一種雷達通用信號處理系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

摘要：鑒于FPGA和DSP各自的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA+DSP信號處理架構(gòu)，已成為信號處理系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)。但目前此結(jié)構(gòu)處理平臺功能固定、通用性差，或?qū)ζ脚_的介紹缺乏具體實現(xiàn)。文中針對以上兩點提出一種通用信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅將兩種處理器的優(yōu)點集于一身，并且具有很強的通用性，可以應用于不同的雷達系統(tǒng)。最后分別列舉了該系統(tǒng)在連續(xù)波雷達和脈沖雷達中的一種典型應用。
關(guān)鍵詞：FPGA；DSP；信號處理；拓撲結(jié)構(gòu)

    FPGA是一種現(xiàn)場可編程器件，設(shè)計靈活方便可以反復修改內(nèi)部邏輯，適用于算法結(jié)構(gòu)比較簡單、處理速度較高的情況。DSP是一種基于指令集的處理器，適于大信息、復雜算法的信息處理場合。鑒于兩種處理器件自身優(yōu)勢，F(xiàn)PGA+DSP信號處理架構(gòu)，已成為信號處理系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)。但當前FPGA+DSP的信號處理平臺或者是基于某些固定目的，實現(xiàn)某些固定功能，系統(tǒng)的移植性、通用性較差。或者僅僅簡要介紹了平臺的結(jié)構(gòu)沒有給出一些具體的實現(xiàn)。
    本文提出的基于FPGA+DSP通用信號處理平臺具有兩種處理器的優(yōu)點，兼頤速度和靈活性，而且可以應用在不同雷達信號處理系統(tǒng)中，具有很強的通用性。本文舉例說明該系統(tǒng)在連續(xù)波雷達和脈沖雷達中的典型應用。

1 系統(tǒng)資源概述
1．1 處理器介紹
    本系統(tǒng)FPGA選擇Altera公司的EP2S60F1020。Stratix II FPGA采用TSMC的90 nm低k絕緣工藝技術(shù)。Stratix II FPGA支持高達1 Gb·s-1的高速差分I／O信號，滿足新興接口包括LVDS，LNPECL和HyperTransport標準的高性能需求，支持各種單端I／O接口標準。EP2S60系列內(nèi)部有48 352個ALUT；具有2 544 192 bit的RAM塊，其中M512 RAM(512 bit)329個，M4K RAM(4 kbit)255個，M-RAM(512 kbit)2個。具有嵌入式DSP塊36個，等效18bit×18bit乘法器144個；具有加強型鎖相環(huán)EPLL 4個，快速鎖相環(huán)FPLL 8個。這些鎖相環(huán)具有高端功能包括時鐘切換，PLL重新配置，擴頻時鐘，頻率綜合，可編程相位偏移，可編程延遲偏移，外部反饋和可編程帶寬等。
    本系統(tǒng)DSP選擇ADI公司的ADSP TS201。它有高達600 MHz的運行速度，1．6 ns的指令周期；有24 MB的片內(nèi)DRAM；雙運算模塊，每個計算塊包含1個ALU，一個乘法器，1個移位器，1個寄存器組和1個通信邏輯單元(CLU)；雙整數(shù)ALU，提供數(shù)據(jù)尋址和指針操作功能；集成I／O接口，包括14通道的DMA控制器，外部端口，4個鏈路口，SDRAM控制器，可編程標識引腳，2個定時器和定時器輸出引腳等用于系統(tǒng)連接；IEEE1 149．1兼容的JTAG端口用于在線仿真；通過共享總線可以無縫連接多達8個TigerSHARC DSP。
1．2 FPGA+DSP結(jié)構(gòu)
    由于FPGA和DSP各自的自身優(yōu)勢，F(xiàn)PGA+DSP信號處理架構(gòu)已成為信號處理系統(tǒng)的常用結(jié)構(gòu)。一般情況下FPGA+DSP的拓撲結(jié)構(gòu)會根據(jù)需要進行不同的連接，這就導致這種結(jié)構(gòu)的專用性，缺乏靈活性。對于一個通用處理平臺要考慮到各種不同的信號通路，因此大部分通用FPGA+ DSP平臺都采取各個處理器間均有通路的方式。這種拓撲結(jié)構(gòu)靈活方便，可以滿足各種不同的通路需求，這種結(jié)構(gòu)的缺點就是硬件設(shè)計的復雜以及可能會有資源浪費。對于這種通用FPGA+DSP結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA與各個DSP之間均有連接，不同之處便是DSP之間的拓撲結(jié)構(gòu)。一般分兩種，一是高速外部總線口耦合結(jié)構(gòu)組成多DSP系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)多DSP共享系統(tǒng)內(nèi)的資源，系統(tǒng)內(nèi)的個處理器可以共享RAM，SDRAM和主機等資源，還可共享其他處理器核內(nèi)資源。這種結(jié)構(gòu)的長處就在資源共享上，但這種結(jié)構(gòu)的PCB設(shè)計十分困難，而且當總線負載較重時速度很難提高，要達到50～60 MHz的數(shù)據(jù)速率都很難。另外一種結(jié)構(gòu)就是高速鏈路口耦合結(jié)構(gòu)。ADSP TS201有4個高速鏈路口內(nèi)核時鐘600 MHz時，單向數(shù)據(jù)傳輸率最高可達600 MHz。高速鏈路口通信是點對點的，這是它的局限，但也帶來的一個優(yōu)點就是較高的傳輸可靠性。在本信號處理系統(tǒng)中采用第2種結(jié)構(gòu)。
1．3 本信號處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    在充分考慮系統(tǒng)的通用性能上，本系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上采用1片F(xiàn)PGA與4片DSP的拓撲結(jié)構(gòu)。每片DSP與FPGA分別有一路鏈路口相連，4片DSP之間由鏈路口相連，同時，DSPA與DSPD分別有64位的數(shù)據(jù)總線與FPGA相連。這種拓撲結(jié)構(gòu)使得任意兩片DSP之間都可以連通，對角的DSP可以通過連到FPGA內(nèi)部的鏈路口相互通信。此外，本系統(tǒng)采用一片F(xiàn)LASG存儲DSP程序，對所有DSP進行加載。DSPB，DSPC分別連有32×64 Mbit的SDRAM，對DSP的內(nèi)存空間進行了擴展，便于大量數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。

2 具體應用
2．1 在連續(xù)波雷達中的應用
    其主要功能是完成對接收的全相參體制的雙波束原始視頻信號的數(shù)字采樣信號進行相關(guān)處理，其中包括時／頻轉(zhuǎn)換、MTI、MTD處理、雙波束估高處理等，最終能夠?qū)幽繕诉M行檢測。
    拓撲結(jié)構(gòu)：待處理數(shù)據(jù)通過接插件傳送到FPGA內(nèi)部，通過FPGA的初步處理，經(jīng)由FPGA與DSPA、DSPD相連的64位數(shù)據(jù)總線傳送到兩片DSP內(nèi)進行進一步的處理。DSPA將處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)過鏈路口直接傳送到DSPB，而DSPD將處理完的數(shù)據(jù)通過DSPD到FPGA，F(xiàn)PGA到DSPB的鏈路口也傳送到DSPB。DSPC接收DSPB處理完的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行進一步的處理后通過鏈路口傳送到FPGA輸出。如圖2所示為應用所使用的硬件拓撲結(jié)構(gòu)。

    處理流程：FPGA將接收到的兩路信號分別進行4 096點FFT，并對FFT的結(jié)果進行MTI，MTI可以是根據(jù)命令選做。DSP中完成兩路信號的二維FFT也就是MTD，CFAR，估高，雜波圖等，最后將整理后的結(jié)果輸出到FPGA，由FPGA輸出給雷達的其它模塊，如圖3所示。

    資源的使用：在FPGA需要完成的功能為兩路復信號的FFT，MTI，以及與DSP的數(shù)據(jù)通信。FFT的實現(xiàn)采用Altera公司的FFT IP Core實現(xiàn)，它是一個高性能、高度參數(shù)化的快速傅里葉變換(FFT)處理器，實時正序輸出變換結(jié)果。采用緩沖突發(fā)模式4輸出引擎結(jié)構(gòu)完成一路4 096點FFT。MTI采用3次相消器即4脈沖對消法，在FPGA中采用FIFO實現(xiàn)。與DSP的總線數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)為FPGA將待傳輸數(shù)據(jù)寫到FIFO中同時向DSP發(fā)送中斷，DSP響應中斷后從FIFO中將數(shù)據(jù)讀出。與DSP的鏈路口數(shù)據(jù)通信，無論是接收鏈路口還是發(fā)送鏈路口均由一個數(shù)據(jù)緩沖模塊和一個數(shù)據(jù)拆包／打包模塊組成。表1為FPGA中資源時間的具體使用，由此看出EP2S60F1020的資源豐富。

    在DSPA，DSPD中接收數(shù)據(jù)采用乒乓操作，在接收一組數(shù)據(jù)的同時對已接收的數(shù)據(jù)進行操作，完成數(shù)據(jù)的定浮轉(zhuǎn)換和MTD。應用中用N點傅立葉變換實現(xiàn)N個窄帶多普勒濾波器實現(xiàn)MTD。在DSPB中實現(xiàn)恒虛警檢測(CFAR)，采用的是兩側(cè)單元平均選大CFAR處理(GO—CFAR)，也就是從被檢測電路單元前后各取一段距離范圍的回波信號，分別計算前后兩部分的平均值，選取平均值較大的一個乘以門限因子C作為檢測門限，與被檢測單元作比較，如果被檢測距離單元的回波幅度高于檢測門限，就可認為被檢測距離單元有目標存在。被檢測單元前后各空出幾個參考單元避免目標本身對門限值的影響。速度維聚心是指，對同一距離單元的各個通道道進行幅度峰選，取出其中的最大值作為目標所在的速度通道號。雜波圖的實現(xiàn)，首先建立雜波圖，然后選取零通道數(shù)據(jù)并根據(jù)已知的方位信息及遞歸公式更新雜波圖中數(shù)據(jù)。假設(shè)DSPA和DSPD接收到的數(shù)據(jù)位每周期1 024點的數(shù)據(jù)，DSP需要每8周期一滑窗做32脈沖的MTD，CFAR取8個單元平均選大，則DSP中各功能所占資源如表2所示。

2．2 在脈沖雷達中的應用
    功能：完成對接收的全相參體制的回波信號的中頻采樣信號進行相關(guān)處理，其中包括DDC、脈沖壓縮、MTI、MTD處理、CFAR、測角等，最終能夠?qū)幽繕诉M行檢測。
    所用到的拓撲結(jié)構(gòu)：待處理數(shù)據(jù)通過接插件傳送到FPGA內(nèi)部，通過FPGA的初步處理，經(jīng)由FPGA與DSPA、DSPD相連的64位數(shù)據(jù)總線傳送到兩片DSP內(nèi)進行進一步的處理。DSPA將處理完的數(shù)據(jù)經(jīng)過鏈路口直接傳送到DSPB，DSPD將處理完的數(shù)據(jù)直接傳送到DSPC。DSPC處理完自身數(shù)據(jù)并接收DSPB的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行進一步的處理后通過鏈路口傳送到FPGA輸出。如圖4所示為應用所使用的硬件拓撲結(jié)構(gòu)。

    處理流程：FPGA將接收到的和差兩路信號分別進行DDC以及低通濾波，并對結(jié)果進行整理，和路信號發(fā)送給DSPA，差路信號發(fā)送給DSPD。在DSPA和DSPD中分別進行和路以及差路信號的脈壓、MTI，其中MTI可以是根據(jù)命令選做的。DSPA將處理完的信號傳送給DSPB，DSPD將處理后的數(shù)據(jù)傳送給DSPC，在DSPB和DSPC中進行和路以及差路信號的MTD、MOD、CFAR，同時DSPC接收DSPB處理后的信號，在DSPC中進行和差比商測角，最后將整理后的結(jié)果輸出到FPGA，由FPGA輸出給雷達的其它模塊，如圖5所示。

    資源使用：在FPGA需要完成的功能為兩路信號的DDC、低通濾波，以及與DSP的數(shù)據(jù)通信。其中在做DDC時為了便于測試在FPGA內(nèi)部有Mat-lab產(chǎn)生的兩組數(shù)據(jù)分別作和差兩路數(shù)據(jù)的內(nèi)部源數(shù)據(jù)。與DSP交互部分無論是總線傳輸還是鏈路口傳輸均與連續(xù)波雷達信號處理實現(xiàn)方法一致，在此不再贅述(假設(shè)FPGA到DSP傳輸數(shù)據(jù)為1 024個復數(shù))。則在FPGA中占用的主要資源如表3所示。

    在DSPA和DSPD中以乒乓方式接收FPGA的數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的定浮轉(zhuǎn)換，脈沖壓縮和MTI。其中脈沖壓縮采用頻域脈壓的方式，然后對脈壓結(jié)果作MTI，采用四脈沖對消。在DSPB和DSPC中要完成數(shù)據(jù)的MTD，MOD，CFAR，最后在DSPC中實現(xiàn)測角，最終將目標數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給FPGA。這些功能的實現(xiàn)與連續(xù)波雷達實現(xiàn)這些功能方法相同，在此不再贅述。則在DSP中所占用的資源如表4所示。

2．3 幾個重要模塊的速度
    在實時信號處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)的速度至關(guān)重要，本文所介紹的平臺在各個接口及模塊上均能達到不錯的速率。
    (1)FPGA與DSP總線傳輸速率。
    在本系統(tǒng)中總線傳輸可以采取流水協(xié)議，零等待周期的配置，這樣總線速度可以達到DSP SCLK的速度，在本系統(tǒng)中為50 MHz×64 bit的速率。
    (2)FPGA與DSP鏈路口傳輸速率。
    在本系統(tǒng)中鏈路口采取四位模式，則鏈路口可以配置成150 MHz，300 MHz，400 MHz，600 MHz。經(jīng)過測試，F(xiàn)PGA與DSP之間的鏈路口速度可以達到400 MHz×4 bit的完美無錯傳輸。
    (3)DSP與DSP鏈路口傳輸速率。
    經(jīng)過測試，DSP與DSP之間的鏈路口速度可以達到600 MHz×4 bit的無錯傳輸。以上幾個速率為數(shù)據(jù)傳輸十分重要的幾個接口的速度，通過測試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)可以達到較高的，完全可以滿足信號實時性的要求。

3 結(jié)束語
    針對當前FPGA+DSP的信號處理平臺現(xiàn)狀，提出一種通用的硬件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅將兩種處理器的優(yōu)點集于一身，兼顧速度和靈活性而且可以應用在不同雷達信號處理系統(tǒng)中，具有很強的通用性。分別介紹了此平臺在連續(xù)波雷達以及脈沖雷達中的一種應用，并且這些方法已經(jīng)成功應用于雷達信號處理機中。除了文中列舉的方法外由于本結(jié)構(gòu)硬件連通的靈活性，本結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要應用于各種雷達處理系統(tǒng)中。