基于Open VPX的數(shù)字陣列雷達信號處理平臺設(shè)計

劉文佳 徐光輝 陳業(yè)偉

摘要 本文設(shè)計了一種基于OpenVPX的數(shù)字陣列雷達信號處理平臺，并在基于此平臺提出了具有擴展性的雷達數(shù)字處理算法工程實現(xiàn)方法。

【關(guān)鍵詞】ADC DBF雷達信號處理 Open VPX

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下，雷達體制日益多樣化，與傳統(tǒng)的模擬相控陣雷達相比，數(shù)字陣列雷達具有動態(tài)范圍大、多波束調(diào)度靈活、抗干擾能力強、易實現(xiàn)寬帶寬角掃描、結(jié)構(gòu)體積更緊湊等諸多優(yōu)點。

一般模擬相控陣雷達只有和通道、方位差通道、俯仰差通道三路接收通道，而數(shù)字陣列雷達則有大量接收通道，要求數(shù)字處理系統(tǒng)擁有多通道ADC采樣以及數(shù)字下變頻的能力。另外多個接收通道經(jīng)過數(shù)字波束形成處理后需要進行同時多波束處理，信號處理運算量是傳統(tǒng)單波束雷達的數(shù)倍?；赩PX標準的信號處理平臺具備強大的信號處理、數(shù)據(jù)處理能力，以及I/O能力和高性能網(wǎng)絡(luò)交換能力，適用于數(shù)字陣列雷達。

1 0pen VPX概述

Open VPX（ VITA65）是在VPX（ VITA46）的基礎(chǔ)上，專門針對軍用、航天等高可靠應(yīng)用領(lǐng)域的行業(yè)標準，由美國國防部組織28家大公司聯(lián)合制定，于2010年初發(fā)布。該標準是目前最新、最先進的專業(yè)技術(shù)標準之一，也是面向軍工、航天的高性能、高可靠的計算機體系標準。Open VPX總線標準提高了背板帶寬、集成了更多的I/O、拓展了格式布局更適用于數(shù)字陣列雷達信號處理的高密度運算和大寬帶數(shù)據(jù)傳輸。

2 陣列雷達信號處理系統(tǒng)功能

如圖1所示，整個數(shù)字陣列雷達分為天線陣列、模擬射頻系統(tǒng)、數(shù)字陣列雷達信號處理平臺、綜合處理系統(tǒng)、顯示控制系統(tǒng)組成。本文介紹的數(shù)字陣列雷達信號處理平臺實現(xiàn)了從中頻回波數(shù)據(jù)輸入到目標點跡輸出的數(shù)字處理功能。具體包括中頻ADC、數(shù)字波束形成和雷達信號處理三大功能。

3 平臺設(shè)計

3.1 整體方案

數(shù)字陣列雷達信號處理平臺為基于OpenVPX的6U組合。如圖2所示，平臺以RapidIO總線為數(shù)據(jù)通路，PCIe總線為控制通路，串接了多種功能模塊。整個平臺有5種VPX模塊，其中FPGA處理模塊和DSP處理模塊為平臺主要的處理節(jié)點，承擔著從中頻采樣到信號處理的所有運算處理任務(wù);CPU控制模塊為平臺的控制中心;數(shù)字信號的輸出由光纖接口模塊負責。

數(shù)字陣列雷達信號處理平臺處理流程如下：中頻雷達回波從FPGA處理模塊輸入，信號的帶通采樣、數(shù)字下變頻處理由此類型模塊負責。另外，通過Rapid 10總線進行數(shù)據(jù)交換，多個FPGA處理模塊協(xié)同工作，完成數(shù)字波束形成功能。數(shù)字波束形成處理后產(chǎn)生多個波束，分別送往各個DSP處理模塊進行后續(xù)包括脈沖壓縮、雜波圖處理、恒虛警檢測等雷達信號處理功能。每個DSP處理模塊可處理兩個和差波束，各個DSP處理模塊并行處理，處理結(jié)果送往光纖接口模塊進行數(shù)據(jù)匯總和打包。

3.2 FPGA處理模塊

FPGA處理模塊用于高速實時計算，具備高速的互聯(lián)接口以及強大的計算能力，滿足VPX全交換結(jié)構(gòu)協(xié)議規(guī)范。FPGA處理模塊是一種標準6U板卡，以三片高性能FPGA為處理核心，板載大容量QDR SRAM，適合于多種高速信號采集與處理、高速總線接口相關(guān)的嵌入式計算應(yīng)用。FPGA選用FFVA1517封裝XILINX Kintex UltraScale器件，根據(jù)需求可選配相同封裝不同規(guī)格FPGA。

為了提高平臺集成度，使平臺支持更多通道中頻回波輸入，每個FPGA處理模塊支持安裝一塊雙寬FMC ADC子卡，每個ADC子卡支持32通道ADC，最高轉(zhuǎn)換速率為125MSPS，分辨率為16bits。雙寬尺寸的FMC子卡寬度為13 9mm，可擺放器件的長度不超過80mm。在如此緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)32通道的ADC，必須選用更小的ADC芯片。平臺內(nèi)的雙寬ADC子卡板載8片支持JESD204B接口的4通道ADC芯片，采用JESD204B的ADC芯片由于采用了高速串行總線進行數(shù)據(jù)輸出，芯片管腳較少，與傳統(tǒng)ADC芯片相比體積跟小。

圖3是基于FPGA處理模塊的64通道數(shù)字波束形成工程實現(xiàn)框圖。整個處理流程使用了兩個FPGA處理模塊。每個FPGA處理模式上的雙寬FMC ADC子卡實現(xiàn)32通道中頻采樣，與ADC子卡通過JESD204B接口連接的兩個FPGA分別實現(xiàn)16通道的數(shù)字下變頻運算和16通道的通道校正運算。FPGA處理模塊1的第三片F(xiàn)PGA用于自適應(yīng)權(quán)系數(shù)計算，F(xiàn)PGA處理模塊2的第三片F(xiàn)PGA則進行64通道數(shù)字波束形成處理，并把合成后的波束數(shù)據(jù)送往DSP處理模塊。兩個模塊之間的通信采用Rapid IO協(xié)議。

3.3 DSP處理模塊

DSP處理模塊硬件框圖如圖4。板載4片TI TMS320C6678八核DSP處理器，4片TMS320C6678的理論處理能力為640GFLOPS;每片DSP外擴8GB DDR3SDRAM內(nèi)存。4片DSP通過Rapid IO交換芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián);通過PCIe交換芯片實現(xiàn)控制信號互聯(lián)。

雷達探測距離內(nèi)一個完整脈沖回波的數(shù)據(jù)在FPGA處理模塊中打包通過Rapid IO數(shù)據(jù)鏈路送往DSP。回波數(shù)據(jù)包容量是根據(jù)雷達工作狀態(tài)時變的，當雷達波束探測遠距離目標時，回波數(shù)據(jù)容量十分可觀;而雷達處于跟蹤近距離目標時，回波數(shù)據(jù)包雖然容量小，但發(fā)送頻率較高。為了兼容雷達不同工作方式，且充分利用硬件資源，DSP處理模塊采用數(shù)據(jù)分段處理的方式。如圖4所示，每兩片DSP芯片實現(xiàn)單波束雷達信號處理功能。輸入雷達回波數(shù)據(jù)分別送往DSP1和DSP2的核O。DSP1核O僅接收數(shù)據(jù)包的前半部分;DSP2核O僅接收數(shù)據(jù)包的后半部分。兩片DSP的核O負責把收到的數(shù)據(jù)分別等分為7個數(shù)據(jù)段送往核1到核7。每片DSP的核l到核7運行相同的雷達信號處理程序，處理結(jié)果送往各自核O匯總。兩片DSP的核O通過Hyperlink接口進行互聯(lián)，最終形成波束1的點跡數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

此基于Open VPX的數(shù)字陣列雷達信號處理平臺基于通用化、標準化、模塊化思想設(shè)計。多種高速信號處理模塊、交換模塊、電源模塊，基于全交換技術(shù)實現(xiàn)機箱內(nèi)系統(tǒng)互聯(lián)以實現(xiàn)對信號處理系統(tǒng)硬件的快速搭建;提供對高速信號處理模塊的圖形化、模型化開發(fā)工具和基礎(chǔ)算法庫，提供顯示控制模塊的腳本化開發(fā)工具以對信號處理系統(tǒng)邏輯和軟件的高效開發(fā)。基于此平臺的雷達數(shù)字處理算法具有良好的擴展性，例如圖4所示的基于DSP模塊的雷達信號處理算法架構(gòu)可以基本程序結(jié)構(gòu)不改變的前提下調(diào)整為采用更多的DSP芯片處理單一波束回波數(shù)據(jù)，以增加處理速度或者增加處理算法。

參考文獻

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