徐 瑾

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088）

1 引言

隨著天氣雷達(dá)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，低成本、小型化、便攜式天氣雷達(dá)正成為眾多行業(yè)用戶的新寵。這種輕小型天氣雷達(dá)通常僅靠三角架支撐，體積小、重量輕、電子設(shè)備的集成高是這類便攜式天氣雷達(dá)的典型特征。為了達(dá)到對(duì)數(shù)字處理分系統(tǒng)的“瘦身”，將常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)成中的雙通道中頻數(shù)字接收機(jī)、雙通道信號(hào)處理器、雷達(dá)監(jiān)控單元這三部分進(jìn)行合并設(shè)計(jì)是該類型雷達(dá)的技術(shù)關(guān)鍵之一。本文介紹的是一款針對(duì)便攜式天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)的，以一片大容量FPGA芯片和一片DSP芯片為核心處理平臺(tái)，集成雙路高速AD采樣、千兆光口、百兆網(wǎng)口、若干GPIO及大容量運(yùn)算存儲(chǔ)器的綜合型雷達(dá)數(shù)字處理單元。以下將對(duì)該中頻信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)原理及工作性能做進(jìn)一步闡述。

2 雙通道中頻信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

便攜式天氣雷達(dá)的“小身材”并不代表著性能上的“打折扣”。換句話說(shuō)，氣象目標(biāo)的多普勒處理是仍需具備的，只是采用的是中頻相參處理的手段：需要一個(gè)額外接收通道來(lái)采集和跟蹤識(shí)別發(fā)射主波樣本的中頻頻率及相位，并以此來(lái)對(duì)回波進(jìn)行修正。雙通道接收便是基于這一目的而引出的設(shè)計(jì)要求。

為了實(shí)現(xiàn)雙通道的中頻數(shù)字接收，雙通道高速AD采樣是必備的功能，該單元選用16bit/130MSPS 的AD9461雙通道ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)變換，從而確保了具有較高的采集處理動(dòng)態(tài)及靈敏度。

該處理單元的主要設(shè)計(jì)目的之一便是對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采集并實(shí)現(xiàn)下變頻功能，這一數(shù)字混頻處理過(guò)程必須滿足實(shí)時(shí)處理要求。因此，配置一片高速FPGA 芯片作為中頻數(shù)字接收的處理器是非常必要的。在該處理單元中選用的是ALTERA的EP4CGX150，該芯片屬cyclone系列的4代產(chǎn)品，擁有極高的性價(jià)比。非常適合氣象信號(hào)處理的運(yùn)算要求。

由于該處理單元不僅要完成中頻數(shù)字接收功能，還要實(shí)現(xiàn)氣象目標(biāo)的基本參數(shù)估計(jì)運(yùn)算。在這方面，DSP芯片有著極佳的運(yùn)算優(yōu)勢(shì)和軟件開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。因此，在該處理單元中選用了ADI的TS101作為信號(hào)處理器，用以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、速度及譜寬的參數(shù)提取。

為了確保數(shù)據(jù)流能在FPGA及DSP這兩個(gè)處理器間進(jìn)行高速傳輸，在該處理單元的設(shè)計(jì)中為這兩個(gè)處理器建立了兩個(gè)高速數(shù)據(jù)通道，一個(gè)是DSP的link口，一個(gè)是DSP的32位并行總線。這種并行數(shù)據(jù)傳輸模式可有效提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力。為此，在FPGA的設(shè)計(jì)中特別加入的TS101的link口的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。

信號(hào)與數(shù)據(jù)處理在整個(gè)運(yùn)算過(guò)程中需要有多個(gè)大容量存儲(chǔ)器做為中間臨時(shí)數(shù)據(jù)的緩存，設(shè)計(jì)中除在DSP總線上配置了一片大容量動(dòng)態(tài)RAM 外，還為FPGA配置了兩片讀寫(xiě)通道各自獨(dú)立的SSRAM，這樣的設(shè)計(jì)主要是為了給FPGA構(gòu)造乒乓結(jié)構(gòu)的讀寫(xiě)體系，從而解決FPGA與DSP之間的異步運(yùn)算處理問(wèn)題。

該處理單元除具備信號(hào)與數(shù)據(jù)處理的各種運(yùn)算能力以外，還應(yīng)具有雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)控能力。為此，需要配置若干GPIO口以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制。以太網(wǎng)是當(dāng)今已被廣泛接受的數(shù)據(jù)互通形式，該處理單元設(shè)計(jì)了光纖及水晶頭兩種形式的以太網(wǎng)接口。其中光纖的傳輸速率可達(dá)1.25Gbps，水晶頭為百兆網(wǎng)口，兩種形式均可為信號(hào)處理器提供數(shù)據(jù)輸出接口。

該處理單元的原理框圖如圖1所示。

通過(guò)以上描述可以看出，該數(shù)字處理單元是一個(gè)具備雙路中頻信號(hào)接收能力的、有利于進(jìn)行各種高速信號(hào)與數(shù)據(jù)處理運(yùn)算的通用化處理單元，這種通用、開(kāi)放式的平臺(tái)設(shè)計(jì)可以滿足多種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。以下將以中頻相參信號(hào)處理應(yīng)用說(shuō)明該中頻信號(hào)處理單元的軟件設(shè)計(jì)方法。

3 典型的中頻信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

中頻相參處理的價(jià)值在于：通過(guò)增加一路接收通道，以最小的代價(jià)，即以數(shù)字處理的手段將常規(guī)體制的天氣雷達(dá)改造為了多普勒體制的天氣雷達(dá)。這對(duì)于低成本的便攜式天氣雷達(dá)而言是一種極佳的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

中頻相參處理的軟件算法流程圖如圖2所示。

圖2 中頻相參處理的軟件算法流程圖

實(shí)際上，中頻相參體制的雷達(dá)所使用的發(fā)射管為普通的常規(guī)的磁控管，其發(fā)射頻率是不穩(wěn)定的。樣本通道采集的目的正是為了實(shí)時(shí)跟蹤并獲取發(fā)射頻率，用以對(duì)混頻用的NCO進(jìn)行修正，從而達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行相干處理的作用。同時(shí)，為了達(dá)到進(jìn)一步的修正，還需要根據(jù)樣本初相對(duì)回波進(jìn)行共軛處理，這樣才能進(jìn)一步消除發(fā)射頻率“漂移”所帶來(lái)的對(duì)多普勒測(cè)速的影響。經(jīng)這一處理后，輸出的便是可以進(jìn)行相參信號(hào)處理的I/Q信號(hào)了。

典型的氣象信號(hào)處理軟件流程如圖3所示。

圖3 氣象信號(hào)處理軟件流程

其中，雜波抑制主要是針對(duì)地雜波進(jìn)行的濾波處理，通常采用IIR（無(wú)限沖擊響應(yīng)）濾波器。

DVIP（數(shù)字視頻積分處理）用于對(duì)氣象回波功率進(jìn)行估算，通常采用平方律平均的方式進(jìn)行估算。PPP（脈沖對(duì)處理）用于在時(shí)域上對(duì)氣象回波速度及速度譜寬進(jìn)行估算，其核心算法是計(jì)算相鄰脈沖的自相關(guān)函數(shù)的統(tǒng)計(jì)值，再以此計(jì)算出氣象回波的多普勒速度和速度譜寬。其最大的特點(diǎn)是處理算法較簡(jiǎn)單，無(wú)需較多的脈沖樣本數(shù)。FFT（快速傅里葉變換）則是在頻域上對(duì)氣象回波速度及速度譜寬進(jìn)行估算，采取的是通過(guò)計(jì)算多普勒功率譜的零階矩、一階矩和二階矩來(lái)分別求得氣象回波的功率、平均多普勒速度和速度譜寬。其運(yùn)算估計(jì)精度較高，單需要較多的的脈沖樣本數(shù)。此外，該處理單元通常會(huì)附帶完成雷達(dá)系統(tǒng)的監(jiān)控功能。典型的監(jiān)控軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 氣象信號(hào)處理軟件流程

監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用有以下幾點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)故障、狀態(tài)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)與上報(bào)；二是對(duì)各種故障及狀態(tài)超標(biāo)現(xiàn)象進(jìn)行主動(dòng)連鎖性保護(hù)控制，以確保系統(tǒng)設(shè)備免二次損壞；三是響應(yīng)各種人為控制指令，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。

上述的中頻相參處理及監(jiān)控功能由FPGA來(lái)完成，而整個(gè)氣象信號(hào)處理的運(yùn)算則由DSP來(lái)承擔(dān)。這樣的處理分配可以最大化地發(fā)揮這兩種處理器各自的優(yōu)勢(shì)。

4 中頻信號(hào)處理單元的應(yīng)用價(jià)值

作為一個(gè)通用化的中頻信號(hào)與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，該單元憑借其較為完整的輸入輸出接口、雙路16位高速ADC、兩顆優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的高性能處理芯片（FPGA+DSP）、內(nèi)部多條高速互聯(lián)總線、可獨(dú)立定義讀寫(xiě)結(jié)構(gòu)的大容量SSRAM及百兆/千兆雙網(wǎng)口的配置，可滿足大多數(shù)嵌入式雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算要求。這一開(kāi)放式設(shè)計(jì)搭建過(guò)程其實(shí)是在遵循著“硬件通用化，軟件實(shí)例化”的設(shè)計(jì)原則。“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念告訴我們，只有將自己的產(chǎn)品接入通用網(wǎng)絡(luò)，才能融入這個(gè)時(shí)代，才能成為整個(gè)大的“產(chǎn)品生態(tài)鏈”中的一員。高速網(wǎng)絡(luò)接口顯然預(yù)示著該數(shù)字處理單元已具備了網(wǎng)絡(luò)接入的能力，我們利用網(wǎng)絡(luò)口為上級(jí)用戶建立起了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，也就是說(shuō)，借助為該中頻信號(hào)處理單元配套的SDK軟件包，上級(jí)組網(wǎng)探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者可以輕松操控該雷達(dá)并獲取氣象基數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行氣象產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)利用。

天氣雷達(dá)的數(shù)據(jù)化處理無(wú)外乎是中頻數(shù)字采樣、數(shù)字濾波、去載頻、數(shù)字雜波抑制及氣象估計(jì)要素的提取及輸出這一系列過(guò)程。該處理單元無(wú)論在接口還是運(yùn)算能力上都已具備了通用化的嵌入式天氣雷達(dá)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理的要求。通過(guò)研制和加載兩個(gè)處理器的不同軟件，該通用化數(shù)字處理單元已在各種氣象及空管雷達(dá)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

該中頻信號(hào)處理單元的實(shí)物照片如圖5所示。

圖5 中頻信號(hào)處理單元實(shí)物圖

該處理單元的緊湊型硬件設(shè)計(jì)以及延伸到中頻的信號(hào)處理能力已為各類嵌入式數(shù)字應(yīng)用提供了一個(gè)性價(jià)比極高的開(kāi)放式處理平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟件加載升級(jí)更為各類嵌入式數(shù)字應(yīng)用處理系統(tǒng)提供了一個(gè)便捷的“軟件化”算法定義及實(shí)現(xiàn)手段。

隨著便攜式天氣雷達(dá)的迅速普及，這類“軟件化”定義的高集成型嵌入式數(shù)字處理單元將會(huì)持續(xù)地發(fā)揮著更為重要的作用。

[1] 吳繼華，蔡海寧，王誠(chéng).Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）.北京：人民郵電出版社，2011.