基于FPGA的雷達(dá)脈沖預(yù)分選器設(shè)計(jì)

摘 要:現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)密度大，所以對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)分選很重要。這里，提出一種基于關(guān)聯(lián)比較器的雷達(dá)信號(hào)分選方法，在實(shí)現(xiàn)多參數(shù)分選的同時(shí)，也保證了實(shí)時(shí)性。詳細(xì)闡述了在Virtex 4系列FPGA上實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容可尋存儲(chǔ)器(CAM)的關(guān)聯(lián)比較器的途徑。

關(guān)鍵詞:內(nèi)容可尋存儲(chǔ)器; 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件; 分選; 關(guān)聯(lián)比較器

中圖分類(lèi)號(hào):TN95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0031-03

Design of Radar Pulse Signal Pre-sorting Based on FPGA

CHEN Wei

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute， Xi’an 710100， China)

Abstract: Real-time sorting to signal is very important in modern battlefield because electronic warfare (EM) environment is complicated and signal density is very high. The method of radar signal sorting based on coherent processors is discussed. The realization of the coherent processor based on content addressable memory (CAM) by a Virtex4 series FPGA is discussed in detail.

Keywords: content addressable memory; FPGA; sorting; coherent processor

0 引 言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜，信號(hào)日趨密集，新體制雷達(dá)不斷出現(xiàn)，雷達(dá)信號(hào)的各個(gè)參數(shù)以各種規(guī)律變化，因而從密集復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境中分選和識(shí)別各種新體制雷達(dá)信號(hào)就成了電子戰(zhàn)信號(hào)處理的一大難題[1]。為了滿足電子支援措施(ESM)實(shí)時(shí)信號(hào)分選的需要，對(duì)處理器的處理時(shí)間提出了較高的要求:不僅要求處理器的硬件結(jié)構(gòu)具有良好的設(shè)計(jì)和可不斷優(yōu)化的空間，而且要求器件有較高的集成性，這些已成為不可忽視的因素。經(jīng)過(guò)對(duì)相關(guān)器件的深入分析和研究，本文采用高速現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件(FPGA)替代中小規(guī)模集成芯片來(lái)設(shè)計(jì)三參數(shù)關(guān)聯(lián)比較器，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)分選器設(shè)計(jì)。

1 基于關(guān)聯(lián)比較器的信號(hào)預(yù)分選原理

關(guān)聯(lián)比較器技術(shù)對(duì)高密度信號(hào)環(huán)境下的硬件預(yù)分選有著積極和重要的意義[2]。關(guān)聯(lián)比較器用于信號(hào)預(yù)分選的思路源于傳統(tǒng)信號(hào)處理方法中的輻射源參數(shù)匹配方法。目前，電子戰(zhàn)系統(tǒng)中對(duì)雷達(dá)信號(hào)實(shí)時(shí)分選可利用的信息仍然是雷達(dá)信號(hào)的五大參數(shù)[3-4]:載頻(RF)、脈寬(PW)、到達(dá)方位(DOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、脈幅(PA)。其中RF一般集中在若干離散的頻率點(diǎn)上，聚斂性好，因此是偵察信號(hào)處理中最重要的特征之一;DOA取決于雷達(dá)和偵察機(jī)的相對(duì)方位角，當(dāng)雷達(dá)與偵察機(jī)之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，DOA為常數(shù)，存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，DOA變化緩慢，該參數(shù)不受雷達(dá)信號(hào)本身影響，也是偵察信號(hào)處理中最重要的特征之一;由于雷達(dá)信號(hào)PW本身比較穩(wěn)定，數(shù)值分布較集中，具有很好的平穩(wěn)性和聚斂性，因此也可以作為分選特征之一;由于影響PA的因素太多，使PA的平穩(wěn)性較差，可信度不高，一般不作為分選依據(jù);而TOA一般作為主處理器的主要分選、識(shí)別參數(shù)，一般也不作為預(yù)處理分選依據(jù)。因此從理論上講預(yù)處理可利用的有3個(gè)參數(shù):RF，PW，DOA。

分選系統(tǒng)的框圖如圖1所示，脈沖分選分為預(yù)分選和主分選兩部分，預(yù)分選為RF，PW，DOA三參數(shù)聯(lián)合分選，由FPGA完成;主分選為重頻(PRI)分選，由DSP完成[5]。

根據(jù)RF，PW，DOA構(gòu)成的三參數(shù)關(guān)聯(lián)比較器原理如圖2所示。每部雷達(dá)信號(hào)在空間占據(jù)一個(gè)小盒，小盒的中心坐標(biāo)可以認(rèn)為是雷達(dá)參數(shù)，小盒的尺寸取決于參數(shù)容差，這與接收機(jī)的測(cè)量精確度有關(guān)[6]。只要測(cè)量達(dá)到一定精確度，選取合適的容差范圍，就可以對(duì)此小盒內(nèi)的脈沖進(jìn)行去交錯(cuò)，最后確定脈沖序列的存在。

圖1 信號(hào)分選系統(tǒng)框圖

圖2 參數(shù)容差示意圖

2 關(guān)聯(lián)比較器的設(shè)計(jì)

由于輻射源特征的多樣性以及脈沖參數(shù)測(cè)量誤差的引入，使雷達(dá)截獲系統(tǒng)脈沖去交錯(cuò)存在以下兩方面的問(wèn)題:

(1) 由于參數(shù)抖動(dòng)或存在測(cè)量誤差，使得參數(shù)是一個(gè)由上下門(mén)限界定的一個(gè)范圍。

(2) 由于存在參數(shù)捷變或參數(shù)分集，使得參數(shù)存在多值(如頻率捷變、分集等)。

傳統(tǒng)的關(guān)聯(lián)比較器[7]的原理圖如圖3所示，這種方法是給每個(gè)參數(shù)設(shè)定一個(gè)容差，將每個(gè)脈沖的PDW與各參數(shù)容差進(jìn)行比較，實(shí)際上就是與RF，DOA，PW的最大值與最小值做比較，如果都落在容差范圍內(nèi)，則產(chǎn)生相應(yīng)路數(shù)的單路匹配信號(hào)MATCH。這種方法能夠解決第一個(gè)問(wèn)題，但是對(duì)于參數(shù)捷變雷達(dá)則不能進(jìn)行分選。另外，由于每一路只能配置一組雷達(dá)參數(shù)，對(duì)于日益復(fù)雜的電磁環(huán)境，這種方法已不適應(yīng)。

本文在傳統(tǒng)的關(guān)聯(lián)比較器上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于CAM(Content Addressable Memory)的關(guān)聯(lián)比較器。CAM是一種專(zhuān)門(mén)為快速查找數(shù)據(jù)地址而設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器，通過(guò)把輸入數(shù)據(jù)與其內(nèi)所存數(shù)據(jù)同時(shí)相比較，能快速確定輸入數(shù)據(jù)是否與其內(nèi)部某個(gè)數(shù)據(jù)或幾個(gè)數(shù)據(jù)相匹配。CAM的數(shù)據(jù)尋址方式因不同應(yīng)用要求而不同，最快方式下僅需要一個(gè)時(shí)鐘周期便可完成對(duì)所有數(shù)據(jù)的尋址。

與RAM一樣，CAM也是采取陣列式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其數(shù)據(jù)的寫(xiě)入方式與RAM相類(lèi)似，但CAM的數(shù)據(jù)讀取方式卻不同。在RAM中，輸入的是數(shù)據(jù)地址，輸出的是數(shù)據(jù)，而在CAM中輸入的是所要查詢的數(shù)據(jù)，輸出的是數(shù)據(jù)地址和匹配標(biāo)志[8-9]。

圖3 傳統(tǒng)單路三參數(shù)關(guān)聯(lián)比較器原理圖

在RAM中，RAM的存儲(chǔ)容量由地址線寬度所確定。例如，10 b寬地址總線的RAM存儲(chǔ)容量為210=1 024 B，CAM卻沒(méi)有這個(gè)限制，因?yàn)樗皇遣捎脗鹘y(tǒng)的通過(guò)地址讀取數(shù)據(jù)的方式。如要從1 024 B中查詢某一數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)寬度為8 b，若數(shù)據(jù)存在，則輸出匹配標(biāo)志和10 b寬的數(shù)據(jù)地址。因?yàn)镃AM不是采用傳統(tǒng)的地址線模式讀取數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)空間可以很容易的擴(kuò)展，輸入數(shù)據(jù)線寬度只由需查詢的數(shù)據(jù)位數(shù)決定。圖4為數(shù)據(jù)讀取模式下的RAM和CAM。

圖4 RAM與CAM讀取模式比較

基于CAM的關(guān)聯(lián)比較器原理如圖5所示，三個(gè)CAM中分別存儲(chǔ)了多部雷達(dá)的RF，DOA，PW參數(shù)。當(dāng)PDW進(jìn)來(lái)時(shí)，如果CAM中有與之匹配的參數(shù)，則MATCH標(biāo)志位輸出1，并輸出參數(shù)地址，根據(jù)輸出三個(gè)CAM輸出的地址和MATCH標(biāo)志位判定輻射源編號(hào)。同傳統(tǒng)方法一樣，這種方法也可以進(jìn)行多路組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)PDW的高速處理。

圖5 基于CAM的關(guān)聯(lián)比較器原理圖

3 基于CAM的關(guān)聯(lián)比較器的FPGA實(shí)現(xiàn)

本文使用的FPGA為Xilinx公司Virtex 4系列的XC4VSX55。ISE 11.1為用戶提供了CAM版本為6.1的IP核[10]，其配置界面如圖6所示。

圖6 CAM IP核配置界面

3.1 地址匹配類(lèi)型

CAM輸出地址匹配類(lèi)型有三種配置，默認(rèn)為binary encoded，也就是輸出匹配的地址信息。另外，也可以配置成single-match unencoded和multi-match unencoded，這兩種模式輸出的就是一個(gè)位數(shù)與CAM內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)相同的二進(jìn)制編碼，與之匹配的位為1，其余為0。例如，CAM中有8個(gè)數(shù)據(jù)，輸入的數(shù)據(jù)與第3個(gè)數(shù)匹配，則輸出00100000。

3.2 三態(tài)模式

標(biāo)準(zhǔn)三態(tài)模式是指寫(xiě)入CAM的內(nèi)容可以為1，0和X，X是指不關(guān)心的位，任何值與X比較的結(jié)果都是認(rèn)為是匹配的，比如與10X1匹配的內(nèi)容為1011，1001。增強(qiáng)三態(tài)模式比標(biāo)準(zhǔn)模式多了一個(gè)U，U和X剛好相反，指的是任何值與U比較的結(jié)果都是認(rèn)為是不匹配的。

經(jīng)過(guò)對(duì)CAM核的分析，三態(tài)模式中X的引入可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的匹配，這樣CAM中的一個(gè)值不但可以對(duì)應(yīng)容差范圍內(nèi)的多個(gè)值，也可以對(duì)應(yīng)參數(shù)捷變雷達(dá)的中參數(shù)的多個(gè)值。例如，雷達(dá)的頻率參數(shù)范圍是01111100b≤RF≤01111111b，CAM中只要預(yù)存二進(jìn)制數(shù)011111XX就可以實(shí)現(xiàn)。利用這個(gè)原理，本文使用Active-HDL 8.2軟件在FPGA中實(shí)現(xiàn)了預(yù)分選器的設(shè)計(jì)。

對(duì)CAM和RAM單元的初始化數(shù)據(jù)寫(xiě)入既可預(yù)先初始化，也可在系統(tǒng)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)更新。在雷達(dá)信 號(hào)預(yù)分選應(yīng)用中可將已知輻射源庫(kù)利用初始化內(nèi)存文件對(duì)CAM和RAM進(jìn)行初始化。對(duì)未知輻射源參數(shù)可在系統(tǒng)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)寫(xiě)入。

圖7為在Active-HDL 8.2中的仿真圖，從輸入的PDW可以得到PW=101，DOA=162，RF=202，三個(gè)參數(shù)分別進(jìn)入相應(yīng)的CAM中得到匹配結(jié)果和匹配標(biāo)志，最終得到與編號(hào)為18的雷達(dá)匹配。

圖7 仿真結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

基于CAM的關(guān)聯(lián)比較器在雷達(dá)信號(hào)預(yù)分選中具有重要意義，能夠極大地提高信號(hào)分選的速度，為后端處理節(jié)省更多的時(shí)間。本系統(tǒng)在FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)了基于CAM的關(guān)聯(lián)比較器，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)信號(hào)的快速預(yù)分選，達(dá)到了實(shí)時(shí)性和可靠性的要求。

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