一種基于FPGA資源復(fù)用的時(shí)域脈壓方法

王輝輝 袁子喬 徐 偉

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)數(shù)字脈沖壓縮主要有時(shí)域和頻域兩種方法，時(shí)域脈壓處理方式更直接，處理效率要高于頻域脈壓，同時(shí)處理速度也快，頻域脈壓處理時(shí)間隨著處理長度的增加成對數(shù)增加，而時(shí)域脈壓處理時(shí)間只與濾波器階數(shù)有關(guān)，與輸入數(shù)據(jù)長度無關(guān)[1]。特別是當(dāng)距離單元較大時(shí)，采用頻域?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算過程復(fù)雜，延遲大[2]。FPGA在數(shù)字信號處理的硬件實(shí)現(xiàn)中扮演著重要角色[3]，使用FPGA設(shè)計(jì)出特定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)具體的信號處理算法，能提高系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)性能和執(zhí)行效率[4]，因此對于實(shí)時(shí)性要求高的雷達(dá)系統(tǒng)，一般利用具有在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力的FPGA平臺來實(shí)現(xiàn)時(shí)域脈壓。軟件化雷達(dá)通過開放式架構(gòu)和軟件化設(shè)計(jì)能靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展、更新和升級[5]，極大地增加了雷達(dá)靈活性。軟件化雷達(dá)存在功能可重構(gòu)要求，需要重構(gòu)多種可變波形，如果針對不同波形分別獨(dú)立設(shè)計(jì)時(shí)域脈壓，這將大大增加了FPGA的乘法器和存儲器資源。因此為滿足軟件對波形的可重構(gòu)性，本文提出了一種基于資源復(fù)用的時(shí)域脈壓方法。該方法通過復(fù)用FPGA的乘法器和存儲器資源，重構(gòu)濾波器系數(shù)和參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)對多波形多波束多數(shù)據(jù)率的脈壓處理。

1 脈沖壓縮原理

系統(tǒng)輸入端信號為

x(t)=s(t)+n(t)

(1)

其中,s(t)為目標(biāo)回波信號，n(t)為系統(tǒng)噪聲。s(t)的頻譜為

(2)

由匹配濾波理論可知，如果時(shí)域脈壓濾波器的頻率響應(yīng)為：H(f)=S*(f)e-j2πft0，則濾波器輸出端的信噪比最大，響應(yīng)的脈沖響應(yīng)為

(3)

其中t0是濾波器的時(shí)延，因此時(shí)域脈沖濾波器的脈沖響應(yīng)為收入信號的鏡像共軛。在忽略噪聲情況下，脈沖壓縮輸出為

y(t)=x(t)*h(t)

(4)

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

軟件可重構(gòu)的脈壓面臨不同波形、不同數(shù)據(jù)速率、不同波束個(gè)數(shù)分時(shí)工作的可能，因此進(jìn)入脈壓模塊的數(shù)據(jù)速率是不同的，波束個(gè)數(shù)也不同，但對于數(shù)據(jù)速率確定、波形樣式確定的工作模式，時(shí)域脈壓的匹配濾波器系數(shù)就是固定的，該數(shù)據(jù)速率該波形條件下的一個(gè)波束數(shù)據(jù)的時(shí)域脈壓實(shí)現(xiàn)所需的資源是固定的。時(shí)域脈壓采用濾波器進(jìn)行處理，濾波器的階數(shù)和波形及采樣率是相關(guān)的?；谫Y源復(fù)用的時(shí)域脈壓處理流程圖如圖1所示，將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制分割得到多個(gè)數(shù)據(jù)段，每個(gè)段和對應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行乘累加操作，最后將多段的結(jié)果合成輸出。通過系統(tǒng)控制重構(gòu)系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同波形的脈壓處理。

圖1 資源復(fù)用時(shí)域脈壓處理流程圖

2.1 設(shè)計(jì)原理

基于Xilinx公司7系列FPGA的資源復(fù)用的時(shí)域脈壓詳細(xì)設(shè)計(jì)圖如圖2所示，首先對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，計(jì)算并行處理通道個(gè)數(shù)，并初始化所有處理通道，然后將輸入數(shù)據(jù)寫入多個(gè)雙口RAM；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)讀處理，根據(jù)讀時(shí)間片產(chǎn)生讀地址和讀控制信號，控制數(shù)據(jù)從雙口RAM兩個(gè)口正序和反序?qū)ΨQ讀出，并對讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整處理，使得多余的數(shù)據(jù)不參與計(jì)算，根據(jù)系統(tǒng)選擇重構(gòu)濾波器系數(shù)和控制參數(shù)；一般來說，雷達(dá)系統(tǒng)為了節(jié)省系統(tǒng)資源，采用的波形一般都是奇對稱或偶對稱的，最后根據(jù)重構(gòu)系數(shù)的對稱特性，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)加處理，并將預(yù)加后的數(shù)據(jù)和對應(yīng)的濾波器系數(shù)進(jìn)行乘累加操作得到脈壓輸出，通過重構(gòu)濾波器系數(shù)和控制參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同波形對相同乘法器的復(fù)用。

圖2 資源復(fù)用時(shí)域脈壓詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2 數(shù)據(jù)緩存

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)速率、系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率以及時(shí)域脈壓濾波器階數(shù)這三個(gè)參數(shù)來計(jì)算需要并行處理的通道個(gè)數(shù)，一個(gè)通道對應(yīng)一個(gè)雙口RAM。不失一般性，假定當(dāng)前波形的脈沖寬度為L(μs)，系統(tǒng)時(shí)域脈壓模塊的工作時(shí)鐘頻率為X(MHz)，脈壓模塊輸入的數(shù)據(jù)率為Y(MHz)，M=X/Y，M為大于等于1的正整數(shù)。根據(jù)波形的對稱特性，與當(dāng)前波形相匹配的脈壓匹配濾波器的階數(shù)為：H=ceil(L×X/2)，需要同時(shí)處理的通道個(gè)數(shù)為：N=ceil(H/M)，ceil為向上取整。FPGA中存儲數(shù)據(jù)的雙口RAM的深度K應(yīng)當(dāng)大于L×X，并且K為2的整冪次方。由于存儲數(shù)據(jù)的雙口RAM不具備數(shù)據(jù)清零操作，為了不同的脈沖重復(fù)間隔(PRI)之間數(shù)據(jù)進(jìn)行脈壓處理時(shí)互不影響，需要在一個(gè)新的PRI到來時(shí)，對雙口RAM進(jìn)行清零操作，也就是將雙口RAM中的最后面的深度為L×X的緩存區(qū)置零。當(dāng)PRI到來時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)初始化脈沖，該脈沖的周期個(gè)數(shù)為H。為了減少清零時(shí)間，對N個(gè)雙口RAM的兩個(gè)輸入口A和B同時(shí)進(jìn)行寫操作，A口寫地址從K-H開始寫，B口地址從K-2×H開始寫，這樣大大減少了清零的時(shí)間。當(dāng)置零結(jié)束后，寫控制模塊控制數(shù)據(jù)按照X(MHz)的速率從緩存區(qū)讀出，數(shù)據(jù)的有效信號如圖3中的Nd信號所示，當(dāng)有效信號為高電平時(shí)，將A口地址進(jìn)行累加操作，增量為1，同時(shí)在寫時(shí)間片內(nèi)將數(shù)據(jù)同時(shí)寫入N個(gè)雙口RAM的A口中去，完成數(shù)據(jù)的寫操作。在寫時(shí)間片內(nèi)，B口不進(jìn)行寫操作。數(shù)據(jù)寫緩存的操作時(shí)序見圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)緩存時(shí)序圖

2.3 數(shù)據(jù)讀處理

數(shù)據(jù)讀處理控制時(shí)序如圖4所示，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)輸入數(shù)據(jù)寫入N個(gè)雙口RAM中后，由讀控制模塊產(chǎn)生一個(gè)開始脈壓處理的標(biāo)志信號start_flag，該信號在PRI脈沖到來時(shí)進(jìn)行復(fù)位操作，也即將start_flag置為低電平。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)輸入數(shù)據(jù)的Nd到來后，將該信號置為高電平，高電平一直保持到下個(gè)PRI脈沖到來。在start_flag為高電平期間進(jìn)行讀操作，每輸入一個(gè)新的數(shù)據(jù)也就是一個(gè)新的Nd到來時(shí)，需要對雙口RAM的A口和B口的讀地址賦初值。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)Nd到來時(shí)，第一個(gè)雙口RAM的A口和B口的初始化讀地址為：K-L×X+1和0；第二個(gè)雙口RAM的A口和B口的初始化讀地址為：K-L×X+1+(M-1)和K-(M-1)；…… 依此類推，第N個(gè)雙口RAM的A口和B口的初始化讀地址為：K-L×X+1+(M-1)×(N-1)，K-(M-1)×(N-1)。在Nd信號不為高且start_flag信號為高電平的讀時(shí)間片內(nèi)，所有通道的雙口RAM的A口的讀地址進(jìn)行累加操作，增量為1。所有通道的雙口RAM的B口的讀地址進(jìn)行遞減操作，遞減量為1，如圖4所示。從第二個(gè)Nd信號到來開始，每當(dāng)一個(gè)新的Nd信號到來時(shí)，所有雙口RAM的A口的讀地址在當(dāng)前的基礎(chǔ)上減去一個(gè)固定值，該值為(M-2)。所有雙口RAM的B口的讀地址在當(dāng)前的基礎(chǔ)上加上一個(gè)固定值，該值為M。然后將當(dāng)前值作為A口和B口下一個(gè)讀時(shí)間片的初始值，當(dāng)讀時(shí)間片到來時(shí)，所有RAM的A口的讀地址進(jìn)行累加操作，增量為1，B口的讀地址進(jìn)行遞減操作，遞減量為1。按照上述過程重復(fù)進(jìn)行，由于在FPGA中地址是定點(diǎn)數(shù)，雙口RAM的A口和B口的地址循環(huán)范圍為0～(K-1)，因此當(dāng)?shù)刂窞镵-1時(shí)，如果地址進(jìn)行自加1操作，則下一個(gè)地址變?yōu)?；當(dāng)前地址為0，如果地址進(jìn)行遞減1操作，則下一個(gè)地址變?yōu)镵-1；因此通過循環(huán)地址的讀操作就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正序列和反序列對稱輸出。在數(shù)據(jù)讀出后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，只對最后一個(gè)通道進(jìn)行處理，其他通道數(shù)據(jù)保持不變。在所有的讀時(shí)間片內(nèi)，都將最后一個(gè)通道的RAM的B口輸出數(shù)據(jù)的前H-(M-1)×(N-1)個(gè)數(shù)據(jù)保留，而該通道B口輸出的其他數(shù)據(jù)強(qiáng)制置零。這樣不管對于奇對稱還是偶對稱能保證一個(gè)完整的數(shù)據(jù)長度L×X被讀出來進(jìn)行脈壓。數(shù)據(jù)整理模塊輸出數(shù)據(jù)時(shí)，讀控制模塊同時(shí)控制濾波器系數(shù)讀出，并將系數(shù)和數(shù)據(jù)同時(shí)送入乘累加模塊進(jìn)行處理。

圖4 數(shù)據(jù)讀時(shí)序圖

2.4 乘累加

本文中的乘累加模塊使用FPGA自帶乘累加的IP核，該IP核可以對輸入口A和D的兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)加處理，然后將預(yù)加的結(jié)果和B口輸入數(shù)據(jù)相乘，相乘結(jié)果可以從C口輸入和下一個(gè)乘的結(jié)果進(jìn)行累加操作并輸出，該IP核的原理圖如圖5所示。

圖5 乘累加器IP核原理圖

將同一個(gè)通道的A口和B口整理后的數(shù)據(jù)送入FPGA自帶的乘累加IP核的A口和D口，先進(jìn)行預(yù)加處理，也就是將A口和B口對應(yīng)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行加法計(jì)算。同時(shí)將系數(shù)從系數(shù)RAM中讀出，送入乘累加IP核的B口，預(yù)加的結(jié)果和C口對應(yīng)的系數(shù)相乘得到第一個(gè)數(shù)據(jù)的乘結(jié)果，并在一個(gè)讀時(shí)間片內(nèi)將相乘的結(jié)果反饋到乘累加IP核的C口，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前讀時(shí)間片內(nèi)所有乘結(jié)果的累加，從而得到當(dāng)前讀時(shí)間片內(nèi)的當(dāng)前通道的乘累加輸出結(jié)果，最后把N個(gè)通道當(dāng)前讀時(shí)間片內(nèi)的結(jié)果對應(yīng)相加就得到了該讀時(shí)間片內(nèi)最終的乘累加結(jié)果，也就是一個(gè)脈壓輸出值。數(shù)據(jù)和系數(shù)都為復(fù)數(shù)，因此一個(gè)通道需要四個(gè)乘累加器。

濾波器系數(shù)可通過軟件進(jìn)行重構(gòu)，由于劃分了N個(gè)通道，因此濾波器的系數(shù)存儲需要做特別的處理，濾波器系數(shù)矩陣按照M-1 行N列進(jìn)行存儲，第一列存儲濾波器系數(shù)的1～M-1第二列存儲濾波器系數(shù)的M～2×(M-1),依此類推，第N列存儲濾波器系數(shù)的(N-1)×(M-1)+1～H，第N列未填滿的共(M-1)-(H-(N-1)×(M-1))-1 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)零處理，在重構(gòu)不同濾波器系數(shù)時(shí)，只需要按照次規(guī)則生成對應(yīng)系數(shù)矩陣，并將矩陣寫入FPGA的內(nèi)部存儲器RAM中即可。

讀控制模塊在每個(gè)讀時(shí)間片內(nèi)對該RAM進(jìn)行讀取，按照當(dāng)前波形對應(yīng)的脈壓濾波器系數(shù)存放的地址依次讀出濾波器系數(shù)。濾波處理是個(gè)線性卷積的過程，為直觀可見，本文僅以一個(gè)長度為L×X的完整輸入數(shù)據(jù)的乘累加過程示例，乘累加數(shù)據(jù)控制流程實(shí)現(xiàn)如圖6所示。在每個(gè)讀時(shí)間片內(nèi)，將第一列系數(shù)和第一個(gè)通道的預(yù)加后的數(shù)據(jù)依次相乘并進(jìn)行乘累加，第二列系數(shù)和第二個(gè)通道讀時(shí)間片內(nèi)的預(yù)加后的數(shù)據(jù)依次相乘并進(jìn)行乘累加，依此類推，第N列系數(shù)和第N個(gè)通道讀時(shí)間片內(nèi)的預(yù)加后的數(shù)據(jù)依次相乘并進(jìn)行乘累加。重構(gòu)系數(shù)讀取如圖7所示，每個(gè)讀時(shí)間片內(nèi)都按照行地址進(jìn)行遞增，一次讀出一行的數(shù)據(jù)，并把該行的N個(gè)數(shù)據(jù)分別對應(yīng)的送到N個(gè)通道，依次循環(huán)往復(fù)，直到所有輸入數(shù)據(jù)全部處理完畢。

圖6 乘累加處理流程圖

圖7 系數(shù)矩陣讀取示意圖

3 仿真與實(shí)現(xiàn)

利用本文的設(shè)計(jì)，對某相控陣?yán)走_(dá)的三種波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證。波形1脈沖寬度為1.5μs，波形2脈沖寬度為31μs，波形3脈沖寬度為40μs。三種波形對應(yīng)的帶寬也不同，所形成的波束個(gè)數(shù)也不一樣。使用乘法器資源最多的為40μs對應(yīng)的波形。因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)只需要滿足40μs所需資源即可，其余消耗資源少的波形都可以通過參數(shù)重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，不局限于本文仿真的三種波形，只需要按照本文設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，所需資源少于最大資源，都可以進(jìn)行重構(gòu)脈壓處理。

波形1的脈壓仿真結(jié)果如圖8所示，波形2的脈壓仿真結(jié)果如圖9所示，波形2的脈壓仿真結(jié)果如圖10所示。通過重構(gòu)不同的濾波器系數(shù)和配置參數(shù)，在相同資源的條件下實(shí)現(xiàn)了三種波形的脈壓結(jié)果，驗(yàn)證了本文方法的正確性。

圖8 波形1對應(yīng)脈壓仿真結(jié)果

圖9 波形2對應(yīng)脈壓仿真結(jié)果

圖10 波形3對應(yīng)脈壓仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

以軟件為核心的軟件化雷達(dá)是未來雷達(dá)的重要發(fā)展方向，通過靈活的軟件化重構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展、更新和升級。因此軟件化雷達(dá)存在不同波形不同波束不同數(shù)據(jù)速率的脈壓需求，如果對多個(gè)波形的脈壓進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，則大大增加了FPGA內(nèi)的資源消耗，并且不利用系統(tǒng)重構(gòu)。因此本文設(shè)計(jì)了一種基于資源復(fù)用的時(shí)域脈壓方法，根據(jù)系統(tǒng)波形和FPGA 資源，計(jì)算得到最大化的可用資源，只要脈壓資源小于所使用的最大資源，通過重構(gòu)濾波器系數(shù)和配置參數(shù)，在不改變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的條件下即可實(shí)現(xiàn)多波形的脈壓，能滿足對多波形多波束多數(shù)據(jù)率的重構(gòu)需求。本文所提方法在一定程度上推動(dòng)了軟件化雷達(dá)發(fā)展。