基于FPGA和計算機視頻混合的雷達終端顯示設計

陸迪

中國電子科技集團公司第38研究所， 安徽省合肥市 230031

基于FPGA和計算機視頻混合的雷達終端顯示設計

陸迪

中國電子科技集團公司第38研究所， 安徽省合肥市 230031

介紹了基于FPGA和計算機視頻混合的雷達雷終端顯示設計。FPGA接收雷達回波信號，并將其由極坐標系轉換為直角坐標系，同時，FPGA接收計算機顯卡輸出的DVI信號，并在行場同步信號的控制下，實現雷達回波和顯卡輸出數據的混合疊加，疊加后的數據經過DVI接口芯片轉后，再次形成DVI標準數據，送光柵顯示器顯示。該設計實現雷達的回波和人機界面的同步混合顯示，滿足雷達系統的顯示要求。工程上也驗證了該設計的有效性。

雷達顯示；FPGA；顯卡；視頻混合

rad ar d isp aly；FPGA; Graphic card；video mixing

引言

隨著雷達整機技術的進步，對終端顯示的要求越來越高，要求終端顯示具備高的分辨率、豐富的顯示內容和層次。單純采用軟件繪制雷達回波的方式，計算機CPU (Central ProcessingUnit)資源利用率太大，實時的回波顯示對計算機顯卡的要求也很高。純軟件處理回波顯示的固有缺陷，制約了雷達顯示的發展。

運用FPGA(Field-Programmable Gate Array)和計算機顯示新技術，實現雷達回波和人機接口的混合顯示，避開純軟件處理的瓶頸，是一種新的設計方法。運用這種方法設計一種新的雷達終端顯示設備，設計中采用“ALL-IN-ONE”嵌入式計算機完成二次信息及操控界面等人機接口的繪制，生成的顯示數據，由計算機顯卡DVI口輸出；雷達回波運用超大規模FPGA芯片進行處理后生成回波顯示數據，與計算機顯卡送來的二次顯示數據混合后再輸出至顯示器顯示，實現雷達的回波和人機界面的同步混合顯示。

1.工作原理

終端顯示設備主要由三部分組成，如圖1。計算機處理通道完成二次顯示信息處理、操控窗口的控制、硬件電路工作參數設置、與系統和整機的通信、電視監視等多種傳感器信息接入等；回波處理通道實現雷達信號接口匹配、回波采樣、回波峰選處理和掃描坐標轉換處理、余暉尾跡控制、時序控制；視頻數據混合模塊在計算機顯卡輸出的行場同步信號控制下完成數據疊加轉換。

圖1 顯示設備組成框圖

2.設計及實現

2.1 DVI顯示接口技術的應用

DVI（Digital Visual Interface）接口是常用的計算機顯示接口，DVI標準規定：R（Red）、G(Green)、B(Blue)3色數據通過并/串轉換以及8B/10B編碼，形成3路信號和1路時鐘信號，以LVDS(Low-Voltage Differential Signaling)電平的方式進行傳S輸。DVI信號的傳送采用的是差分形式，高分辨率圖像（1600*1200及以上）可以傳輸更遠，抗干擾能力更強。

在1600*1200分辨率下，通過DVI接口，要實現計算機顯卡數據的接收和混合后同等分辨率的視頻數據的發送，線路碼流達到了1.6Gbps。為了降低了PCB（Printed Circuit Board）設計的難度，有效保證最終顯示畫面的質量，通過一對DVI收/發芯片實現，芯片內具備串/并變換、8B/10B編/解碼、時鐘鎖相環以及數據恢復/驅動電路，避免了數據恢復時的相位抖動，保證了顯示畫面的質量。

圖2 多片的SDRAM的級聯

2.2 圖形幀存儲器的設計選擇

高速圖形幀存的體系結構是計算機圖形學硬件的一個重要研究領域，體系結構的好壞往往會影響顯示的總體性能，成為高速圖形顯示的關鍵。幀存在保證高性能的前提下，還要盡量降低成本，使之具有盡可能高的性價比，以使廣泛應用成為可能。圖形顯示系統的幀存一般采用SDRAM（Synchronous Dynamic Random Access Memory）、V R A M（V ideo R andom Access Memory）實現。終端顯示設備要用到大量的存儲器，并且要求訪問速度快。V R A M速度得到了保證，但單片存儲容量低，在高分辨率下，所需要的V R A M的片數過多，增加了PCB布線難度，而且VRAM社會需求量太低，采購困難。因此選用SDRAM存儲器作為幀緩，多片的SDRAM的級聯如圖2。

2.3 SDRAM控制器的設計

SDRAM是同步器件，對它的正確訪問依賴于合理SDRAM控制器設計。通常要求在電路上電后，首先對SDRAM進行模式寄存器配置操作，然后才可按照配置進行必要的單字節讀/寫、頁讀/寫、頁讀/寫終止、行地址激活、預充、自動刷新等操作。SDRAM控制器狀態機如圖3。SDRAM控制器采用FPGA編程實現。

圖3 SDRAM控制器狀態轉移圖

2.4 P顯回波遠區分裂的補償

在P顯模式下，由于從極坐標轉換成直角坐標所固有的非線性影響，以及方位與雷達觸發的異步關系，會出現回波遠區分裂的現象。設計中采用兩種方法加以補償,一是增加查表法坐標轉換中正、余弦函數值的精度，正、余弦函數值的精度一般要求達到10-3；二是采用方位插值的方法，在一次方位處理完成后，在下一次觸發到來之前再以當前的回波值輔以新的方位進行顯示處理。

方位插值的示意如圖4。在1600*1200分辨率下，偏心最大情況下，圓周的像素數為2π*1200，即要求插入后方位數量要大于5736個。通過插補方位處理后，掃描線的密度大于方位值，保證了1600*1200顯示分辨率的有效體現。

2.5 回波峰選系數的實時校正

由于雷達觸發內的距離單元一般遠大于顯示屏半徑像素數，所以回波的顯示處理需要峰選。峰選就是將顯示量程內的所有回波采樣值按照顯示像素分組，在每組內選擇最大值作為對應顯示像素的輝度值。每組內回波采樣值的數目即是峰選系數，依據此峰選系數執行峰選操作。峰選系數的計算公式如式（1）所示：

注：N為峰選系數，R為顯示量程（單位km），f為峰選始終頻率（單位M H z），M為顯示像素

例如100km量程下的正常P顯，對應的顯示半徑為600像素，采樣時鐘是25MHz，依據式（1）計算，精確到百分位，可得N=27.78，綜合處理峰選系數的整數部分和小數部分，動態的調整每組回波采樣值的數目。

2.6 數據的坐標轉換設計

雷達顯示系統是一個典型實時信息顯示系統，實時性是其突出特點，以信號幅度或亮度的形式表達和確定目標的存在和位置空間。雷達前端送出同步雷達觸發的回波數據和方位信號，是一個極坐標系，光柵顯示的雷達畫面的顯示是以行場同步掃描的方式進行，是一個直角坐標系，轉換的方法采用查三角函數的方法來獲得正余弦函數的函數值。FPGA電路實現時，將每個角度的正余弦函數用一個ROM（Read-Only Memory）來存貯，存儲器的地址與及角度對應，實際使用時，計算0～π/2之間的函數值，通過象限確定其值的符號。以半徑為像素數600的圓為例，根據圖5的示意，可得在第一象限各點直角坐標如式（2）。同理可求的其他象限坐標。

圖5 半徑為600像素各點坐標位置

2.7 高分辨顯示數據的實時混合

在FPGA內部，視頻數據混合模塊以計

算機顯卡送出的行、場同步脈沖同步，以像素時鐘為處理時鐘，將回波數據和計算機顯卡的顯示數據進行疊加，這其中涉及邏輯電路的pipeline設計、窗口和回波主顯的透出顯示算法。疊加后的數據包含雷達回波信息和計算機顯示通道處理的信息，實現了視頻數據的實時混合，混合后的數據在經過DVI接口芯片電平轉換，就可以送顯示器顯示了。

3.總結

本文介紹了運用FPGA和計算機顯示新技術實現雷達終端的顯示設計。FPGA芯片處理生成雷達回波顯示數據，同時接收顯卡送出的顯示數據，在PGFA內數據混合后再輸出至顯示器顯示，實現雷達回波與計算機視頻混合。通過這一設計，避免占用計算機總線帶寬向計算機傳輸大量回波數據，同時，不需要占用CPU資源完成回波轉換的各種算法，通過視頻數據疊加實現了多層次豐富的雷達終端顯示。

[1] 余理富. 信息顯示技術. 電子工業出版社

[2] 車志宇等. 雷達回波信號模擬、處理及顯示系統研制. 2008中國儀器儀表與測控技術進展大會論文集

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Design of radar display based on FPGA and computer video mixing

Lu Di
Ch in a Electro n ics Tech n o lo gy Gro u p Co rp o ratio n 38th Research In stitu te,H efei, 230031,Ch in a

This paper introduces the design of radar displaybased on FPGA and computer video mixing.FPGAreceive Radar echo signal In the polar coordinatessystem and converted it to cartesian coordinatesystem, at the same time,FPGA receives the DVIsignal output from the computer graphics. Underthe control of H and V, Radar echo signal and DVIsignal are mixed,and the mixed signal is convertedthe standard DVI signal again by using DVI interfacechip，the standard DVI signal is sent to the rasterscan display. The design achieve synchronous displayof the radar echo and human-computer interface,and meet the requirement of the radar displaysystem.The result of electronic engineering shows thatthe design is efficient.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.111

陸迪(1979-)，男，工程師，江蘇省東海人，主要研究方向為雷達數據處理和顯示處理。