雷達通用信號處理平臺的構建

高 飛，徐 光

雷達通用信號處理平臺的構建

高 飛，徐 光

現代雷達信號處理平臺的顯著特點是輸入數據多，工作模式復雜，信息處理量大。在實時信號處理系統中，雷達信號處理系統要同時進行高速數據分配、處理和大量數據交換。隨大規模集成電路技術、高速串行處理及各種先進算法的飛速發展，特別是DSP與FPGA相關技術的發展，DSP+FPGA架構已成為解決這些問題的最佳方案。

雷達信號處理平臺；數字信號處理；現場可編程門陣列

0 引言

信號數據采集所要求的高速、高精度、多通道、大容量數據采集系統應用在雷達、聲納、通信、地震預報、航空航天等領域都體現出實時性強、數據率高、數據量大、處理復雜和運算量大的特點。

DSP是一種指令集結構處理器，可根據指令系統來實現各種算法，其豐富的I/O資源有利于通訊、控制功能的實現。而FPGA屬于現場可編程器件，設計方便、靈活，易于監測，能在板級間反復迅速的修改內部邏輯，實現系統的重構。這種系統結構靈活、實時性強、成本較低，能滿足雷達信號處理通用性的要求。

1 DSP在雷達信號處理中的應用

DSP具備高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快和實時型好等特點。雷達信號處理系統主要技術包括數據重采樣、參數估計、自適應濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重復性的實時計算。DSP正是可利用自身特有的硬件結構，完成FFT、FIR、復數相加、相關、三角函數以及矩陣運算等數字信號處理。因此，在雷達數字信號處理算法實現上DSP是非常合適的。

2 FPGA在雷達信號處理中的應用

在高速數據采集方面，FPGA有很大優勢，FPGA的時鐘頻率高，內部時延小，全部控制邏輯均可由硬件完成，FPGA作為控制器的同時也作為數據通道，可對數據進行分配、預處理和扮演協處理器角色。而且FPGA集成度高、體積小、功耗低，可集采集控制、緩沖、處理和傳輸于一個芯片內，編程配置靈活，開發周期短，系統簡單，而且較易移植到雷達系統中，并且可以降低成本。因此，FPGA可作為核心控制電路。

3 雷達通用信號處理平臺的構建

從DSP和FPGA的角度出發，首先解決芯片的選型。在DSP信號處理模塊，對該單元的選型要求為：該單元的性能是決定并行處理系統的最基本因素，高性能的處理單元可提高系統的性能，減少體積和功耗，降低結構復雜性和提高軟件的可維護性。

MPC8640D信號處理模塊是PowerPC系列高性能雙核處理器，采用AMC子卡結構的通用信號處理模塊。內核最高時鐘1000 MHz，具備靈活的I/O接口，其中串行RapidIO可配置為1X或者4X。串行RapidIO符合RapidIO互聯標準，版本1.2。支持I/O和消息傳輸邏輯規范，支持8-和16-比特傳輸層規范。支持1X/4X LP-串行物理層規范。MPC8640D信號處理模塊可靈活配制為Host或者Endpoint，與RapidIO交換板方便的組建RapidIO系統。最高能實現4X3. 125G的數據傳輸能力。在雷達信號處理平臺上集成4塊MPC8640D，將會帶來很強的信號處理能力。

在軟件層面， Workbench和ICE可實現對MPC8640D代碼的開發和調試，通過在MPC8640D信號處理模塊上運行Vxworks實時操作系統以提供對串行RapidIO的應用支持。

在FPGA選型方面，需求的FPGA功能模塊須滿足雷達回波信號處理以及DSP接口和其他對外接口邏輯設計。同時，還需要FPGA能完成與計算機、DSP以及數模轉化器的通訊功能。

FPGA選用XILINX的virtex-5系列XC5VSX95T。與通用計算機采用RS-232串行通訊接口，與DSP通過高速串行RapidIO實現互連。XILINX的virtex-5系列采用第五代高級硅片組合模塊列式結構，包含有LX、LXT、SXT、TXT和FXT五種截然不同的平臺，具有先進的高速串行連接功能和鏈路/事務層功能。多達330，000個邏輯單元，多達六個時鐘管理模塊，且在性能方面具有高達800Mb/s的HSTL和SSTL(在所有的單端I/O上)并且據高達1.25Gb/s的LVDS(在所有的差分I/O對上)。

由此設計的高性能DSP+大規模FPGA架構的信號處理平臺具有高度并行、數據吞吐量大及實時性高的特點，而且具有以下優點：

1)軟硬功能的重新劃分及軟硬協同。對于一個算法，用硬件實現的特點是速度快、實時性強，但硬件設計較為復雜、靈活性差、精度較受限制。此平臺可在速度與精度要求上達到平衡。

2)對外具有豐富的接口，既可當作一塊獨立的板卡使用，也可在相應的高速機箱上作為標準卡使用；同時，其豐富的底層軟件庫，可提供良好的二次開發空間。

3)設計的通用化信號處理模塊，可根據不同的要求，通過軟件自由修改參數，方便使用。

4)高速串行互連技術的成熟，解決了多年來一直困擾系統發展的帶寬不足問題，用串行通道取代并行總線已成為趨勢，且其優勢顯而易見。

4 結語

1)雷達信號處理是雷達系統的一個重要組成部分，合適平臺的構建可使雷達系統完成各項復雜的工作。

2)基于高性能DSP和大規模FPGA的處理平臺實時能力更強，結構可重構性更強，對雷達信號處理算法的適應能力更強，且工作更為穩定可靠。

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Design of Radar General Signal Processing Platform

GAO Fei, XU Guang

The distinguishing features of modern radar signal processing platform are more input data, complex operating mode and large amount of information processing. In a real-time signal processing system, the radar signal processing system needs simultaneously carry out high-speed data distribution, processing and exchange of large amounts of data. With the rapid development of LSI technology, high-speed serial processing and variety of advanced algorithms, particularly the development of the related technologies of DSP and FPGA, DSP + FPGA architecture has become the best solution to solve these problems.

radar signal processing platform; DSP; FPGA

TN95

A

高飛（1985-），男，工程師。研究方向：通用信號處理。