SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

合成孔徑雷達(dá)(SAR)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源普查、地形測繪、森林覆蓋統(tǒng)計(jì)和軍事偵察中。通過SAR可以獲得地面目標(biāo)的高分辨率二維雷達(dá)圖像，在軍事上具有極高的使用價(jià)值[1]。SAR回波模擬器主要用于對SAR信號處理系統(tǒng)的功能驗(yàn)證與測試,而SAR目標(biāo)回波信號往往是大時(shí)帶寬積，因此，要求SAR目標(biāo)模擬器產(chǎn)生信號必須是寬帶、長持續(xù)時(shí)間信號,并且回波信號的出現(xiàn)時(shí)間要由外部主觸發(fā)控制。因此,針對硬件平臺就要求具有大數(shù)據(jù)存儲容量和高模擬信號輸出帶寬能力。而普通雷達(dá)目標(biāo)模擬設(shè)備因?yàn)檩敵鲂盘枎挷粔?或者因?yàn)闆]有大的數(shù)據(jù)存儲容量導(dǎo)致目標(biāo)回波信號時(shí)延不連續(xù)等原因，不適于產(chǎn)生SAR目標(biāo)模擬信號[2]。

文獻(xiàn)[1]與文獻(xiàn)[2]都介紹了通過DDR存儲數(shù)字回波數(shù)據(jù)，通過D/A轉(zhuǎn)換生成模擬回波的方法。但兩個(gè)文獻(xiàn)中都使用DDR存儲器，其數(shù)據(jù)讀寫速度不高；同時(shí)，從PC機(jī)向模擬器傳輸數(shù)字回波數(shù)據(jù)，通過USB接口進(jìn)行，也存在著數(shù)據(jù)傳輸慢的問題。本文介紹的SAR目標(biāo)模擬器，PC機(jī)通過CPCI總線將數(shù)字回波數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)侥繕?biāo)模擬板DDRII存儲器存儲，可輸出150 MHz帶寬以上基帶正交視頻信號，與文獻(xiàn)[1,2]介紹的硬件結(jié)構(gòu)相比，該硬件結(jié)構(gòu)具有更高數(shù)據(jù)吞吐速率特性。因此,該SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺組成和關(guān)鍵技術(shù)對其它目標(biāo)信號模擬器的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒價(jià)值。

2 硬件平臺設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵元件介紹

2.1 SAR目標(biāo)模擬器工作原理

該SAR目標(biāo)模擬器由終端計(jì)算機(jī)和硬件平臺兩大部分組成。終端計(jì)算機(jī)產(chǎn)生目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，通過SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺輸出模擬SAR回波信號。首先在終端計(jì)算機(jī)顯控界面下手動設(shè)置或?qū)肜走_(dá)工作參數(shù)，通過仿真產(chǎn)生數(shù)字回波數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以文件形式存儲于計(jì)算機(jī)。當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生完成后，由顯控將數(shù)字回波通過CPCI總線加載到硬件平臺高速大容量DDRII存儲器中。硬件平臺根據(jù)顯控指令，讀取對應(yīng)通道DDRII中存儲的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送到D/A，產(chǎn)生模擬回波信號。本系統(tǒng)支持單通道，或3個(gè)通道同時(shí)信號輸出，因此可以提供條帶、掃描、聚束SAR多種工作模式下回波模擬。該目標(biāo)模擬器可以模擬帶寬150 MHz以上、3 s時(shí)長的SAR目標(biāo)回波信號。

圖2 輻射計(jì)天線波束與目標(biāo)交會示意圖Fig.2 Schematic diagram of the intersection of antenna beam and target

圖1 SAR目標(biāo)模擬器工作原理圖Fig.1 Operating principle of SAR target simulator

2.2 SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺組成

該平臺主要由1片F(xiàn)PGA、六路D/A、3組大容量DDRII SDRAM、CPCI接口芯片PLX9656以及時(shí)鐘和電源電路構(gòu)成，硬件組成框圖如圖2所示。

由圖2可以看出，F(xiàn)PGA為整個(gè)硬件平臺核心，硬件平臺工作控制全部由FPGA解析顯控指令實(shí)現(xiàn)。

圖2 SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺框圖Fig.2 Block diagram of hardware platform for SAR target simulator

2.3 關(guān)鍵器件選擇

2.3.1PLX9656

PLX9656是PLX公司推出的高性能CPCI總線接口芯片，該芯片可提供64/32位CPCI總線接口[3]。

其主要特點(diǎn)如下：

(1)符合PCIV2.2協(xié)議，支持64位、66 MHz時(shí)鐘PCI總線；

(2)采用PLX數(shù)據(jù)流水線架構(gòu)(Data Pipe Architecture)技術(shù)，配有DMA引擎、可編程直接主控或者直接從屬數(shù)據(jù)傳輸模式以及PCI信息傳輸功能；

(3)可以由2個(gè)局部總線中斷信號LINTi和LINTo生成一個(gè)PCI中斷信號INTA；

(4)允許Local端本地總線獨(dú)立于PCI時(shí)鐘工作；

(5)可直接生成所有控制、地址和數(shù)據(jù)信號以驅(qū)動CPCI總線，不需要額外驅(qū)動電路；

(6)可通過消息管理系統(tǒng)提供郵箱寄存器和門鈴寄存器[4]。

2.3.2DDRII存儲器

DDRII(Dual Data Rate SDRAM)，其含義就是“第二代雙倍速率SDRAM”[5]。DDR在時(shí)鐘上升和下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)，使其數(shù)據(jù)傳輸速率為傳統(tǒng)SDRAM的2倍。而DDRII相對于DDR的最大區(qū)別就是采用4 bit預(yù)取，因此其預(yù)讀數(shù)據(jù)的能力是DDR的2倍。DDRII依靠控制器提供的差分時(shí)鐘(CK和CK#)運(yùn)行。雙向數(shù)據(jù)選通信號(DQS)與數(shù)據(jù)一同發(fā)送,以便在接收端進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲[6]。

3 FPGA核心控制模塊設(shè)計(jì)

FPGA為整個(gè)硬件平臺核心，它通過CPCI總線與終端機(jī)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)交換，通過控制DDRII數(shù)據(jù)讀取，控制模擬回波信號輸出。當(dāng)顯控向硬件平臺寫回波數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA首先通過CPCI接口芯片9656本地總線接收終端發(fā)出指令，并根據(jù)指令啟動對應(yīng)通道DDRII存儲控制器，將DDRII存儲控制器轉(zhuǎn)入寫狀態(tài)，隨后將終端發(fā)出數(shù)字回波數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)通道DDRII存儲器中。

數(shù)據(jù)傳輸完成后，根據(jù)終端發(fā)出相應(yīng)通道信號輸出指令，F(xiàn)PGA內(nèi)DDRII存儲控制器讀取相應(yīng)通道DDRII存儲器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送給D/A，經(jīng)數(shù)模變換后輸出兩路正交基帶信號。整個(gè)硬件平臺控制全部由FPGA完成，因此FPGA內(nèi)部集成了3個(gè)DDRII控制模塊和1個(gè)CPCI接口控制模塊。

3.1 DDRII控制模塊

DDRII控制模塊非常復(fù)雜，包括時(shí)鐘產(chǎn)生子模塊、延遲控制子模塊、讀寫控制子模塊、物理層子模塊和用戶層子模塊[6]。

圖3 DDRII控制器控制流程圖Fig.3 Control flow chart of DDRII controller

DDRII控制模塊控制相應(yīng)通道DDRII的數(shù)據(jù)存儲與讀取，為了提高讀寫效率，系統(tǒng)采用突發(fā)讀寫方式進(jìn)行，突發(fā)讀寫長度設(shè)為8，DDRII控制模塊的控制機(jī)制如圖3所示。

系統(tǒng)上電時(shí)，DDRII控制模塊首先完成對DDRII存儲器初始化，初始化完成后控制器進(jìn)入空閑等待狀態(tài)。當(dāng)終端機(jī)發(fā)出寫指令時(shí)，控制模塊轉(zhuǎn)入寫數(shù)據(jù)狀態(tài)。由于向DDRII寫數(shù)據(jù)速度比CPCI總線傳輸速度高一個(gè)數(shù)量級，因此要在PLX9656與DDRII控制模塊之間放置一個(gè)雙口RAM，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸緩沖。

當(dāng)雙口RAM接收終端計(jì)算機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)并達(dá)到緩存半滿狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)PGA啟動一次DDRII的突發(fā)寫操作，將雙口RAM數(shù)據(jù)寫入DDRII存儲器中。當(dāng)雙口RAM數(shù)據(jù)讀取完畢時(shí)，DDRII控制模塊轉(zhuǎn)入等待雙口RAM進(jìn)入下一次緩存半滿，雙口RAM再次半滿時(shí)又發(fā)起一次DDRII突發(fā)寫。如此循環(huán)往復(fù)，直到終端發(fā)出本次寫數(shù)據(jù)完畢，DDRII控制模塊又轉(zhuǎn)入空閑等待狀態(tài)，等待終端發(fā)出新指令。

當(dāng)終端發(fā)出輸出正交基帶信號命令時(shí)，DDRII控制模塊首先記錄主控機(jī)發(fā)出讀取起始地址與讀取長度，然后發(fā)起一次DDRII突發(fā)讀數(shù)，將DDRII輸出數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中，當(dāng)雙口RAM寫滿，并且外部主觸發(fā)信號到達(dá)時(shí)，啟動一次雙口RAM向D/A送數(shù)。當(dāng)雙口RAM數(shù)據(jù)讀取完畢后，再啟動一次DDRII突發(fā)讀數(shù)，再次寫滿雙口RAM，下一個(gè)主觸發(fā)信號到來時(shí)，將雙口RAM數(shù)據(jù)又送往D/A。如此循環(huán)往復(fù)，重復(fù)以上操作。當(dāng)收到停止讀指令時(shí)，控制模塊轉(zhuǎn)入空閑等待狀態(tài)，停止D/A輸出信號，等待終端計(jì)算機(jī)發(fā)出新指令。

DDRII控制有嚴(yán)格的時(shí)序要求，時(shí)序上配合稍微失誤就會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。DDRII讀寫控制與FPGA內(nèi)雙口RAM的配合也是一個(gè)難點(diǎn)。筆者在設(shè)計(jì)中就遇到過由于DDRII控制器寫數(shù)據(jù)速度過快，超過了CPCI寫雙口RAM速度，導(dǎo)致每個(gè)主觸發(fā)輸出回波信號末尾有異常數(shù)據(jù)，通過調(diào)整雙口RAM寫半滿信號輸出時(shí)間，問題得到解決。建議設(shè)計(jì)初期多做仿真進(jìn)行驗(yàn)證，調(diào)試過程中通過ISE自帶工具Chipscope在線邏輯分析儀，采集數(shù)據(jù)來輔助進(jìn)行時(shí)序和功能驗(yàn)證。

3.2 CPCI接口控制模塊

該模塊一端與PLX9656的本地總線相連，一端與DDRII控制模塊相連,既要擔(dān)負(fù)總線接口功能，還要擔(dān)負(fù)解析終端計(jì)算機(jī)命令功能。該模塊在設(shè)計(jì)過程中要特別注意隱晦的邏輯錯(cuò)誤，此處的邏輯錯(cuò)誤將導(dǎo)致整個(gè)SAR目標(biāo)模擬器硬件平臺的工作異常。該模塊輸出控制信號多，而FPGA中Chipscope在線邏輯分析儀采集深度有限，導(dǎo)致出現(xiàn)故障時(shí)無法通過工具判斷定位，因此在設(shè)計(jì)過程中要特別注意隱晦邏輯錯(cuò)誤。圖4為CPCI接口流程圖。

圖4 CPCI接口模塊工作流程圖Fig.4 Operating flow chart of CPCI interface module

FPGA上電后首先完成PLX9656初始化，將PLX9656配置為從模式，設(shè)置一次CPCI傳輸最大長度為60 Mbyte，DMA為持續(xù)突發(fā)模式。通過與PLX9656本地總線接口，接收終端機(jī)發(fā)出指令與數(shù)據(jù)，并進(jìn)行命令解析。

4 測試結(jié)果

由終端機(jī)產(chǎn)生數(shù)字目標(biāo)回波信號，將生成的兩路正交線性調(diào)頻信號送入硬件平臺，平臺根據(jù)指令輸出兩路模擬線性調(diào)頻信號，通過示波器采集模擬信號，并將采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上通過Matlab軟件對采集信號進(jìn)行脈沖壓縮，波形如圖5所示。從圖中可以看出，其脈壓后的主副旁瓣比達(dá)到40 dB以上，因此可以推知模擬正交基帶信號質(zhì)量非常好，同時(shí)判定達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 脈壓后波形Fig.5 Waveform after pulse compression

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)僅通過一塊FPGA即實(shí)現(xiàn)了對DDRII控制和CPCI數(shù)據(jù)接收，以及控制六支路三通道D/A輸出，該硬件平臺具有極高性價(jià)比。該模擬器達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，滿足系統(tǒng)使用要求，可直接應(yīng)用于各種SAR系統(tǒng)調(diào)試與功能驗(yàn)證。未來可以此硬件平臺為基礎(chǔ)，稍作改動并加載相應(yīng)仿真數(shù)據(jù)，即可作為通信系統(tǒng)和電子戰(zhàn)的模擬仿真平臺，因此具有良好通用性和廣闊的應(yīng)用前景。

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