作原理，但判據(jù)的確定僅是理論的推導(dǎo)，只有對實(shí)際多普勒回波的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行分析，從中得出各通道多普勒信號，對應(yīng)頻譜譜峰與實(shí)際目標(biāo)方位的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)中，基于多普勒比幅算法的方位識別功能最終判據(jù)的確定是一個(gè)不斷試驗(yàn)、根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果又去不斷修正的過程，由于DSP芯片對于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)有著較好的靈活性，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)和軟件優(yōu)化，最終得到一個(gè)穩(wěn)定可靠的可識別8象限方位信息的引信信號處理系統(tǒng)。

采用多普勒信號最大值比較法來識別目標(biāo)脫靶方位，即根據(jù)4路多普勒信號進(jìn)行頻譜分析后，按照頻域能量比幅的方法進(jìn)行方位識別，4通道多普勒接收機(jī)和信號器多通道處理之間的指標(biāo)一致性將影響測向的精度，對接收機(jī)和信號處理器的通道一致性進(jìn)行了標(biāo)定，如圖7所示。

61圖6 DSP工作流程圖

3.2 多處理器協(xié)同工作下高速數(shù)據(jù)傳輸

由于設(shè)計(jì)中采用FPGA+DSP的系統(tǒng)構(gòu)成方式，由兩片F(xiàn)PGA完成4路多普勒信號的FFT運(yùn)算、求模運(yùn)算等，由DSP完成后續(xù)復(fù)雜算法計(jì)算。對于每幀運(yùn)算，經(jīng)2片F(xiàn)PGA處理得到的4路信號頻域信息能夠快速、同步、準(zhǔn)確的傳到下級DSP芯片中，是多處理器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。

以256點(diǎn)，8位FFT運(yùn)算為例，在兩片F(xiàn)PGA進(jìn)行完FFT運(yùn)算和模值運(yùn)算后，得到4路多普勒信號的頻域信息，共4路×256點(diǎn)×8位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之后要進(jìn)行頻域單元平均恒虛警算法判斷是否存在目標(biāo)，以及用消比幅算法來判斷目標(biāo)的方位信息。而進(jìn)行下一步處理，首先要完成4路頻域數(shù)據(jù)的傳輸問題，在信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)處理有實(shí)時(shí)性處理的要求，并且FPGA與DSP之間只有一個(gè)數(shù)據(jù)通路，如果將4路數(shù)據(jù)串行傳輸，傳輸時(shí)間將大幅增加，直接導(dǎo)致信號處理系統(tǒng)不能滿足實(shí)時(shí)性要求?；谶@樣的考慮，在傳輸數(shù)據(jù)之前首先將4路×256點(diǎn)×8位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為1路×512點(diǎn)×16位的頻域數(shù)據(jù)，通過DSP的16位數(shù)據(jù)通路傳輸數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)預(yù)處理方法需要將兩片F(xiàn)PGA的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，在緩存模塊的軟件設(shè)計(jì)中，首先將FPGA1和FPGA2中的兩路FFT運(yùn)算結(jié)果2路×8位融合成1路×16位數(shù)據(jù)，再將FPGA2中的處理結(jié)果傳至FPGA1中，將兩片F(xiàn)PGA的處理結(jié)果分別存入兩個(gè)雙口RAM中，兩個(gè)存儲器統(tǒng)一由DSP地址總線控制，增設(shè)存儲器選擇端，同一時(shí)刻僅有一個(gè)RAM向DSP傳輸數(shù)據(jù)。多級數(shù)據(jù)緩存示意圖如圖8所示。

圖7 4通道多普勒信號頻譜分析對比圖

圖8 多級數(shù)據(jù)緩存原理框圖

根據(jù)上述原理進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)能夠快速、4通道同步、準(zhǔn)確地將頻域處理結(jié)果送至下級運(yùn)算中，保證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性。

3.3 高速信號處理中的多級流水設(shè)計(jì)

由于引信與目標(biāo)高速交會，要正確識別目標(biāo)、精確控制炸點(diǎn)，就必須在較短的時(shí)間內(nèi)處理大量的回波信息。定向毫米波引信數(shù)字信號處理立足于干擾條件下探測識別目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念，更需要在短時(shí)間內(nèi)對多個(gè)象限的回波信號做多批次的處理并進(jìn)行特征積累，完成干擾模式的識別和目標(biāo)的精確檢測及定位。因此，對信號處理的快速性、實(shí)時(shí)性要求更高。

為保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性，在整個(gè)信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了多級流水線處理，首先將整個(gè)信號處理系統(tǒng)分為時(shí)頻轉(zhuǎn)換和目標(biāo)檢測、方位識別兩級大流水線，在FPGA的設(shè)計(jì)中，將整個(gè)時(shí)頻轉(zhuǎn)換也分為數(shù)據(jù)接收緩存、FFT運(yùn)算、求模運(yùn)算、數(shù)據(jù)輸出緩存等模塊。在每個(gè)模塊設(shè)計(jì)中，又將各模塊運(yùn)算進(jìn)行分級處理，多級流水線處理保證了整個(gè)信號處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和快速性。多級流水的思想利用了FPGA內(nèi)部的豐富資源、面積換取了速度，大幅提高了系統(tǒng)關(guān)鍵路徑的最高時(shí)鐘頻率fmax。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種基于多處理器的數(shù)字信號處理機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)了引信的頻域目標(biāo)檢測算法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基于多普勒比幅算法的方位識別算法，具有8象限的方位識別能力，信號處理器裝調(diào)完成后，對信號處理電路進(jìn)行了不同交會狀態(tài)的數(shù)據(jù)回放，結(jié)果表明，該信號處理器能夠在不同的交會條件下，準(zhǔn)確給出目標(biāo)存在信號和目標(biāo)方位信息，實(shí)現(xiàn)8象限的目標(biāo)方位識別。

［1］ 刁海南.判斷導(dǎo)彈脫靶方位的多普勒信號比幅算法［J］.宇航學(xué)報(bào)，2003，24(3):239－243.

［2］ 張清泰.無線電引信總體設(shè)計(jì)原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985.

［3］ 吳繼華，范麗珍.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2005.