航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 沈佳波

94969部隊(duì)保障部 陳學(xué)良

一種雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 沈佳波

94969部隊(duì)保障部 陳學(xué)良

通過(guò)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的設(shè)計(jì)思路，解決因雷達(dá)裝備型號(hào)更新和功能改進(jìn)帶來(lái)的大量重復(fù)性硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題，提供裝備的可靠性、維護(hù)性、通用性、重構(gòu)性和擴(kuò)展性。

雷達(dá)；信號(hào)處理；通用

1.引言

信號(hào)處理平臺(tái)是現(xiàn)代雷達(dá)的核心部件，其工作性能直接影響雷達(dá)的探測(cè)性能。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，信號(hào)處理平臺(tái)是按照功能劃分來(lái)設(shè)計(jì)插件。由于承擔(dān)的處理功能不同，每種插件的對(duì)外接口類(lèi)型和處理芯片各不相同，且對(duì)引腳定義無(wú)明確規(guī)定。因此導(dǎo)致信號(hào)處理平臺(tái)的擴(kuò)展性、通用性和維護(hù)性較差。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)通用的信號(hào)處理平臺(tái)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。其基本思想是以FPGA芯片和DSP芯片為核心處理器件設(shè)計(jì)信號(hào)處理插件，并在外圍電路中設(shè)計(jì)多種存儲(chǔ)芯片和接口芯片，以滿足信號(hào)處理不同功能的需求。本文介紹了基于FPGA芯片和DSP芯片的雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)，并對(duì)信號(hào)處理平臺(tái)的通用設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

2.雷達(dá)信號(hào)處理的基本流程

在雷達(dá)系統(tǒng)中信號(hào)處理的主要作用是通過(guò)匹配濾波和檢測(cè)技術(shù)從雜波背景中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測(cè)量目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離、方位和高度。典型的雷達(dá)信號(hào)處理流程框圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)信號(hào)處理基本流程框圖

傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)按圖1中的功能模塊劃分設(shè)計(jì)插件。由于每種功能涉及的數(shù)學(xué)運(yùn)算類(lèi)型和運(yùn)算量存在區(qū)別，導(dǎo)致每種插件選擇芯片的類(lèi)型和型號(hào)也不相同。而且外形尺寸也沒(méi)有嚴(yán)格遵循國(guó)際通用規(guī)范。因此存在通用性差、升級(jí)困難和無(wú)法擴(kuò)展的問(wèn)題。

3.雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路是采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的設(shè)計(jì)思路來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)處理平臺(tái)。

雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)選擇外形尺寸和機(jī)械性能符合國(guó)際通用規(guī)范的機(jī)箱來(lái)滿足雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)通用化的要求。其外形示意圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)示意圖

電氣設(shè)計(jì)的核心是通過(guò)電路設(shè)計(jì)使信號(hào)處理平臺(tái)具備通用性、擴(kuò)展性和重構(gòu)性。因此信號(hào)處理平臺(tái)采用星型拓?fù)?菊花鏈拓?fù)涞慕M合結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)處理節(jié)點(diǎn)的連接方式靈活。

接口板的主要作用是接收數(shù)據(jù)和控制報(bào)文，然后控制處理板對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，最后將處理后的結(jié)果發(fā)送到下一級(jí)設(shè)備。考慮信號(hào)處理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和誤碼率的要求，選擇光纖接口作為主要的數(shù)據(jù)交互接口。同時(shí)還設(shè)計(jì)以太網(wǎng)、RS-232、RS-422、LVDS和LVTTL等形式的對(duì)外交互接口。

信號(hào)處理平臺(tái)的主要處理任務(wù)由處理板完成，因此要求處理板具備較高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力?；谏鲜隹紤]選擇FPGA+DSP的架構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是具備強(qiáng)大的并行處理能力和浮點(diǎn)運(yùn)算能力。具體硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 處理板硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)

FPGA芯片與DSP芯片之間采用并行總線和高速鏈路口兩種數(shù)據(jù)交換方式。DSP芯片之間則全部采用高速鏈路口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)為了解決數(shù)據(jù)處理時(shí)需要緩存大量中間結(jié)果的問(wèn)題，在FPGA芯片和DSP芯片的外圍電路中設(shè)計(jì)了SDRAM、FRAM和FLASH等存儲(chǔ)器。FPGA芯片和DSP芯片可以通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)操作。

處理板工作時(shí)由FPGA芯片完成數(shù)據(jù)收發(fā)、時(shí)序控制和并行數(shù)據(jù)處理。DSP芯片完成FFT、浮點(diǎn)數(shù)乘法等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)運(yùn)算。

同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)處理板的系列化設(shè)計(jì)，其對(duì)外交互的接口也應(yīng)明確定義。處理板上共可以安裝5個(gè)連接器，每個(gè)連接器上傳輸信號(hào)的類(lèi)型如圖4所示。

圖4 處理板對(duì)外交互接口定義

圖5 程序加載管理電路結(jié)構(gòu)圖

RS232和RS422信號(hào)一般用于傳輸?shù)退俚耐ㄓ嵖刂菩盘?hào)，LVTTL一般用于傳輸使能信號(hào)和低速信號(hào)，而LVDS信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)，一般用于傳輸高速信號(hào)。

由于要求處理板可以完成不同的功能，因此需要在處理板中加載不同的工作程序。所以設(shè)計(jì)了程序加載管理電路。程序加載管理電路可以根據(jù)每塊處理板的ID編號(hào)自動(dòng)從FLASH芯片中調(diào)用對(duì)應(yīng)的程序加載到FPGA芯片和DSP芯片。處理板的ID編號(hào)隨處理板工作槽位的變化而動(dòng)態(tài)改變。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通用信號(hào)處理平臺(tái)的工作原理：接口板通過(guò)對(duì)外交互接口接收前級(jí)設(shè)備發(fā)送的待處理數(shù)據(jù)和與數(shù)據(jù)匹配的控制報(bào)文，然后由接口板將數(shù)據(jù)和控制報(bào)文按規(guī)定的格式分發(fā)到處理板完成相應(yīng)的處理。相同的功能根據(jù)處理量的區(qū)別可以設(shè)計(jì)為由一塊處理板獨(dú)立完成或多塊處理板共同完成。功能模塊之間的高速數(shù)據(jù)交互通過(guò)接口板與處理板之間的數(shù)據(jù)通道實(shí)現(xiàn)，處理板之間的數(shù)據(jù)通道一般用于傳遞實(shí)時(shí)性較低的數(shù)據(jù)。信號(hào)處理平臺(tái)最終的處理結(jié)果由接口板通過(guò)以太網(wǎng)或LVDS接口對(duì)外輸出。

4.結(jié)束語(yǔ)

雷達(dá)信號(hào)處理通用化技術(shù)的發(fā)展，預(yù)示著現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步從定制化進(jìn)入規(guī)范化、通用化、系列化設(shè)計(jì)。本文所述的雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)已經(jīng)成功裝備多個(gè)型號(hào)的雷達(dá)，有效地提高了雷達(dá)的可靠性、維護(hù)性、通用性、重構(gòu)性和擴(kuò)展性。為后續(xù)的雷達(dá)通用信號(hào)處理平臺(tái)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

The Design of a Radar General Signal Processing Platform

SHEN Jia-bo
（Aerospace Nanhu Electronic Information Technology Co., Ltd. Jingzhou 434000, China）

The design thought of modularization, standardization and generalization is applied to solve repetitive hardware design problem due to radar model update and function improvement. This design also provides reliability, maintainability, generality, reconf i gurablity and expansibility.

Radar；Signal Processing；General

沈佳波（1983—），男，工程師，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理設(shè)計(jì)。

陳學(xué)良（1969—），94969部隊(duì)保障部，高級(jí)工程師。