基于FPGA+DSP+ARM硬件平臺(tái)下的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

基于FPGA+DSP+ARM硬件平臺(tái)下的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 張洪峰 （中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽合肥230031） 【摘要】在全世界范圍內(nèi)，尚有很多20世紀(jì)俄制雷達(dá)，服役于第三世界許多國(guó)家。主要介紹對(duì)這些俄制雷達(dá)數(shù)字端進(jìn)行升級(jí)換代的方案：使用大規(guī)模FPGA器件、高速專(zhuān)用DSP芯片、以及ARM嵌入式計(jì)算機(jī)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理系統(tǒng)。 0引言 20世紀(jì)70年代前蘇聯(lián)研制的老式雷達(dá)，裝備于烏克蘭、伊朗、埃及、埃塞俄比亞、古巴、緬甸等許多第三世界國(guó)家。因年代久遠(yuǎn)，零部件老化，是修，許多雷達(dá)已經(jīng)不能正常開(kāi)機(jī)工作。本設(shè)計(jì)就在此背景下產(chǎn)生的，因?yàn)楣に囁降牟粩嗵嵘?，器件的集成度也越?lái)越高，板級(jí)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大。因此利用單塊高集成度的板卡完成信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得可能，設(shè)備量的降低使得老式雷達(dá)改造的成本相對(duì)較低，同時(shí)也便于后期的維護(hù)。本文提出用超大規(guī)模集成電路、專(zhuān)用高速、以及核心模塊為硬件平臺(tái)，完成信號(hào)處理一體化設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)功能 因整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于艙內(nèi)設(shè)備的數(shù)量、體積、總的造價(jià)有著嚴(yán)格的要求，同時(shí)在單板上實(shí)現(xiàn)多型雷達(dá)信號(hào)處理。為了兼顧各方面的要求，這就給信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的難度。本系統(tǒng)工程方案立足利用已取得的技術(shù)成果，在滿足技術(shù)指標(biāo)的前提下，合理分解系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)方案上留有一定的設(shè)計(jì)與梁，以滿足今后可能出現(xiàn)需求的改變或功能的豐富和完善；利用超高速、大容量的器件來(lái)降低大運(yùn)算量系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性和設(shè)備量，提高該系統(tǒng)的可靠性和可維修性，同時(shí)保證該系統(tǒng)平臺(tái)具有一定的先進(jìn)性和升級(jí)擴(kuò)展能力；采用超大規(guī)模的（）、高速、以及核心模塊相結(jié)合的方式構(gòu)建系統(tǒng)硬件平臺(tái)，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的靈活性和適應(yīng)性。圖為本信號(hào)處理系統(tǒng)的功能框圖。 .1數(shù)字脈沖壓縮 本雷達(dá)采用固態(tài)發(fā)射機(jī)，峰值功率受限，只能通過(guò)增加發(fā)射機(jī)的平均功率來(lái)提高作用距離。提高發(fā)射機(jī)平均功率的辦法就是要進(jìn)一步加大發(fā)射脈沖的時(shí)寬。但是，脈沖寬度的增加帶來(lái)了距離分辨率的降低，距離分辨率和作用距離之間試一對(duì)矛盾體，解決這一矛盾的方法就是脈沖壓縮技術(shù)。本系統(tǒng)因?yàn)槊}壓點(diǎn)數(shù)較少，因此采用時(shí)域脈壓的方法。這種方法電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，電路復(fù)雜度只與壓縮逼有關(guān)，與重復(fù)周期長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。具體公式如下： 式中：x（n）為信號(hào)采樣，w（n）為脈壓匹配濾波器系數(shù)。針對(duì)器件內(nèi)部的乘法器工作頻率可達(dá)百以上的特點(diǎn)采用分時(shí)，分節(jié)拍運(yùn)算以節(jié)省內(nèi)部資源，即輸入輸出采用低數(shù)據(jù)率，內(nèi)部運(yùn)算采用高速并行流水分時(shí)復(fù)用的邏輯結(jié)構(gòu)，通過(guò)數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用方式解決低輸入輸出數(shù)據(jù)率和內(nèi)部高速運(yùn)算能力之間的平衡。為了在器件規(guī)模允許的條件下達(dá)到盡可能高的運(yùn)算速度，我們采用了并行流水結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)乘法累加器。對(duì)于雷達(dá)信號(hào)而言，我們常用的是線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和編碼信號(hào)這三種形式。線性調(diào)頻和非線性調(diào)頻信號(hào)，其匹配濾波器系數(shù)均可設(shè)置成對(duì)稱(chēng)形式。因此內(nèi)部設(shè)計(jì)脈壓時(shí)，乘法器可以節(jié)省一半。本系統(tǒng)使用的是線性調(diào)頻信號(hào)，點(diǎn)采樣率為的脈沖壓縮，內(nèi)部乘法器時(shí)鐘采用，不難計(jì)算出只需要個(gè)復(fù)數(shù)乘法器即可完成時(shí)域脈壓運(yùn)算。如若系統(tǒng)有多種發(fā)射脈寬，按照脈寬長(zhǎng)度最大的來(lái)確定乘法器的個(gè)數(shù)。 .濾波器 由于受波束內(nèi)脈沖數(shù)的限制及變頻、變T等方面的要求，信號(hào)處理通常采用FIR濾波器兼顧雜波抑制及目標(biāo)提取的要求，我們常用的MTI和MTD都是這種類(lèi)型的濾波器。 MTD處理器的主要好處是信噪比改善大。MTD采用的窄帶濾波器組，使得落入每個(gè)濾波器通帶中的雜波能量和噪聲能量盡可能小。當(dāng)目標(biāo)與雜波在濾波器不同頻道時(shí)，采用分頻道CFAR，每個(gè)濾波器的檢測(cè)門(mén)限都是根據(jù)該濾波器內(nèi)的噪聲、雜波的強(qiáng)弱而定。但由于雜波不僅由各濾波器的主瓣進(jìn)入，而且未加權(quán)的濾波器副瓣電平較高，當(dāng)副瓣的頻率處于強(qiáng)雜波處時(shí)副瓣進(jìn)入的雜波將降低其改善因子。若要提高改善因子，可在MTD濾波器之前先進(jìn)行雜波濾波，或采用加權(quán)來(lái)降低濾波器的副瓣，在此系統(tǒng)中采用加權(quán)的方法提高改善因子，但濾波器的主瓣加寬。 本系統(tǒng)采用的為濾波器的設(shè)計(jì)方法。因?yàn)樘炀€的多種轉(zhuǎn)速，造成相同波束寬度內(nèi)的回波數(shù)不一樣，為了便于統(tǒng)型邏輯固件設(shè)計(jì)，濾波器統(tǒng)一設(shè)計(jì)為點(diǎn)，在最后過(guò)門(mén)限滑窗檢測(cè)中采用不同的檢測(cè)準(zhǔn)則即可。 .快門(mén)限恒虛警 快門(mén)限恒虛警處理是為對(duì)付均勻雜波干擾而設(shè)置的，由于雜波信號(hào)強(qiáng)度在距離和方位上變化較大，因此應(yīng)選取檢測(cè)單元附近的若干個(gè)單元來(lái)完成均值估值，單元平均選大恒虛警GO-CFAR主要用于對(duì)雜波抑制濾波器輸出的虛警進(jìn)行控制，輸入為濾波器輸出的對(duì)數(shù)視頻信號(hào)，在被測(cè)單元左、右兩邊各取8個(gè)單元數(shù)值求平均后，選用二者中較大的值作為估值電平運(yùn)算按（）式： 兩側(cè)的單元平均選大恒虛警電路可消除雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警概率顯著增加的現(xiàn)象。雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警率增大是由于檢測(cè)點(diǎn)位于強(qiáng)雜波中，但參考單元仍為弱雜波或無(wú)雜波而使雜波平均值偏小所致。單元有一個(gè)數(shù)據(jù)，其值明顯超過(guò)均值時(shí)，就用平均值代替該數(shù)據(jù)值進(jìn)入求估值電平電路。被測(cè)單元左、右各空一個(gè)單元，以免目標(biāo)信號(hào)對(duì)估值電平影響。 .虛控制圖警 經(jīng)過(guò)恒虛警處理后，對(duì)所有區(qū)域用固定門(mén)限檢測(cè)，虛警率的控制仍不能達(dá)到滿意的效果。為了進(jìn)一步抑制雜波剩余，改善顯示畫(huà)面，采用了虛警控制圖?；驹硎菍⒗走_(dá)探測(cè)區(qū)域兩維量化。方位量化單位為，距離量化單位為R，對(duì)每一量化單元內(nèi)的虛警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出該單元的虛警高、低門(mén)限判決，以此來(lái)修正該單元的檢測(cè)門(mén)限，達(dá)到自動(dòng)控制虛警的目的。 .滑窗檢測(cè) 滑窗檢測(cè)器是目前常用的數(shù)字檢測(cè)器，是根據(jù)滑窗內(nèi)所積累的數(shù)字來(lái)判決是否存在目標(biāo)。以l代表滑窗的寬度，m代表波束掃過(guò)目標(biāo)期間所能收到的回波總數(shù)，k代表目標(biāo)存在所需的最低第二門(mén)限，并選l=m?；皩挾葍?nèi)始終保留著同一個(gè)距離單元當(dāng)前m個(gè)周期的信號(hào)。雷達(dá)每探測(cè)一次，檢測(cè)距離單元的新信號(hào)（“1”或“0”）進(jìn)入滑窗，而滑窗內(nèi)最先的信號(hào)（“1”或“0”）則推出。若滑窗內(nèi)“1”的數(shù)目等于或大于k，則作出目標(biāo)存在的判決。目標(biāo)發(fā)現(xiàn)后，若滑窗內(nèi)“1”的數(shù)目低到另一門(mén)限k時(shí)，則作出目標(biāo)結(jié)束的判決。 整個(gè)信號(hào)處理檢測(cè)結(jié)束后，會(huì)將過(guò)門(mén)限標(biāo)志和原始的幅度值一路送往做點(diǎn)跡凝聚、滑窗檢測(cè)；一路送往的下一級(jí)進(jìn)行滑窗檢測(cè)處理。同樣的檢測(cè)準(zhǔn)則下，滑窗檢測(cè)后的綜合視頻（通道）和通道輸出的原始點(diǎn)跡應(yīng)該出現(xiàn)同樣的結(jié)果，這有助于邏輯固件、軟件的互相檢查，確保一致性。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和硬件任務(wù)分配 本系統(tǒng)采用單塊高集成插件，采用超大規(guī)模集成電路（）、高速以及核心模塊。輔以大容量高速靜態(tài)存儲(chǔ)器（系列），和外界有多種標(biāo)準(zhǔn)的接口，如以太網(wǎng)口、顯示接口、串口、模擬時(shí)鐘輸入接口、接口、調(diào)試用仿真器口、加載口等等。 在整個(gè)信號(hào)處理設(shè)計(jì)流程中，數(shù)據(jù)流的流向是這樣的：接收前端送入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)域脈壓，濾波，檢測(cè)直至過(guò)門(mén)限的輸出，同時(shí)產(chǎn)生雷達(dá)整機(jī)的系統(tǒng)時(shí)序等等。 通過(guò)鏈路口向傳輸信號(hào)處理零距離后的所有距離單元的原始值以及每個(gè)距離的過(guò)門(mén)限標(biāo)志。則對(duì)信號(hào)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離凝聚、方位凝聚，形成點(diǎn)跡數(shù)據(jù)包。然后通過(guò)總線的方式寫(xiě)入中開(kāi)辟的緩區(qū)。 計(jì)算機(jī)通過(guò)異步的方式，不停的從FIFO中讀出點(diǎn)跡包數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送至航跡處理計(jì)算機(jī)。此外，擔(dān)當(dāng)和顯控計(jì)算機(jī)通訊的角色，接收外部的通訊協(xié)議包，解析然后分