基于VPX總線的寬帶雷達(dá)信號(hào)的處理系統(tǒng)

路靜

【摘要】本文提出一種基于VPX總線標(biāo)準(zhǔn)的高性能信號(hào)處理系統(tǒng)，利用多種高速串行通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活傳輸，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)和PowerPC技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行高性能數(shù)據(jù)處理。

【關(guān)鍵詞】寬帶技術(shù)相控陣?yán)走_(dá)高性能信號(hào)處理

基于寬帶基礎(chǔ)上的雷達(dá)信號(hào)處理是在航海需要上發(fā)展而來(lái)的，同時(shí)寬帶雷達(dá)也用于航空環(huán)境中，對(duì)系統(tǒng)的抗震動(dòng)與抗沖擊性能都有較高的要求。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)的處理系統(tǒng)利用傳統(tǒng)的總線技術(shù)不能滿足其運(yùn)行環(huán)境惡劣的條件，因此必須設(shè)計(jì)適應(yīng)處理帶寬更高且速度更快、環(huán)境更加惡劣的設(shè)備來(lái)滿足需求，本文就針對(duì)此方面的應(yīng)用進(jìn)行研究與介紹。

一、高性能雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)中采用VPX的結(jié)構(gòu)模式主要是考慮環(huán)境與散熱的需要，其總線是VME技術(shù)的自然進(jìn)化，采用高速串行總線替代了原有的總線模式，以此獲得最佳的處理性能。與VITA組織結(jié)構(gòu)以及其他總線模式相比，VPX的特征突出：從結(jié)構(gòu)上看其密度高且靈活。VPX總線是按照IEEE1101的3U和6U標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)的，可以在兼容上做到最大范圍的兼容，保證系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定。其次，帶寬被增強(qiáng)，使用高速串行的插件可以增加總線的寬帶性能。同時(shí)系統(tǒng)與各種高速串行協(xié)議都可以進(jìn)行兼容。第三，電源設(shè)計(jì)有所增強(qiáng)，VPX規(guī)范通過(guò)增加背板的電量供應(yīng)，和更加完善的散熱系統(tǒng)可以支持多種處理器的運(yùn)行需求，保證了系統(tǒng)的功耗適應(yīng)范圍。第四，采用較為先進(jìn)的硅晶片結(jié)構(gòu)制成的高速差分連接器具有連接緊密，超如損耗小且誤碼率較低的特征，每個(gè)差分都對(duì)支持的寬帶數(shù)據(jù)都可達(dá)到極限10G，且硅晶片設(shè)計(jì)帶有ESD接地層和接觸層，可以有效的防止意外放電的干擾。

二、工程應(yīng)用

在VPX出現(xiàn)前，雷達(dá)系統(tǒng)面臨2個(gè)最基本的性能方面的艱制為總線信號(hào)引腳可支持的最大數(shù)據(jù)帶寬和每個(gè)板槽所提共的最大功率。VPX通過(guò)高速連接器和支持高級(jí)互聯(lián)結(jié)構(gòu)有效地解決了上述2個(gè)問(wèn)題。

本文以VPX為總線主體結(jié)構(gòu)，解決了以往的DBF處理系統(tǒng)不能適應(yīng)高速連接的問(wèn)題，該系統(tǒng)利用光纖以太網(wǎng)接入板，3塊FFPGA處理板、1塊MPC8641 D處理板、以及5插槽VPX背板構(gòu)成了處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有的插板都按照VPX的需要進(jìn)行定制。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)建模式為：系統(tǒng)前端的由32條光纖構(gòu)成傳輸線路，其中每個(gè)光纖都可攜帶8個(gè)陣元的采樣數(shù)據(jù)，總計(jì)可以實(shí)現(xiàn)2G的傳輸效率。改DBF工程應(yīng)用方案如下：光纖以太網(wǎng)接入板利用8個(gè)QSFP模塊接收到32路光纖信號(hào)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為32路64GBPS的電子信號(hào)。利用背板的電路傳輸給FPGA進(jìn)行高速處理；每塊FPGA處理器都分別接受16路32Gb/S信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，兩塊板之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；整形后的半波束形成結(jié)果并傳輸至相應(yīng)的FPGA前置處理板，進(jìn)行最終的計(jì)算；完成波束的權(quán)系數(shù)計(jì)算是利用芯片MPC8641 D完成，其中分別將其結(jié)果傳遞到FPGA上。

三、系統(tǒng)性能測(cè)試

完成設(shè)計(jì)后，利用模擬對(duì)其計(jì)算能力與通信能力進(jìn)行了測(cè)試，一方面，計(jì)算能力是信號(hào)處理的關(guān)鍵性指標(biāo)，系統(tǒng)性能測(cè)試必須要求計(jì)算性能過(guò)關(guān)。在測(cè)試中利用1024點(diǎn)精度浮點(diǎn)復(fù)數(shù)基2FFT算法，測(cè)試不同處理器的計(jì)算性能。完成測(cè)試后數(shù)據(jù)表明，選擇的MPC8641D的計(jì)算能力為最強(qiáng)，高于DSP TS101計(jì)算能力的2.7倍；是DSP TS201計(jì)算能力的1.3倍。

通信能力的測(cè)定也是信號(hào)處理系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其直接影響信號(hào)處理系統(tǒng)的基本性能。在本文的設(shè)計(jì)中，利用兩個(gè)板內(nèi)與板外的FPGA進(jìn)行別的例化測(cè)試了協(xié)議的內(nèi)核，在保障鏈路誤碼率達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)測(cè)試鏈路中所能夠達(dá)到的最大速率，在測(cè)試中表明，不同的協(xié)議條件下，通信能力也有較大的差異，在與標(biāo)準(zhǔn)的SDP TS201的系統(tǒng)相比較，采用FPGA核心技術(shù)的系統(tǒng)可以提高傳輸速率4-8倍。

四、結(jié)語(yǔ)

綜合上述的分析，本文所提出的高性能寬帶相控陣?yán)走_(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)，主要是利用VPX為核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳輸方式的改變，并利用FPGA和高性能CPU作為系統(tǒng)的處理單元，使其具有高速處理數(shù)據(jù)的性能，具有了寬帶相控雷達(dá)所需要的處理能力。并且利用系統(tǒng)兼容性特征可以保證多種寬帶條件下的順利工作。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)支持超大寬帶與超大功率的運(yùn)行工況，處理惡劣環(huán)境下的處理能力也維持在較高水平。

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