一種數(shù)字射頻存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

時(shí)間：2009-08-01 02:31:02

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[導(dǎo)讀]引言現(xiàn)代電子戰(zhàn)孕育了DRFM的誕生，數(shù)字射頻存儲(chǔ)器是一種對(duì)射頻信號(hào)采樣、存儲(chǔ)、運(yùn)算然后轉(zhuǎn)發(fā)的電子部件。DRFM對(duì)樣本信息保存下來(lái)后，根據(jù)需要加入調(diào)制信息；再通過(guò)高速DAC轉(zhuǎn)發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效干擾。隨

引言
現(xiàn)代電子戰(zhàn)孕育了DRFM的誕生，數(shù)字射頻存儲(chǔ)器是一種對(duì)射頻信號(hào)采樣、存儲(chǔ)、運(yùn)算然后轉(zhuǎn)發(fā)的電子部件。DRFM對(duì)樣本信息保存下來(lái)后，根據(jù)需要加入調(diào)制信息；再通過(guò)高速DAC轉(zhuǎn)發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的有效干擾。隨著大規(guī)模集成電路、微波集成電路的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集和波形產(chǎn)生的工作帶寬已越來(lái)越寬，信號(hào)處理的速度也越來(lái)越快，這些都使得DRFM的成本大幅降低，而處理能力大大提高，從而得到了更為廣泛的應(yīng)用。

1 基本原理
接收系統(tǒng)將天線下來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、下變頻為中頻信號(hào)，高速數(shù)據(jù)采集在基帶或中頻完成模擬信號(hào)的數(shù)字量化，數(shù)據(jù)采集的采樣率決定著DRFM的接收帶寬。數(shù)字樣本信號(hào)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，在需要時(shí)可隨時(shí)讀取出來(lái)并加適當(dāng)?shù)奶幚恚缓笥筛咚贁?shù)／模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)激勵(lì)上變頻變頻到所需頻段，釋放有效干擾，其基本組成框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
考慮到所需設(shè)計(jì)的DRFM帶寬寬，存儲(chǔ)容量大，信號(hào)處理運(yùn)算量大，整個(gè)DRFM分為高速數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理單元、干擾波形(高速D／A)3部分，且來(lái)分開(kāi)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理單元的數(shù)據(jù)傳輸采用光纖傳輸方式，信號(hào)處理單元和干擾波形之間的通信采用TS101的LINK口傳輸方式。
2．1 高速數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)
高速數(shù)據(jù)采集完成對(duì)正交的基帶I，Q基帶信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，再以光纖傳輸方式將樣本信息送給后續(xù)信號(hào)處理單元。模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是數(shù)據(jù)采集的核心器件，這里采用Atmel公司的ADC芯片AT84AD001，其為采樣率1 GHz、分辨率為8 b的雙路ADC，輸入電平峰峰值500 mV，16路LVDS電平輸出和FPGA接口。FPGA采用Altera公司的EP2S90F1020。它集成了數(shù)百對(duì)差分管腳和大量的普通I，Q腳，方便與ADC和片外SRAM接口。其片內(nèi)豐富的PLL資源使得時(shí)鐘的產(chǎn)生變得更加容易。片外大容量的片外存儲(chǔ)器(GS864436)保證了樣本的海量存儲(chǔ)。GS864436是總線速度高達(dá)200 MHz的SRAM，每片容量為2 M×32 b。由于ADC的采樣率為1 GHz，就單路I來(lái)降數(shù)據(jù)率為1 GHz×8 b，如此高的數(shù)據(jù)率顯然難以直接和SRAM接口。數(shù)據(jù)將在FPGA被降速為125 MHz ×64 b后再送到SRAM中。因此實(shí)際應(yīng)用中2片存儲(chǔ)器拼接為64 b后用來(lái)存儲(chǔ)I路數(shù)據(jù)，2片存儲(chǔ)Q路數(shù)據(jù)。和信號(hào)處理單元接口的光纖采用Agilent公司的2．5Gb／s光模塊。該光模塊為雙向光纖，一個(gè)通道發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)通道接收。其原理框圖如圖2所示。

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2．2 信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)
    干擾算法的復(fù)雜性決定了信號(hào)處理總的運(yùn)算量是巨大的。目前極少有獨(dú)立的運(yùn)算處理單元能夠滿足系統(tǒng)處理能力的要求，因此如何構(gòu)建一個(gè)并行處理系統(tǒng)是解決大運(yùn)算能力的一個(gè)必要需求，在并行處理技術(shù)中如何協(xié)調(diào)組織各個(gè)處理單元并行工作是設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)所在。
    信號(hào)處理單元包括6塊TS板、1塊光纖接口板、1塊CPU板以及2塊CPCI底板組成。光纖接口板負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集送來(lái)的樣本信號(hào)，再經(jīng)過(guò)機(jī)箱的總線傳把數(shù)據(jù)傳輸給各塊DSP板，DSP板對(duì)樣本作相關(guān)處理后，通過(guò)LINK口方式把產(chǎn)生的干擾信號(hào)送到D／A板。
    作為信號(hào)處理單元的核心部件DSP板，其選擇應(yīng)滿足實(shí)時(shí)性，大存儲(chǔ)，高數(shù)據(jù)帶寬的基本要求，同時(shí)應(yīng)具備易于多板卡互連的接口。因此考慮以TS101為DSP運(yùn)算單元的通用信號(hào)處理板，該板卡主要性能如下：
    (1)單板處理能力。由4片內(nèi)核時(shí)鐘為300 MHz的TigerSHARC-TS101組成，總處理能力可提供7．2 GFLOPs浮點(diǎn)處理能力；外總線時(shí)鐘為75 MHz。
    (2)系統(tǒng)接口及數(shù)據(jù)帶寬。4片TS101之間緊耦合互連，構(gòu)成一個(gè)處理簇，簇內(nèi)總帶寬2 GB／s；DSP簇對(duì)外提供8個(gè)Link用于板間互連，每通道125 MB／s，板間總帶寬1 GB／s；CPCI標(biāo)準(zhǔn)總線，33／66 MHz、32／64 b PCI接口；支持2個(gè)ePMC背板，提供33／66 MHz，32／64 b PMC接口；32 b自定義總線，可以為后插板提供數(shù)據(jù)傳輸；定時(shí)同步總線，可以保證處理機(jī)內(nèi)所有板卡的硬件同步和時(shí)鐘同步。[!--empirenews.page--]
    (3)存儲(chǔ)容量。每個(gè)TS101片內(nèi)帶有6 MbSRAM，4片TSl01共享SDRAM最高2 GB，另外有2～4 MB ZBTSRAM內(nèi)存。信號(hào)處理單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4為頻偏100MHz信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)變頻、基帶解調(diào)為I，Q信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集量化、存儲(chǔ)、光纖傳輸后。在光纖接口板上所測(cè)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。圖中可以看到：A／D的SNR為37．2 dB，鏡像抑制度為33．55 dB，A／D有效位數(shù)達(dá)6．12 b。上述指標(biāo)證明了接收機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的正確性。

2．3 干擾波形(高速DAC)設(shè)計(jì)
干擾波形通過(guò)LINK口接收信號(hào)處理DSP板卡發(fā)送過(guò)來(lái)的基帶I，Q數(shù)據(jù)．并用片外SRAM對(duì)數(shù)[!--empirenews.page--]

3 SAR干擾信號(hào)的產(chǎn)生
鑒于該項(xiàng)目的主要試驗(yàn)對(duì)象為機(jī)載SAR，就SAR干擾信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程作簡(jiǎn)單介紹。SAR回波的數(shù)學(xué)模型如下：

    式中：σ(r，x)為目標(biāo)二維反射特性；Wr(r)為SAR發(fā)射信號(hào)距離向天線方向圖；h1(r，x)為方位響應(yīng)函數(shù)，其為距離r和方位x的二維函數(shù)；h2(r，x)為距離響應(yīng)函數(shù)，其為距離r的一維函數(shù)，與方位x無(wú)關(guān)。
    可見(jiàn)，SAR回波信號(hào)可表示為目標(biāo)散射特性σ(r，x)乘以距離向天線方向圖Wr(r)；再相繼與兩個(gè)脈沖響應(yīng)函數(shù)h1(r，x)和h2(r，x)的卷積。這就是SAR模擬回波產(chǎn)生的二維卷積算法。二維卷積算法可用于欺騙干擾信號(hào)的產(chǎn)生，這時(shí)還需要根據(jù)SAR平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、平臺(tái)與干擾站的相對(duì)位置進(jìn)行必要的多普勒補(bǔ)償。
    二維卷積法具體實(shí)現(xiàn)算法如下：
    假設(shè)干擾信號(hào)是場(chǎng)景分布函數(shù)σ(t，tm)，其中t是距離向快時(shí)間；tm是方位向慢時(shí)間。距離走動(dòng)量△R(tm)為：

    式中：λ為信號(hào)波長(zhǎng)；fad為多普勒中心頻率。
    距離向的參考函數(shù)可以表示為：

    式中：調(diào)頻斜率kr=B／Tp；B為距離向信號(hào)的帶寬；Tp為距離向信號(hào)時(shí)寬。
    距離向欺騙干擾的實(shí)現(xiàn)是對(duì)距離向信號(hào)進(jìn)行卷積處理，即：

式中：far為多普勒調(diào)頻斜率。[!--empirenews.page--]
由于有斜視角引起多普勒中心不為零，對(duì)方位時(shí)域數(shù)據(jù)作相位補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)南辔缓瘮?shù)是：

方位向欺騙干擾的實(shí)現(xiàn)是對(duì)方位向信號(hào)進(jìn)行卷積處理，即：

經(jīng)過(guò)二維卷積處理之后，可獲得對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的干擾信號(hào)s′(t，tm)。

4 硬件設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
    整個(gè)DRFM模塊工作的頻率很高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按照高速電路的設(shè)計(jì)原則處理每一個(gè)細(xì)節(jié)。
4．1 時(shí)鐘的設(shè)計(jì)
    時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響高速電路的工作性能。為了防止高速時(shí)鐘受到外界干擾或向外輻射干擾，需要把時(shí)鐘的電源和地與其他的電源、地分開(kāi)。差分信號(hào)可以有效的防止干擾，把送入的時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為差分的LVDS或ECL等電平后再使用，可以有效提高時(shí)鐘質(zhì)量。板上送到不同地方而又有相位要求的兩個(gè)時(shí)鐘，例如送到兩路ADC的時(shí)鐘，走線要等長(zhǎng)，并控制好阻抗。
4．2 電源和地的噪聲
    在高速電路中30％以上的噪聲來(lái)自電源和地。對(duì)于一個(gè)印制板，電源、地和過(guò)孔構(gòu)成了整個(gè)電源分布系統(tǒng)。板上的大量器件同時(shí)開(kāi)關(guān)時(shí)需要較大的瞬時(shí)電流，這將會(huì)帶來(lái)電源和地的波動(dòng)，從而引入干擾。去耦是解決電源地噪聲的有效方法，把合適的電容放置在器件的管腿附近進(jìn)行濾波，可以提高電源穩(wěn)定性。如果板上空間允許，可以放置盡量多的電容。該系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)采集和光纖接口板采用光纖傳輸方式，光纖傳輸速率高，對(duì)電源比較敏感，需單獨(dú)用穩(wěn)壓塊提供供電，和其他3．3 V電分開(kāi)。
4．3 信號(hào)的走線
    關(guān)鍵信號(hào)盡量走在頂層或底層，這樣容易控制阻抗并且可以避免過(guò)孔影響信號(hào)完整性。需要時(shí)用地線包住信號(hào)線，屏蔽干擾。過(guò)孔之間避免太近，容易引起互擾。盡量使同一層面信號(hào)線網(wǎng)的參考層面為地層，切勿以主要層面為電源層。

5 結(jié) 語(yǔ)
主要介紹了DRFM的硬件實(shí)現(xiàn)。其高速數(shù)據(jù)采集和寬帶波形產(chǎn)生保證了系統(tǒng)的大瞬時(shí)帶寬，6塊并行DSP處理板使得系統(tǒng)具有極強(qiáng)的信息處理能力，便于相干干擾、噪聲壓制干擾等不同干擾樣式的產(chǎn)生。大的存儲(chǔ)容量使得系統(tǒng)可以保存脈寬很寬的樣本信息。鑒于該DRFM由三部分組成，體積較大，數(shù)據(jù)中間傳輸過(guò)程較多。以后設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮模塊化，小型化，方便調(diào)試。該設(shè)計(jì)已成功運(yùn)用在某型號(hào)產(chǎn)品上，事實(shí)證明了其可靠性和穩(wěn)定性。

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