基于FPGA的并行數(shù)字脈壓設計

王利華，趙 軍，湯 勇，韓曉明

(航空工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214063)

·工程應用·

基于FPGA的并行數(shù)字脈壓設計

王利華，趙 軍，湯 勇，韓曉明

(航空工業(yè)雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214063)

在超寬帶雷達接收系統(tǒng)中，對超大帶寬、高數(shù)據(jù)率和大數(shù)據(jù)量的基帶信號處理，并不再適合采用傳統(tǒng)的基于DSP芯片的低速率串行脈壓方式。在數(shù)字中頻接收系統(tǒng)中基于FPGA實現(xiàn)并行多相濾波數(shù)字下變頻與并行數(shù)字脈壓的綜合設計，采用并行多相FFT和頻率抽取IFFT的算法架構(gòu)，多個并行基帶信號同時進行脈壓運算，相比傳統(tǒng)串行方式能夠大大提高處理效率。將數(shù)字脈壓由雷達信號處理系統(tǒng)提前到數(shù)字中頻接收系統(tǒng)實現(xiàn)，并基于FPGA實現(xiàn)并行高效處理，對優(yōu)化雷達系統(tǒng)的接收及處理架構(gòu)具有重要意義。

并行脈壓；并行多相快速傅里葉變換；頻率抽取快速傅里葉逆變換；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言

隨著雷達接收系統(tǒng)實現(xiàn)功能的不斷豐富，對數(shù)字中頻接收預處理的要求已不僅僅局限于中頻信號模數(shù)變換器(ADC)采樣、數(shù)字下變頻、基帶數(shù)據(jù)打包和高速串行傳輸?shù)龋€性調(diào)頻信號脈壓亦可以基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在數(shù)字中頻接收預處理中完成，以減少后續(xù)數(shù)字信號處理器(DSP)的處理壓力。對于帶寬接近吉赫茲的信號，中頻信號采樣率和數(shù)字信號數(shù)據(jù)率都大大提高，使得基于FPGA的數(shù)字下變頻算法通常采用并行多相濾波結(jié)構(gòu)，以“面積換速率”的方式降低FPGA的單路處理時鐘。但是這種超寬帶數(shù)字接收設計使得輸出的基帶信號通常由多個并行支路組成，導致脈壓算法將無法像單路信號那樣易于實現(xiàn)。

針對超寬帶多路并行基帶信號的脈壓，最直觀的解決方法就是數(shù)據(jù)存儲方式，即在FPGA內(nèi)將并行信號先通過雙口隨機存儲器(RAM)緩存，然后按支路順序依次讀出合成一路完整基帶信號，最后再按照單路信號脈壓的方式進行完整信號的脈壓。但是這種存儲方式不但浪費FPGA的存儲資源，支路信號的順序組合亦使得處理時間大大增加。在數(shù)字中頻接收系統(tǒng)中，除了完成傳統(tǒng)的數(shù)字接收和數(shù)字下變頻算法功能外，基于多相快速傅里葉變換( FFT)和頻率抽取快速傅里葉逆變換(IFFT)算法，在FPGA中進行頻域并行脈壓，對多路并行基帶信號無需緩存，采用流水運算的方式實現(xiàn)并行實時脈壓處理。

1 并行脈壓原理

實現(xiàn)線性調(diào)頻信號脈壓包括時域卷積和頻域相乘兩種方式。由于對大數(shù)據(jù)量的時域卷積，其匹配濾波器的設計較為復雜，并且需要進行卷積運算，并不適合超寬帶線性調(diào)頻信號的脈壓。而頻域相乘方式對輸入信號先進行FFT運算，再在頻域與脈壓匹配系數(shù)相乘，最后進行IFFT運算即可。由于目前應用較為廣泛的FPGA開發(fā)環(huán)境中都提供了用于實現(xiàn)FFT和IFFT運算的IP核，因此頻域方式在FPGA中實現(xiàn)起來較為容易[1]。

頻域相乘方式實現(xiàn)超寬帶信號并行數(shù)字脈壓的關(guān)鍵是并行結(jié)構(gòu)的FFT和IFFT算法，各支路信號既能獨立進行脈壓運算又相互關(guān)聯(lián)。并行脈壓相比于串行方式的優(yōu)勢是并行多相FFT和頻率抽取IFFT運算，這也是工程實現(xiàn)的關(guān)鍵。

1.1 并行多相FFT

在超寬帶數(shù)字中頻接收系統(tǒng)中，為降低FPGA對高速采樣信號的處理壓力，通常采用并行多相濾波算法實現(xiàn)數(shù)字下變頻，并獲得多路并行支路基帶信號。并行數(shù)字脈壓即以這些并行支路信號為運算基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的一路串行FFT就變成多路并行的多相FFT算法，這樣的處理方式不需要像串行FFT那樣先對各個支路信號進行順序組合為一路完整信號，而是可以直接采用流水方式對各支路信號同時進行并行FFT運算，再對支路運算結(jié)果進行數(shù)據(jù)組合即可以獲得與串行FFT一樣的計算效果。這樣不僅能夠減少單路FFT的運算點數(shù)，也節(jié)省了運算處理時間。

設時域信號為x(n)，并行多相濾波數(shù)字下變頻獲得的支路基帶信號數(shù)為D，其多相結(jié)構(gòu)FFT可以分解為[2]：

(k′=0,1,…,N/D-1)

(1)

多個支路的基帶信號能夠同時獨立進行FFT計算，再進行支路FFT的合成處理，即獲得并行多相FFT的運算結(jié)果。對于支路基帶信號數(shù)為D的超寬帶數(shù)字接收系統(tǒng)，D路并行多相FFT運算使得單個支路的FFT長度減少至原來串行方式的1/D，并且處理延時與運算時間亦縮短至原來的1/D，大大提高處理效率。

盡管基于FPGA的FFT運算可以直接調(diào)用其開發(fā)環(huán)境提供的IP核，但是對FFT運算的長度是有限制的，例如Xilinx公司FPGA開發(fā)環(huán)境ISE14.7中提供的用于FFT和IFFT運算的Fast Fourier Transform核，最大計算長度是64K。對于脈壓點數(shù)(例如128K)超過FFT的IP核能夠支持的最大長度時，傳統(tǒng)的串行FFT方式顯然無法實現(xiàn)這種運算。但是并行多相FFT多個支路獨立運算的特點卻可以將總計算長度擴展至原來的D倍。

采用并行多相FFT運算方式，既可以節(jié)省大數(shù)據(jù)量的計算時間又能夠擴展處理長度，對提高雷達信號處理系統(tǒng)的數(shù)字脈壓處理能力，比傳統(tǒng)串行FFT計算方式具有更大優(yōu)勢。

1.2 頻率抽取IFFT

并行多相FFT運算將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域，并在頻域完成與脈壓匹配系數(shù)的點乘，而IFFT則需要將頻域信號轉(zhuǎn)換為時域才獲得最終的脈壓結(jié)果。盡管FFT和IFFT運算在理論上沒有本質(zhì)區(qū)別，但是采用并行多相FFT處理后，各支路數(shù)據(jù)的組合關(guān)系與原始基帶I/Q信號不同。于是IFFT則須根據(jù)多相FFT運算后各支路信號的數(shù)據(jù)組成特點，選擇不同的并行處理方式，即頻率抽取算法。

頻率抽取IFFT法能夠?qū)崿F(xiàn)復乘后多支路信號的并行運算，并且實現(xiàn)頻域到時域的并行轉(zhuǎn)換，這是獲得最終脈壓結(jié)果的關(guān)鍵。各支路的IFFT計算仍然調(diào)用FPGA開發(fā)環(huán)境提供的FFT核，先進行支路數(shù)據(jù)的頻率抽取處理，再各自獨立完成IFFT運算。

設與匹配系數(shù)相乘后的頻域信號為X(k)，并行支路信號數(shù)為D，頻率抽取方式IFFT計算可以分解為：

(2)

頻率抽取處理方式IFFT算法將IFFT分解為并行多個支路的運算，可以很好地與并行多相FFT及復乘運算的結(jié)果相融合，并且實現(xiàn)了頻域信號轉(zhuǎn)換為時域波形的并行處理。與并行多相FFT一樣，由于采用了并行多路運算架構(gòu)，對節(jié)省脈壓處理時間和擴展脈壓處理長度都具有傳統(tǒng)串門脈壓所不具備的優(yōu)勢。

頻率抽取IFFT方式獲得并行多路基帶信號的數(shù)字脈壓結(jié)果，再將各支路信號進行組合打包即可傳輸至信號處理系統(tǒng)完成后續(xù)處理。

2 并行脈壓實現(xiàn)

2.1 算法架構(gòu)

在超寬帶雷達數(shù)字接收系統(tǒng)中，信號帶寬達到吉赫茲的數(shù)字中頻采樣和數(shù)字下變頻通常基于并行處理能力更強的FPGA芯片實現(xiàn)。由于FPGA內(nèi)處理時鐘的限制，對采樣率在吉赫茲以上的數(shù)字接收及數(shù)字下變頻算法通常采用并行多相濾波結(jié)構(gòu)，對ADC輸出的并行多支路信號采用并行混頻和多相濾波運算，獲得多個支路基帶I/Q信號。由于FPGA并行處理能力的強大，使得基于FPGA的數(shù)字脈壓算法得到越來越多的應用，而不再局限于在處理系統(tǒng)的DSP芯片實現(xiàn)。超寬帶并行多相濾波數(shù)字下變頻和并行多相脈壓算法的無縫結(jié)合，使得數(shù)字下變頻和數(shù)字脈壓可以通過流水運算方式完成，省去了中間的并行支路數(shù)據(jù)緩存及組合，提高信號脈壓處理效率。

以并行輸出支路為4路、DDR模式的高速ADC采樣數(shù)字中頻接收系統(tǒng)為例，基于FPGA的超寬帶數(shù)字下變頻與并行數(shù)字脈壓的綜合處理架構(gòu)如圖1所示。

采用此架構(gòu)可以在單片F(xiàn)PGA內(nèi)完成吉赫茲帶寬信號、采樣率在2吉赫茲以上的并行多相數(shù)字下變頻和并行數(shù)字脈壓算法。對各支路脈壓信號進行數(shù)據(jù)打包處理，再通過FPGA的高速串行總線輸出至信號處理系統(tǒng)，這樣能夠減輕處理機的運算壓力。于是處理機能夠?qū)Ｗ⒂诶走_信號處理，而不至于在信號脈壓這種可以由數(shù)字中頻接收系統(tǒng)實現(xiàn)的預處理算法上浪費硬件資源[3]。

2.2 基4多相FFT

超寬帶數(shù)字中頻接收系統(tǒng)的并行多相濾波數(shù)字下變頻運算獲得并行4支路基帶信號，各支路基帶信號時域表示為：

x0(n)=x(4n),x1(n)=x(4n+1),

x2(n)=x(4n+2),x3(n)=x(4n+3)

(n=0,1,2,…,N/4-1)

(3)

將4個并行基帶支路信號同時進行N/4點FFT運算，這個計算過程由FPGA提供的IP核實現(xiàn)，不需要復雜的邏輯處理。各個支路時域信號的FFT結(jié)果可表示為：

X0(k′)=FFT(x0(n)),X1(k′)=FFT(x1(n)),

X2(k′)=FFT(x2(n)),X3(k′)=FFT(x3(n))

(k′=0,1,2,…,N/4-1)

(4)

各支路FFT運算后需要進行合成處理才能獲得并行多相結(jié)構(gòu)FFT的計算結(jié)果，各支路多相合成算法如下[4]：

(k,k′=0,1,2,…,N/4-1)

(5)

2.3 匹配系數(shù)復乘

線性調(diào)頻信號脈壓的匹配系數(shù)與信號帶寬、脈寬、數(shù)據(jù)率和脈壓點數(shù)相關(guān)，由于超寬帶雷達接收系統(tǒng)的信號種類相對較少，于是脈壓匹配系數(shù)種類亦相對固定。因此基本上不需要在FPGA中進行實時計算，可以根據(jù)信號參數(shù)，通過Matlab仿真獲得匹配系數(shù)。由于Matlab開發(fā)環(huán)境與FPGA開發(fā)環(huán)境能夠有效結(jié)合，F(xiàn)PGA可以直接調(diào)用Matlab仿真計算的匹配系數(shù)用于脈壓運算。

根據(jù)信號參數(shù)基于Matlab仿真計算的脈壓匹配系數(shù)，按并行多相FFT的運算方式進行并行多路拆分，并存儲于FPGA內(nèi)部4個獨立的只讀存儲器(ROM)中，在匹配系數(shù)復乘運算過程中同時讀取各個ROM中存儲的支路匹配系數(shù)即可。

2.4 基4頻率抽取IFFT

多相FFT和匹配系數(shù)并行復乘決定了IFFT運算也須采用并行處理方式，只是根據(jù)并行多相FFT的運算結(jié)果，IFFT采用不同的并行處理方式。根據(jù)頻率抽取IFFT運算的分解方法，基4頻率抽取IFFT可以分解如下[5]：

令X(k)=X0(k),X(k+N/4)=X1(k),

X(k+2N/4)=X2(k),X(k+3N/4)=X3(k)

(6)

那么，這4個并行支路的IFFT運算可以分別表示為：

x0(r)=IFFT(X0(k)),x1(r)=IFFT(X1(k)),

x2(r)=IFFT(X2(k)),x3(r)=IFFT(X3(k))

(k=0,1,…,N/4-1),(r=0,1,…,N/4-1)

(7)

令n=4m,4m+1,4m+2,4m+3,(m=0,1,…,N/4)，則對各支路信號的IFFT運算結(jié)果進行合成的運算過程如下[6]：

=4-1(x0(r)+x2(r)+x1(r)+x3(r))

(8)

對4個并行支路分別進行IFFT運算，再按照上述基4頻率抽取的合成方式，即獲得多路并行IFFT計算結(jié)果，將和支路信號進行組合即可獲得與串行脈壓相同的結(jié)果。

3 FPGA仿真

為簡化運算處理流程，基于FPGA的數(shù)字脈壓通常采用定點方式，這與DSP基于浮點運算有很大不同。定點運算過程中的數(shù)據(jù)截取很可能導致FPGA脈壓的精度略差，但如果這種精度上的差異對整個信號處理系統(tǒng)實現(xiàn)的功能沒什么實質(zhì)影響，那么基于FPGA的脈壓算法就可以在工程上應用。基于FPGA的超寬帶多相濾波數(shù)字下變頻算法采用流水方式，F(xiàn)PGA中并行數(shù)字脈壓亦采用流水處理模式，沒有對支路數(shù)據(jù)的存儲和組合，相比傳統(tǒng)的串行脈壓算法具有處理效率高的優(yōu)勢。

以基于FPGA實現(xiàn)128K點線性調(diào)頻信號脈壓處理的應用系統(tǒng)為例，由于FPGA開發(fā)環(huán)境中提供的用于FFT和IFFT運算的IP核僅支持最大64K點的處理，要實現(xiàn)128K點的脈壓算法，采用傳統(tǒng)的串行脈壓方式可能無法實現(xiàn)，但是選擇基4并行數(shù)字脈壓方法則是一種很好的解決方式。每個基帶支路信號分別完成32K點脈壓運算，再進行各支路數(shù)據(jù)組合即可獲得128K點脈壓結(jié)果。

將脈壓匹配函數(shù)加Hamming窗以獲得較好的脈壓效果，基于FPGA開發(fā)環(huán)境的支路32K點基帶線性調(diào)頻信號并行脈壓仿真結(jié)果如圖2所示。將4個并行支路合成一路128K點的脈壓結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果驗證了這種并行脈壓算法的工程可行性。

4 結(jié)束語

針對超寬帶數(shù)字中頻接收系統(tǒng)處理帶寬大、采樣率高和信號脈壓點數(shù)多，以及傳統(tǒng)串行脈壓方式處理時間長和 FFT IP 核計算長度有限的特點， 提出了基于并行多相FFT和頻率抽取IFFT算法架構(gòu)的并行數(shù)字脈壓算法，既可節(jié)省計算時間又能夠擴展數(shù)據(jù)處理長度，并且提高數(shù)字脈壓處理效率。■

[1] 毛榮鈞,馮道旺,郭福成,等. 基于FPGA的相關(guān)匹配實時處理算法[J]. 航天電子對抗, 2015,31(3):56-58.

[2] 王宏偉,趙國慶,王玉軍,等.一種寬帶數(shù)字信道化接收機[J].西安電子科技大學學報, 2010,37(3):487-491.

[3] 關(guān)濤,朱運航,常文革,等.數(shù)字下變頻與脈沖壓縮系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 雷達科學與技術(shù), 2010,8(2):133-138.

[4] 王宏偉.基于傅里葉變換的數(shù)字信道化及相關(guān)技術(shù)[D].西安:西安電子科技大學電子工程學院,2010.

[5] 周海斌,劉剛. 基于FPGA的高速實時FFT處理器設計[J].電子工程師, 2015,31(1):54-56.

[6] 蘇彥鵬,張漢富,韓磊. 基于FPGA的4K點基-16 FFT模塊的實現(xiàn)[J].電子與封裝, 2007,7(9):8-11.

DesignofparalleldigitalpulsecompressionbasedonFPGA

Wang Lihua, Zhao Jun, Tang Yong, Han Xiaoming

(AVIC Leihua Electronic Technology Research Institute, Wuxi 214063, Jiangsu, China)

In the ultra-wideband radar receiving system, processing of the baseband signal for large bandwidth, high data rata and large data volume is not suitable for low-rate serial pulse compression based on digital signal processor (DSP). In digital intermediate frequency(IF) receiving system, the integrated design of polyphase filter digital down conversion (DDC) and parallel pulse compression, using parallel multi-phase fast Fourier transform(FFT) and frequency extraction inverse fast Fourier transform(IFFT) algorithm architecture, a number of parallel baseband branch signal simultaneously implementation pulse compression operation, and greatly improve the processing effectiveness. The implementation of digital pulse compression algorithm from the traditional processing system to the digital IF receiving system, and complete parallel processing based on FPGA, which optimize the receiving and processing system of radar.

parallel pulse compression; parallel polyphase FFT; frequency extraction IFFT; field programmable gate array

2017-09-02；2017-09-27修回。

王利華(1982-)，男，高工，碩士，主要研究方向為雷達數(shù)字中頻接收與信號預處理。

TN958

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