一種便攜式天氣雷達雙通道中頻信號處理單元設計

徐 瑾

（安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088）

1 引言

隨著天氣雷達市場的不斷擴大，低成本、小型化、便攜式天氣雷達正成為眾多行業(yè)用戶的新寵。這種輕小型天氣雷達通常僅靠三角架支撐，體積小、重量輕、電子設備的集成高是這類便攜式天氣雷達的典型特征。為了達到對數字處理分系統(tǒng)的“瘦身”，將常規(guī)系統(tǒng)構成中的雙通道中頻數字接收機、雙通道信號處理器、雷達監(jiān)控單元這三部分進行合并設計是該類型雷達的技術關鍵之一。本文介紹的是一款針對便攜式天氣雷達設計的，以一片大容量FPGA芯片和一片DSP芯片為核心處理平臺，集成雙路高速AD采樣、千兆光口、百兆網口、若干GPIO及大容量運算存儲器的綜合型雷達數字處理單元。以下將對該中頻信號處理單元的設計原理及工作性能做進一步闡述。

2 雙通道中頻信號處理單元設計

便攜式天氣雷達的“小身材”并不代表著性能上的“打折扣”。換句話說，氣象目標的多普勒處理是仍需具備的，只是采用的是中頻相參處理的手段：需要一個額外接收通道來采集和跟蹤識別發(fā)射主波樣本的中頻頻率及相位，并以此來對回波進行修正。雙通道接收便是基于這一目的而引出的設計要求。

為了實現雙通道的中頻數字接收，雙通道高速AD采樣是必備的功能，該單元選用16bit/130MSPS 的AD9461雙通道ADC來實現模數變換，從而確保了具有較高的采集處理動態(tài)及靈敏度。

該處理單元的主要設計目的之一便是對中頻信號進行采集并實現下變頻功能，這一數字混頻處理過程必須滿足實時處理要求。因此，配置一片高速FPGA 芯片作為中頻數字接收的處理器是非常必要的。在該處理單元中選用的是ALTERA的EP4CGX150，該芯片屬cyclone系列的4代產品，擁有極高的性價比。非常適合氣象信號處理的運算要求。

由于該處理單元不僅要完成中頻數字接收功能，還要實現氣象目標的基本參數估計運算。在這方面，DSP芯片有著極佳的運算優(yōu)勢和軟件開發(fā)優(yōu)勢。因此，在該處理單元中選用了ADI的TS101作為信號處理器，用以實現強度、速度及譜寬的參數提取。

為了確保數據流能在FPGA及DSP這兩個處理器間進行高速傳輸，在該處理單元的設計中為這兩個處理器建立了兩個高速數據通道，一個是DSP的link口，一個是DSP的32位并行總線。這種并行數據傳輸模式可有效提高系統(tǒng)的實時處理能力。為此，在FPGA的設計中特別加入的TS101的link口的協議轉換模塊。

信號與數據處理在整個運算過程中需要有多個大容量存儲器做為中間臨時數據的緩存，設計中除在DSP總線上配置了一片大容量動態(tài)RAM 外，還為FPGA配置了兩片讀寫通道各自獨立的SSRAM，這樣的設計主要是為了給FPGA構造乒乓結構的讀寫體系，從而解決FPGA與DSP之間的異步運算處理問題。

該處理單元除具備信號與數據處理的各種運算能力以外，還應具有雷達系統(tǒng)的監(jiān)控能力。為此，需要配置若干GPIO口以實現對外部系統(tǒng)的監(jiān)測與控制。以太網是當今已被廣泛接受的數據互通形式，該處理單元設計了光纖及水晶頭兩種形式的以太網接口。其中光纖的傳輸速率可達1.25Gbps，水晶頭為百兆網口，兩種形式均可為信號處理器提供數據輸出接口。

該處理單元的原理框圖如圖1所示。

通過以上描述可以看出，該數字處理單元是一個具備雙路中頻信號接收能力的、有利于進行各種高速信號與數據處理運算的通用化處理單元，這種通用、開放式的平臺設計可以滿足多種應用場合的需要。以下將以中頻相參信號處理應用說明該中頻信號處理單元的軟件設計方法。

3 典型的中頻信號處理軟件設計

中頻相參處理的價值在于：通過增加一路接收通道，以最小的代價，即以數字處理的手段將常規(guī)體制的天氣雷達改造為了多普勒體制的天氣雷達。這對于低成本的便攜式天氣雷達而言是一種極佳的技術實現手段。

中頻相參處理的軟件算法流程圖如圖2所示。

圖2 中頻相參處理的軟件算法流程圖

實際上，中頻相參體制的雷達所使用的發(fā)射管為普通的常規(guī)的磁控管，其發(fā)射頻率是不穩(wěn)定的。樣本通道采集的目的正是為了實時跟蹤并獲取發(fā)射頻率，用以對混頻用的NCO進行修正，從而達到對回波進行相干處理的作用。同時，為了達到進一步的修正，還需要根據樣本初相對回波進行共軛處理，這樣才能進一步消除發(fā)射頻率“漂移”所帶來的對多普勒測速的影響。經這一處理后，輸出的便是可以進行相參信號處理的I/Q信號了。

典型的氣象信號處理軟件流程如圖3所示。

圖3 氣象信號處理軟件流程

其中，雜波抑制主要是針對地雜波進行的濾波處理，通常采用IIR（無限沖擊響應）濾波器。

DVIP（數字視頻積分處理）用于對氣象回波功率進行估算，通常采用平方律平均的方式進行估算。PPP（脈沖對處理）用于在時域上對氣象回波速度及速度譜寬進行估算，其核心算法是計算相鄰脈沖的自相關函數的統(tǒng)計值，再以此計算出氣象回波的多普勒速度和速度譜寬。其最大的特點是處理算法較簡單，無需較多的脈沖樣本數。FFT（快速傅里葉變換）則是在頻域上對氣象回波速度及速度譜寬進行估算，采取的是通過計算多普勒功率譜的零階矩、一階矩和二階矩來分別求得氣象回波的功率、平均多普勒速度和速度譜寬。其運算估計精度較高，單需要較多的的脈沖樣本數。此外，該處理單元通常會附帶完成雷達系統(tǒng)的監(jiān)控功能。典型的監(jiān)控軟件功能框圖如圖4所示。

圖4 氣象信號處理軟件流程

監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用有以下幾點：一是實現故障、狀態(tài)的主動監(jiān)測與上報；二是對各種故障及狀態(tài)超標現象進行主動連鎖性保護控制，以確保系統(tǒng)設備免二次損壞；三是響應各種人為控制指令，并輸出相應的控制信號。

上述的中頻相參處理及監(jiān)控功能由FPGA來完成，而整個氣象信號處理的運算則由DSP來承擔。這樣的處理分配可以最大化地發(fā)揮這兩種處理器各自的優(yōu)勢。

4 中頻信號處理單元的應用價值

作為一個通用化的中頻信號與數據處理平臺，該單元憑借其較為完整的輸入輸出接口、雙路16位高速ADC、兩顆優(yōu)勢互補的高性能處理芯片（FPGA+DSP）、內部多條高速互聯總線、可獨立定義讀寫結構的大容量SSRAM及百兆/千兆雙網口的配置，可滿足大多數嵌入式雷達數字信號處理的運算要求。這一開放式設計搭建過程其實是在遵循著“硬件通用化，軟件實例化”的設計原則?！盎ヂ摼W+”的概念告訴我們，只有將自己的產品接入通用網絡，才能融入這個時代，才能成為整個大的“產品生態(tài)鏈”中的一員。高速網絡接口顯然預示著該數字處理單元已具備了網絡接入的能力，我們利用網絡口為上級用戶建立起了一個標準化的雙向數據傳輸通道，也就是說，借助為該中頻信號處理單元配套的SDK軟件包，上級組網探測系統(tǒng)的開發(fā)者可以輕松操控該雷達并獲取氣象基數據，以便進行氣象產品的二次開發(fā)利用。

天氣雷達的數據化處理無外乎是中頻數字采樣、數字濾波、去載頻、數字雜波抑制及氣象估計要素的提取及輸出這一系列過程。該處理單元無論在接口還是運算能力上都已具備了通用化的嵌入式天氣雷達信號與數據處理的要求。通過研制和加載兩個處理器的不同軟件，該通用化數字處理單元已在各種氣象及空管雷達中得到了較為廣泛的應用。

該中頻信號處理單元的實物照片如圖5所示。

圖5 中頻信號處理單元實物圖

該處理單元的緊湊型硬件設計以及延伸到中頻的信號處理能力已為各類嵌入式數字應用提供了一個性價比極高的開放式處理平臺，通過網絡進行軟件加載升級更為各類嵌入式數字應用處理系統(tǒng)提供了一個便捷的“軟件化”算法定義及實現手段。

隨著便攜式天氣雷達的迅速普及，這類“軟件化”定義的高集成型嵌入式數字處理單元將會持續(xù)地發(fā)揮著更為重要的作用。

[1] 吳繼華，蔡海寧，王誠.Altera FPGA/CPLD設計（高級篇）.北京：人民郵電出版社，2011.