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[導(dǎo)讀] 隨著雷達信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代國防對雷達技術(shù)的需求,系統(tǒng)對雷達信號處理的要求也越來越高,需要實時處理更加龐大的數(shù)據(jù)。先進的雷達信號處理設(shè)備不僅要求性能高、功能多樣化,而且要求信號處理設(shè)備


    隨著雷達信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及現(xiàn)代國防對雷達技術(shù)的需求,系統(tǒng)對雷達信號處理的要求也越來越高,需要實時處理更加龐大的數(shù)據(jù)。先進的雷達信號處理設(shè)備不僅要求性能高、功能多樣化,而且要求信號處理設(shè)備的研制、裝備周期短,能保持與國際先進水平同步發(fā)展。因此有必要發(fā)展一種可重構(gòu)、可擴展的通用信號處理系統(tǒng),能將雷達信號處理模塊化、標準化、通用化。這樣,一方面可以通過硬件擴展來適應(yīng)信號處理規(guī)模的變化,另一方面可以通過靈活的軟件編程來實現(xiàn)各種信號方式和各種復(fù)雜算法。FPGA在雷達信號處理中比DSP更具有優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下幾點:(1)專用設(shè)計的硬件電路實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法可以最大限度地利用其并行性,可以達到比采用DSP處理器串行運算高得多的運算性能,實時性更強;(2)一些新型的FPGA可以實現(xiàn)大量的片內(nèi)RAM,可以在傳統(tǒng)的DSP系統(tǒng)不能達到的高數(shù)據(jù)率下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲等操作;(3)功耗更低。文中采用Ahera公司最新、具有最佳性能、最大密度和最低功耗的高端FPGA StratixⅢ設(shè)計了基于CPCI總線的通用FPGA信號處理板,并在某雷達系統(tǒng)中進行了實際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)
    系統(tǒng)可以同時對8路模擬信號進行處理,也可以同時對8路數(shù)字信號進行處理,兩種工作模式通過外部控制信號來進行自適應(yīng)選擇,系統(tǒng)框圖,如圖1所示。

    選用Altera公司65 nm工藝的高端FGPA產(chǎn)品StratixⅢ系列的EP3SE1 10F1 152C4,StratixⅢ在功耗、性能、易用性和成本等4大方面均有改善,其中可編程功耗技術(shù)能夠在大幅降低功耗的同時達到高性能要求。與前一代90 nm工藝的Stratix II器件相比,硬件體系結(jié)構(gòu)提升和Quartus II軟件改進使StratixⅢ功耗降低了50%,同時性能提高25%,密度則是前者的兩倍。每一片EP3SE110F1 152C4同時對兩路信號進行實時處理,它內(nèi)含448個18×18的定點硬件乘法器,85 200個自適應(yīng)邏輯單元,以及8 MB的內(nèi)嵌RAM,如此豐富的硬件資源使得利用FPGA來實現(xiàn)雷達信號處理成為了可能,系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu),如圖2所示。

    8路模擬信號通過8路A/D送到FPGA,8路數(shù)字信號通過CPCI接口送到FPGA進行信號處理,控制信號通過CPCI接口送到FPGA。信號處理的結(jié)果通過PCI9054送到CPCI接口,直接在計算機上對數(shù)據(jù)進行分析和處理,通過CPCI接口把數(shù)據(jù)送到后端進行信號處理,同時通過兩路D/A觀察和分析。

2 通用FPGA信號處理板的在某雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用
2.1 通用信號處理板實現(xiàn)數(shù)字下變頻
    數(shù)字下變頻是雷達信號處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一,通常采用低通濾波法來實現(xiàn)數(shù)字下變頻,低通濾波法包括正交插值、低通濾波和抽樣3個部分。數(shù)字下變頻的算法框圖,如圖3所示。模擬信號經(jīng)過A/D正交采樣后分別與余弦模塊和正弦模塊進行點乘,實現(xiàn)正交變換,然后I、Q兩路數(shù)據(jù)各自經(jīng)過低通濾波器,最后抽樣輸出。

    圖4為數(shù)字下變頻算法的FPGA實現(xiàn)框圖,主要分為3模塊:數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、FIR模塊和抽樣模塊,其中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)乘法運算,當外部數(shù)據(jù)進來時根據(jù)不同時刻輸出不同的數(shù)據(jù),主要包括原值、原值取反和0。

    輸入時寬帶寬積為1 028的線性調(diào)頻信號,系統(tǒng)實測I路Q路波形,如圖5所示。

2.2 通用FPGA信號處理板實現(xiàn)大時寬帶寬積數(shù)字脈沖壓縮
    數(shù)字脈沖壓縮(Digital Pulse Compression,DPC)處理是指對雷達接收機接收的雷達回波經(jīng)過A/D采樣后,對數(shù)字信號進行脈沖壓縮處理。數(shù)字脈沖壓縮的實現(xiàn)可分為兩種:時域法和頻域法。時域處理是指雷達回波序列x(n)與匹配濾波器的系數(shù)h(n)做卷積運算。此時匹配濾波器的輸出為
   

    參與脈沖壓縮的信號和匹配參數(shù)都是復(fù)數(shù),因而時域處理是一個復(fù)數(shù)卷積過程,卷積過程也就是乘一累加(Multiply-Accmulate,MAC)的過程。
    對于脈沖壓縮系統(tǒng)而言,通常需要處理線性調(diào)頻信號、非線性調(diào)頻信號。對線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號,其匹配濾波器系數(shù)均可設(shè)計成對稱形式,通過使用對稱結(jié)構(gòu)的FIR濾波器結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)和系數(shù)相乘之前,完成數(shù)據(jù)的相加,乘法的運算量減少N/2次,大大節(jié)省了乘法器資源。結(jié)構(gòu)框圖,如圖6所示。

    由于FPGA中乘法器資源非常寶貴,為了提高乘法器資源的利用率,采用時分復(fù)用的方法,考慮只用一個乘法器,對其進行時分復(fù)用。在不需要較高采樣速率的系統(tǒng)中,這種結(jié)構(gòu)可以做到實用高的性價比。在設(shè)計濾波器時,根據(jù)實際情況靈活地選擇乘法器的復(fù)用次數(shù)Ⅳ和采樣頻率。從上次加法運算結(jié)束到這次加法運算開始的時間間隔內(nèi),乘法器應(yīng)完成N次乘法運算,也就是實現(xiàn)了一次卷積運算,這樣就只需要一個乘法器,其時序關(guān)系,如圖7所示。

    時分復(fù)用結(jié)構(gòu)框圖,如圖8所示。

    根據(jù)FPGA的速度等級和數(shù)據(jù)的采樣頻率,選擇乘法器的復(fù)用次數(shù)為40。利用StratixⅢ的專用增強型鎖相環(huán)(Enhanced PLL)的倍頻功能,生成一個40倍采樣頻率的時鐘作為乘法器的時鐘,使乘法器在一個穩(wěn)定的數(shù)據(jù)周期內(nèi)完成40次乘法運算。每40階作為一個乘累加單元,分別處理,最后對各單元結(jié)果求和。每個單元使用兩個40選1的選擇器,一個選擇參與運算的數(shù)據(jù),另一個選擇參與運算的相應(yīng)匹配系數(shù),數(shù)據(jù)和系數(shù)同時送到乘法器內(nèi),完成運算后,送到累加器中,每完成40次乘法,鎖存累加結(jié)果yk(n),各級的yk(n)相加,得到最終的脈壓結(jié)果y(n)。通過時分復(fù)用技術(shù),乘法器的數(shù)量只需原來的1/40。
    輸入時寬帶寬積為1 028的線性調(diào)頻信號,系統(tǒng)實測脈壓實部虛部以及模值,如圖9所示。

    把實測數(shù)據(jù)導(dǎo)人Matlab進行分析,得到主副比為-42.38 dB,滿足了系統(tǒng)的要求,如圖10所示。

    通用信號處理板實物圖,如圖11所示。

3 結(jié)束語
    文中設(shè)計的基于CPCI總線的通用FPGA信號處理板,具有龐大的數(shù)據(jù)處理能力和高實時性,在實際應(yīng)用中實現(xiàn)了數(shù)字下變頻,大時寬帶寬積數(shù)字脈沖壓縮等功能。不用過多考慮硬件設(shè)計問題,只要根據(jù)通用信號處理板上的資源情況,將設(shè)計任務(wù)合理地配置到板上各處理單元中,就可提高系統(tǒng)的可靠性,縮短設(shè)計周期。這對于數(shù)據(jù)處理要求高、實時性強、數(shù)據(jù)量大、處理算法復(fù)雜多變的雷達信號處理系統(tǒng),有著重要的實際意義。

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