一種雷達(dá)通用信號處理平臺的設(shè)計

航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 沈佳波

94969部隊保障部 陳學(xué)良

一種雷達(dá)通用信號處理平臺的設(shè)計

航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司 沈佳波

94969部隊保障部 陳學(xué)良

通過采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的設(shè)計思路，解決因雷達(dá)裝備型號更新和功能改進(jìn)帶來的大量重復(fù)性硬件設(shè)計問題，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)；信號處理；通用

1.引言

信號處理平臺是現(xiàn)代雷達(dá)的核心部件，其工作性能直接影響雷達(dá)的探測性能。在傳統(tǒng)的設(shè)計方案中，信號處理平臺是按照功能劃分來設(shè)計插件。由于承擔(dān)的處理功能不同，每種插件的對外接口類型和處理芯片各不相同，且對引腳定義無明確規(guī)定。因此導(dǎo)致信號處理平臺的擴(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)計通用的信號處理平臺提供了技術(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)計信號處理插件，并在外圍電路中設(shè)計多種存儲芯片和接口芯片，以滿足信號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)通用信號處理平臺設(shè)計，并對信號處理平臺的通用設(shè)計進(jìn)行了闡述。

2.雷達(dá)信號處理的基本流程

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

圖1 雷達(dá)信號處理基本流程框圖

傳統(tǒng)雷達(dá)信號處理平臺按圖1中的功能模塊劃分設(shè)計插件。由于每種功能涉及的數(shù)學(xué)運算類型和運算量存在區(qū)別，導(dǎo)致每種插件選擇芯片的類型和型號也不相同。而且外形尺寸也沒有嚴(yán)格遵循國際通用規(guī)范。因此存在通用性差、升級困難和無法擴(kuò)展的問題。

3.雷達(dá)通用信號處理平臺設(shè)計

雷達(dá)通用信號處理平臺的設(shè)計思路是采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化的設(shè)計思路來設(shè)計信號處理平臺。

雷達(dá)通用信號處理平臺的設(shè)計包含結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計通過選擇外形尺寸和機(jī)械性能符合國際通用規(guī)范的機(jī)箱來滿足雷達(dá)信號處理平臺對通用化的要求。其外形示意圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)通用信號處理平臺示意圖

電氣設(shè)計的核心是通過電路設(shè)計使信號處理平臺具備通用性、擴(kuò)展性和重構(gòu)性。因此信號處理平臺采用星型拓?fù)?菊花鏈拓?fù)涞慕M合結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點是每個處理節(jié)點的連接方式靈活。

接口板的主要作用是接收數(shù)據(jù)和控制報文，然后控制處理板對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，最后將處理后的結(jié)果發(fā)送到下一級設(shè)備?？紤]信號處理平臺對數(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。同時還設(shè)計以太網(wǎng)、RS-232、RS-422、LVDS和LVTTL等形式的對外交互接口。

信號處理平臺的主要處理任務(wù)由處理板完成，因此要求處理板具備較高的實時數(shù)據(jù)處理能力?；谏鲜隹紤]選擇FPGA+DSP的架構(gòu)，其優(yōu)點是具備強(qiáng)大的并行處理能力和浮點運算能力。具體硬件設(shè)計架構(gòu)如圖3所示。

圖3 處理板硬件設(shè)計架構(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現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。同時為了解決數(shù)據(jù)處理時需要緩存大量中間結(jié)果的問題，在FPGA芯片和DSP芯片的外圍電路中設(shè)計了SDRAM、FRAM和FLASH等存儲器。FPGA芯片和DSP芯片可以通過并行數(shù)據(jù)總線對其進(jìn)行訪問操作。

處理板工作時由FPGA芯片完成數(shù)據(jù)收發(fā)、時序控制和并行數(shù)據(jù)處理。DSP芯片完成FFT、浮點數(shù)乘法等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)運算。

同時為了實現(xiàn)處理板的系列化設(shè)計，其對外交互的接口也應(yīng)明確定義。處理板上共可以安裝5個連接器，每個連接器上傳輸信號的類型如圖4所示。

圖4 處理板對外交互接口定義

圖5 程序加載管理電路結(jié)構(gòu)圖

RS232和RS422信號一般用于傳輸?shù)退俚耐ㄓ嵖刂菩盘枺琇VTTL一般用于傳輸使能信號和低速信號，而LVDS信號抗干擾能力較強(qiáng)，一般用于傳輸高速信號。

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編號自動從FLASH芯片中調(diào)用對應(yīng)的程序加載到FPGA芯片和DSP芯片。處理板的ID編號隨處理板工作槽位的變化而動態(tài)改變。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

通用信號處理平臺的工作原理：接口板通過對外交互接口接收前級設(shè)備發(fā)送的待處理數(shù)據(jù)和與數(shù)據(jù)匹配的控制報文，然后由接口板將數(shù)據(jù)和控制報文按規(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)計為由一塊處理板獨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)交互通過接口板與處理板之間的數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)，處理板之間的數(shù)據(jù)通道一般用于傳遞實時性較低的數(shù)據(jù)。信號處理平臺最終的處理結(jié)果由接口板通過以太網(wǎng)或LVDS接口對外輸出。

4.結(jié)束語

雷達(dá)信號處理通用化技術(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。本文所述的雷達(dá)通用信號處理平臺已經(jīng)成功裝備多個型號的雷達(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)通用信號處理平臺打下了堅實的基礎(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)信號處理設(shè)計。

陳學(xué)良（1969—），94969部隊保障部，高級工程師。