基于VPX總線的寬帶雷達信號的處理系統(tǒng)

路靜

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

【關(guān)鍵詞】寬帶技術(shù)相控陣雷達高性能信號處理

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

一、高性能雷達信號處理系統(tǒng)

在設(shè)計中采用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標準來設(shè)計的，可以在兼容上做到最大范圍的兼容，保證系統(tǒng)的相對穩(wěn)定。其次，帶寬被增強，使用高速串行的插件可以增加總線的寬帶性能。同時系統(tǒng)與各種高速串行協(xié)議都可以進行兼容。第三，電源設(shè)計有所增強，VPX規(guī)范通過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，每個差分都對支持的寬帶數(shù)據(jù)都可達到極限10G，且硅晶片設(shè)計帶有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，雷達系統(tǒng)面臨2個最基本的性能方面的艱制為總線信號引腳可支持的最大數(shù)據(jù)帶寬和每個板槽所提共的最大功率。VPX通過高速連接器和支持高級互聯(lián)結(jié)構(gòu)有效地解決了上述2個問題。

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的需要進行定制。該系統(tǒng)在實際應(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，其中每個光纖都可攜帶8個陣元的采樣數(shù)據(jù)，總計可以實現(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QSFP模塊接收到32路光纖信號并進行轉(zhuǎn)換成為32路64GBPS的電子信號。利用背板的電路傳輸給FPGA進行高速處理；每塊FPGA處理器都分別接受16路32Gb/S信號進行調(diào)整，兩塊板之間實現(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，進行最終的計算；完成波束的權(quán)系數(shù)計算是利用芯片MPC8641 D完成，其中分別將其結(jié)果傳遞到FPGA上。

三、系統(tǒng)性能測試

完成設(shè)計后，利用模擬對其計算能力與通信能力進行了測試，一方面，計算能力是信號處理的關(guān)鍵性指標，系統(tǒng)性能測試必須要求計算性能過關(guān)。在測試中利用1024點精度浮點復(fù)數(shù)基2FFT算法，測試不同處理器的計算性能。完成測試后數(shù)據(jù)表明，選擇的MPC8641D的計算能力為最強，高于DSP TS101計算能力的2.7倍；是DSP TS201計算能力的1.3倍。

通信能力的測定也是信號處理系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標，其直接影響信號處理系統(tǒng)的基本性能。在本文的設(shè)計中，利用兩個板內(nèi)與板外的FPGA進行別的例化測試了協(xié)議的內(nèi)核，在保障鏈路誤碼率達到標準的同時測試鏈路中所能夠達到的最大速率，在測試中表明，不同的協(xié)議條件下，通信能力也有較大的差異，在與標準的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

綜合上述的分析，本文所提出的高性能寬帶相控陣雷達的信號處理系統(tǒng)，主要是利用VPX為核心技術(shù)，實現(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。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)支持超大寬帶與超大功率的運行工況，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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