一種可配置的雷達信息處理平臺實現方法

蔣迺倜,付 林,姜小祥,張玉喜

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153;2.南京信息工程大學,南京 210044)

一種可配置的雷達信息處理平臺實現方法

蔣迺倜1,2,付 林1,姜小祥1,張玉喜1

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京 211153;2.南京信息工程大學,南京 210044)

介紹了一種可配置的雷達信息處理平臺實現方法。描述了該平臺的硬件組成、工作原理及體系架構,重點闡述構成平臺的關鍵功能模塊的特性、工作流程。信息處理平臺通過配置管理模塊的統一調度實現了數據路由的重配置、功能任務的重分配以及模塊故障的在線修復,為多功能雷達系統提供了一種有效的信息處理平臺的實現方法。

雷達;信息處理平臺;可配置

0 引 言

高速實時的信息處理平臺是雷達獲取目標特征、對抗環境干擾的核心部件之一。它接收雷達前端預處理后的中頻信號,并實時完成雷達信號處理和數據處理的功能,實現在復雜的電磁背景和動態的對抗環境下,利用各種先進的信號處理技術和手段,來完成對干擾和雜波的抑制、對環境特性的估計和認知,以及對感興趣信號的有效提取和識別,從而獲取目標和信號的空間和時間、屬性等信息,為雷達系統發揮功能、性能、以及作戰效能提供重要保證。

傳統信息處理平臺目前受限于設計水平和體系架構,無法實時、動態地調度計算資源和硬件資源。首先,在關鍵路徑出現故障時易導致整個系統癱瘓,大大降低了系統的可靠性;其次,無法合理使用計算資源,不能實現計算資源在多種功能間的動態負載平衡,常常導致計算資源的不合理分配,出現部分功能計算資源浪費、緊張且互相之間又無法補充的現象。

針對上述問題,本文提出一種可配制信息處理平臺的實現方法。該方法提供了一個快速、低成本的利用各種不同類型和功能模塊的設計方案,使硬件具有可“編譯”能力,能夠以硬件參數可重構適配各種不同類型的應用,以較高的計算效能完成各種不同的任務。同時,該方法還能夠有效減小信息處理平臺體積、重量和功耗,提高硬件資源共享率和任務響應實時性。而且,該方法構建的高效動態配制信息處理平臺,既結合功能模塊的特點,又兼顧到模塊的可配置軟硬件的特性,從而使得處理平臺在具備模塊化設計的同時其開放性、擴展性能大大增強。

1 平臺實現方法

雷達信息處理平臺針對多種功能需求進行分析,對其處理流程進行全局規劃,并合理配置信號鏈路各環節處理參數,實現系統多任務間的高速調度與實時切換,保證平臺資源的高效利用。通過對平臺故障情況的實時監控,調整和執行故障恢復配置策略,提高平臺的可靠性,提升平臺無故障運行時間。

1.1 平臺框架

信息平臺框架示意圖見圖1。

本平臺采用了配制管理模塊、信號中樞模塊、多功能信號處理FPGA模塊、數據處理PowerPC模塊、FC適配模塊等功能模塊。各模塊之間利用FC數據網絡、SRIO數據網絡、千兆以太網以及自定義傳輸協議的光纖網絡等高速數據網絡實現數據的實時交互。所有功能模塊采用6U VPX板卡設計,均符合VITA46規范。各功能模塊分布于不同的雷達系統的各VPX信息處理插箱內。配制管理模塊產生功能配置命令與信號路由命令。信號中樞模塊根據調度指令將不同類型的數據分發到不同的多功能信號處理模塊。多功能信號處理模塊依據雷達工作模式進行相應的信號處理工作。信號處理結果通過FC適配模塊傳遞到對應的PowerPC數據處理模塊,完成雷達信息處理功能。

圖1 信息處理平臺框架示意圖

1.2 平臺高速數據網絡

雷達可重配置信息處理平臺利用FC數據網絡、SRIO數據網絡、千兆以太網以及自定義傳輸協議光纖網絡等4種不同的數據傳輸途徑實現了高速數據在多功能雷達信號處理子系統與數據處理子系統內部的交換與輸入輸出功能。自定義傳輸協議光纖網主要用于雷達設備分系統之間強實時高速數據傳輸。發送、接收雙方約定好傳輸數據格式,按照數據流的方式處理數據。FC數據網路用于雷達設備分系統之間或VPX插箱之間的數據交換。SRIO數據網路用于VPX插箱內部的數據交換。千兆以太網主要傳輸控制命令或對數據時延沒有很高要求的數據包。平臺各功能模塊采用的數據網絡配置如下:

(a) 信號中樞模塊的輸入輸出均為自定義傳輸協議光纖網絡,接收雷達前端預處理系統輸出的多路光纖數據,并根據控制命令將相應數據送往對應的多功能信號處理模塊;

(b) 多功能信號處理模塊與FC適配模塊相連,FC適配模塊將接收到的信號處理結果協議轉換后送往FC交換機,FC交換機負責將FC數據交換至規定的FC端口;

(c) 位于同一VPX插箱內部的數據處理模塊使用Serial RapidIO(SRIO)總線進行數據交換,SRIO交換機實現了插箱內部任意數據處理模塊之間的SRIO數據全交換;

(d) 配制管理模塊、數據處理模塊都與以太網交換機相連,實現了以太網數據的交換和控制命令的傳遞。

1.3 平臺關鍵模塊功能及實現方法

1.3.1 配置管理模塊

配制管理模塊由PowerPC處理板與FPGA處理板構成。兩者位于同一插箱內部,通過RapidIO總線交互數據。配制管理模塊產生功能配置命令,調整通信路徑與應用算法適應不同功能,同時可收集管理各處理節點的狀態信息,根據節點的故障狀態信息,調整和執行故障修復策略。PowerPC處理板通過千兆以太網向數據處理PowerPC模塊發送軟件配置指令。FPGA處理板具有多路光纖發送通道,通過光纖向信號中樞模塊和FC適配模塊發送數據調度指令,實現系統動態配置。

1.3.2 信號中樞模塊

信號中樞模塊采用通用FPGA處理板,實現對預處理下行結果的簡單處理和分發功能。信息中樞模塊接受資源調度設備的管理。根據配置管理模塊分配的信號處理模塊路由配置表,將數據路由至相應的多功能信號處理模塊。同時,信號中樞模塊可以完成數據合并與簡單數據預處理功能,以降低后端處理的壓力。信號中樞模塊包含16路高速光纖數據輸入、1路控制光纖信號輸入和32路光纖數據輸出，見圖2。

圖2 信號中樞模塊原理框圖

1.3.3 多功能信號處理模塊

多功能信號處理模塊實現雷達信號處理功能,采用高性能FPGA處理板設計。板卡搭載兩顆Xilinx Virtex-6 FPGA (LX550T)芯片,每片FPGA外掛高速DDR3緩存以及高帶寬、低延遲的QDR。兩片FPGA通過100對LVDS實現互聯,采用SerDes技術,線速可達1.25Gbps。每片FPGA提供一個×4 RapidIO高速串行通道,通過插箱內部交換板實現板間高速互聯。同時,板卡具有48對光纖接口,能夠應對主動、被動、協同、電子對抗等信號處理的需求。多功能信號處理模塊的輸入來自信號中樞模塊,并將信號處理結果輸出至數據處理模塊。本文中每個信號處理模塊接收4路光纖數據,具有同時處理4個接收通道數據的能力。

1.3.4 數據處理模塊

數據處理模塊實現雷達數據處理功能,采用商用貨架PowerPC處理板,具有4個MPC8640D處理器,工作主頻1.0GHz,運行嵌入式VxWorks操作系統。它具有如下功能:(1)雷達資源調度,(2)主動雷達目標檢測、跟蹤、成像、識別,(3)被動雷達信號分選、參數估計、輻射源識別,(4)通信編解碼,等等。PowerPC處理板提供4路×4 RapidIO互聯通道與4路千兆以太網接口,滿足大帶寬低延時的傳輸需求。

2 動態配制設計

配置管理模塊管控所有的可配置節點,控制指令由配置管理PowerPC處理器統一下發,實現數據流路徑和處理算法的實時調整。該動態配置方法具有通用性好、擴展性強、各功能單元分工明確、易替換修復、既具有獨立性又相互聯系等特點，見圖3。

圖3 動態配置流程

2.1 數據路由動態配置方法

信號中樞模塊與FC適配模塊在配置管理模塊的統一調度下共同完成數據路由關系的動態配置。配置管理模塊通過光纖將路由控制命令傳遞給信號中樞模塊。路由控制命令包括信號中樞輸出選擇控制字與信號處理方式控制字。信號中樞模塊的每一路光纖輸出內容由輸出選擇控制字決定。同時,將信號處理方式控制字封裝在待輸出數據中,由光纖送往多功能信號處理模塊。伴隨路由控制命令的實時切換,多功能信號處理模塊的輸入數據和處理方式得以實時改變。本文設計的信號中樞模塊內部產生30路不同數據流,包括輸入的原始數據(16路)、合并后的數據(4路)、簡單數據預處理后的數據(10路)。將其按0～29編號,配置管理模塊按照編號控制每一路信號中樞模塊的輸出。

FC光纖網絡的引入大大提升了數據傳輸的靈活度,為任務的動態配置提供了更簡單的方法。FC適配模塊配合多功能信號處理模塊或數據處理PowerPC模塊使用,通過自定義光纖接收配置管理模塊下發的數據調度指令;實時修改FC節點的發送目的地址(DID)與接收源地址(SID);可在ms量級即可更新FC數據路由關系。FC適配模塊通過高速串行自定義光纖協議與多功能信號處理模塊互聯,通過SRIO總線與數據處理模塊互聯。

2.2 功能、任務動態配置方法

功能性重構著眼于雷達軟件化與模塊化的特點,使用同一套硬件設備完成多種功能雷達信息處理任務。可重構信息處理模塊通過事先規劃,對不同功能軟件進行組合,以適應不同任務類型,實現硬件資源復用。將信號處理與數據處理任務在中等粒度上進行劃分,全部功能模塊都駐留所有需要的代碼,根據軟件配置指令按順序執行相應的程序。這種方法能夠使重構時間最小化。圖4為功能性重構原理框圖。

圖4 功能性重構原理

對于多功能信號處理模塊,按照信號處理任務形成10余種不同的軟件功能模塊。每個模塊的輸入、輸出數據格式固定。信號處理方式控制字決定了信號處理的流程。假設信號處理模塊包含旁瓣對消、脈沖壓縮、MTI、MTD、CFAR、積累、脈沖參數提取、通信解調等軟件模塊,并將其按0～n編號。信號處理方式控制字就是若干編號的排列組合,將其對應的軟件模塊輸入輸出首尾相連。以典型主動雷達信號處理流程為例,將旁瓣對消、脈沖壓縮、MTD/MTI、CFAR等功能模塊串聯起來,形成輸出結果，將最終處理結果送往FC適配模塊。對于數據處理模塊,軟件配置指令由以太網傳送。當新的軟件配置指令下發后,數據處理模塊停止當前運行一個應用,調用另一個指定的應用程序,同時將處理結果通過SRIO總線發往FC適配模塊。多塊數據處理模塊在配置管理模塊的統一調度下切換各自的應用軟件,實現功能、任務的動態配置。

功能、任務動態配置時間是由配置指令下發時間(μs級)、數據鏈路重構時間(μs級)、應用程序切換(μs級)、功能重構確認(μs級)共同決定的。功能、任務動態配置總時間在μs量級。

2.3 故障恢復配置方法

故障恢復配置方法是指信息處理平臺中某一個處理模塊出現故障,或其運行狀態異常,配置管理模塊自動將其運行的任務調度到該層插箱的備份模塊上運行。因此,故障恢復配置方法是采用冗余模塊實現對關鍵路徑中故障模塊的備份,實現系統故障的在線修復。圖5為災難性重構原理圖。

圖5 災難性重構原理

在配置過程中,配置管理模塊獲得故障模塊位置信息,通過位置信息可得到故障模塊的任務信息、數據收發節點以及前端模塊位置。配置管理模塊下達控制指令,向故障模塊的前端提供新的發送數據的目的節點,同時向備份模塊提供節點任務和發送數據的目的節點。故障模塊的前端模塊獲得新的發送數據目的節點后進行收發數據地址關聯。備份模塊獲得任務節點和發送數據目的節點后運行相關任務,并進行收發數據地址關聯。在相應配置完成后,數據流切換到備份模塊。備份模塊替換故障模塊進行數據處理。故障模塊故障排除后可重新進入插箱,作為備份模塊。

信號中樞模塊設置有備份發送通道,與多功能信號處理備份模塊相連。每個數據處理插箱內部有冗余的數據處理PowerPC模塊作為備份。當一塊多功能信號處理模塊發生故障時,信號中樞備份通道選擇相應數據發往多功能信號處理備份模塊。配置管理模塊生成新的FC路由關系表,使多功能信號處理備份模塊的輸出數據能夠正常到達相應的數據處理模塊。當數據處理PowerPC模塊發生故障時,同一插箱內部的冗余備份數據處理模塊將代替故障模塊,實現修復故障。

故障恢復配置時間是由故障監控間隔(ms級)、故障確認時間(ms級)、故障隔離與重構指令下發時間(μs級)、數據鏈路重構時間(μs級)、應用程序切換(μs級)、故障現場恢復(ms級)共同決定的,修復故障總時間在1 s以內。

3 結束語

本文設計一種體系架構開放、資源動態集成的可重構信息處理平臺。通過分析多功能雷達的信息處理流程,進行共用流程設計,實現信號兼容設計和資源共享設計,形成面向任務的統一處理平臺。通過系統資源綜合調度分配策略,實現信息處理平臺的動態配置。

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An implementation method of configurable radarinformation processing platform

JIANG Nai-ti1,2, FU Lin1, JIANG Xiao-xiang1, ZHANG Yu-xi1

(1. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153;2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

An implementation method of the configurable radar information processing platform is introduced. The hardware composition, the working principle and the architecture of the platform are described with emphasis on the characteristics and working process of the key functional modules of the platform. The reconfiguration of data routing, the redistribution of the functions and tasks and the online repair of the module faults are realized through the unified scheduling of the configuration management module for the information processing platform, which provides an effective implementation method of the information processing platform for the multi-functional radars.

radar; information processing platform; configurability

2016-12-09;

2016-12-20

蔣廼倜(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:信號處理;付 林(1975-),男,研究員,博士,研究方向:光學、雷達目標識別;姜小祥(1984-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達信號處理;張玉喜(1979-),男,高級工程師,碩士,研究方向:信號與信息系統。

TN957.51

A

1009-0401(2017)01-0017-04