一種基于CPCI總線的雷達圖傳設備

安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 高啟學 楊宇紅

引言

情報雷達圖傳設備是情報雷達的重要附屬設備之一，能夠?qū)崟r、準確地將雷達圖像信號、情報數(shù)據(jù)及各種勤務信息傳輸?shù)竭h端,并在錄取顯示器上完整再現(xiàn)雷達圖像信號等信息[1]。隨著雷達技術(shù)快速發(fā)展，所需要傳輸數(shù)據(jù)量越來越大，傳統(tǒng)的圖傳設備已經(jīng)難以滿足需求，因此開發(fā)適合新體制雷達的高帶寬、高可靠性圖傳設備十分必要。而CPCI總線因具有高速、高可靠性、可熱插拔等出色性能，在計算機、通信、測試等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應用，鑒于此，本文結(jié)合某項目需求，設計并實現(xiàn)了一種基于CPCI數(shù)據(jù)總線的雷達圖傳設備。

1.設計思路

CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）總線是在桌面型的PCI 總線的基礎上發(fā)展和改進而來的。相比于PCI 總線，CPCI 連接器的結(jié)構(gòu)設計為加固型規(guī)范模塊，具有更高的可靠性和環(huán)境適應性[2]。圖傳設備充分利用CPCI總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，一是能夠?qū)崿F(xiàn)各功能業(yè)務模塊之間的實時高速數(shù)據(jù)交換；二是可實現(xiàn)帶電熱插拔，提高設備可維修性；三是有較強的耐振動和沖擊等能力，以提升圖傳設備的可靠性和穩(wěn)定性。

圖1 圖傳設備CPCI總線結(jié)構(gòu)圖

在傳輸帶寬方面，根據(jù)目前雷達實際需求和未來一段時間的發(fā)展趨勢，在成熟通信技術(shù)基礎上，將圖傳設備總傳輸帶寬設計為155Mbps，具有豐富和完善的接口，可以傳輸雷達圖像、網(wǎng)絡、串口、話音等數(shù)據(jù)，以適應不同型號的雷達使用。傳輸信道以無線微波方式傳輸為主，射頻頻率選擇X波段，該波段頻率較高，干擾較少；采用拋物面板狀天線，設備在視距無阻擋的條件下最大傳輸距離可達50km。設計中考慮兼容光纜ITU-T規(guī)定SDH標準，以提高設備傳輸靈活性。

2.設計原理

2.1 電訊設計

雷達圖傳設備由發(fā)端和收端兩部分組成，其中發(fā)端安裝在雷達站電子方艙內(nèi)，收端一般放在指揮所或情報中心，兩端設備通過微波信道連接。圖傳設備信號傳輸框圖如下所示：

圖2 圖傳設備信號傳輸框圖

圖傳發(fā)端首先將所要傳輸?shù)睦走_圖像進行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)和目標方位信息、點跡數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、PCM話音數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)、串口數(shù)據(jù)等進行復接處理，這些多路的同步、異步數(shù)據(jù)被復接成一路155Mbps基帶碼流，通過微波信道傳輸?shù)绞斩?；收端將接收到信號恢復?55Mbps基帶碼流，再分接出雷達圖像壓縮數(shù)據(jù)、目標方位信息、點跡數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)、PCM話音數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)、串口數(shù)據(jù)；解壓后的雷達圖像數(shù)據(jù)和目標方位信號、點跡數(shù)據(jù)、航跡數(shù)據(jù)一并送入光柵顯示器，重現(xiàn)雷達顯示器畫面。

微波信道由中頻調(diào)制解調(diào)、射頻收發(fā)單元、天饋組成。中頻調(diào)制解調(diào)將基帶信號進行差分編碼、QPSK調(diào)制，調(diào)制成中頻信號后送至射頻收發(fā)單元的發(fā)信部分，經(jīng)上變頻、濾波、功率放大后由天饋發(fā)射出去。收端天饋接收到的射頻信號送入射頻收發(fā)單元的收信部分，經(jīng)放大、濾波后與收信本振混頻產(chǎn)生中頻信號，再經(jīng)濾波及AGC放大后送到中頻解調(diào)單元，進行QPSK解調(diào)、解碼，恢復出155Mbps基帶碼流。圖傳發(fā)端和收端的射頻收發(fā)單元、天饋屬于室外設備，安裝在室外，和室內(nèi)設備通過一根中頻電纜連接，該電纜既可傳輸中頻信號，同時又為射頻收發(fā)單元提供電源。

雷達圖像中占畫面絕大部分的背景是靜止的,利用這一特點可以大幅度壓縮[3]。這些背景包括氣象雜波、固定地物回波等，相對于雷達探測目標來說是無用的，可通過游程長度編碼進行有效壓縮，降低數(shù)據(jù)率，有利于傳輸。游程長度編碼的主要思想是將一個相同值的連續(xù)串用其值和串長（重復的個數(shù)）的數(shù)用二元組來替代[4]。經(jīng)過采樣量化過的雷達回波總是由“0”電平和“1”電平組成。其中“0”為白游程，“1”為黑游程。連“0”的個數(shù)為白游程長度，連“1”的個數(shù)為黑游程長度，對游程長度進行適當?shù)木幋a可以達到回波壓縮的效果。游程長度編碼方法很多，設計中結(jié)合雷達回波圖像的特點選用相加碼編碼方法，代表長度的碼字為10個，代表字首的碼字為5個，具體編碼時游程長度由長度碼和字首碼組合表示，例如游程長度59的編碼為1100，1011，1000。

雷達圖像顯示是圖傳設備的核心之一，能夠?qū)⑺邮盏降睦走_信號進行圖像還原，實現(xiàn)雷達回波的實時顯示，同步完成目標點跡、航跡信息的及時顯示[5]，比如目標的三座標位置、航向、速度、批號、敵我性質(zhì)等標志。雷達圖像顯示對雷達圖像處理后以像素為單位存儲在存儲器中，在行、場同步信號控制下依次讀出，并與雷達目標數(shù)據(jù)混合，R、G、B三色信號以VGA接口方式送至顯示器，實現(xiàn)雷達畫面的顯示功能。雷達圖像顯示基本原理如下：

圖3 雷達圖像顯示基本原理框圖

2.2 結(jié)構(gòu)設計

結(jié)構(gòu)設計是圖傳設備設計中的一項重點工作，良好的設計能夠充分發(fā)揮CPCI歐洲卡可靠性強的特點，在滿足電性能基礎上使得設備抗振、散熱能力和電磁兼容性達到要求。

圖4 雷達圖傳設備實物圖

在尺寸方面，圖傳設備發(fā)端設計為標準19英寸寬、6U高分機，該尺寸和雷達總體結(jié)構(gòu)要求保持一致，方便安裝在雷達電子方艙設備機柜內(nèi)。收端分機也為標準19英寸寬、6U高形式，相對于發(fā)端，收端增加了一塊計算機顯卡，并且在正面集成了一臺加固型液晶顯示器，配置了可翻式防水鍵盤、鼠標，做到了信號接收、處理和顯示、操作一體化。圖傳發(fā)、收端功能模塊均按照CPCI總線標準設計，兩端可以共用，減少了品種，提高設備可靠性和維修性。收端分機結(jié)構(gòu)緊湊，為了保障有效散熱，分機采用高性能風冷散熱和金屬機箱自然導熱相結(jié)合方式。

考慮到圖傳設備架設時需要將兩端的室外天線對準，比較耗費人力和時間。為了提升效率，使設備具有一定的機動架設能力，在天饋結(jié)構(gòu)設計方面，一方面選用電動升降桿，實現(xiàn)快速升降；同時，在天線底座增加電子羅盤、GPS/北斗定位設備和伺服機構(gòu)。GPS/北斗定位設備可以獲得所處位置的經(jīng)緯度和高度信息，電子羅盤能夠采集圖傳天線的俯仰和方位角度，兩端自動計算即可獲得相對的方位和俯仰角度，通過步進電機驅(qū)動天線實現(xiàn)定向[6]，避免以往靠人工操作調(diào)整天線，從而實現(xiàn)天線快速對準。

3.應用驗證

基于CPCI總線結(jié)構(gòu)的圖傳設備研制完成后，經(jīng)過實驗室測試、環(huán)境試驗以及與雷達整機的聯(lián)調(diào)及試用，過程中工作穩(wěn)定可靠，主要功能、性能指標均達到設計要求，能夠滿足使用要求。

4.結(jié)束語

根據(jù)新體制雷達需求，利用成熟的CPCI總線技術(shù)、微波通信技術(shù)和計算機顯示技術(shù)，設計了新型圖傳設備，特別是收端集數(shù)據(jù)接收、信號處理和顯示一體化結(jié)構(gòu)設計，具有傳輸容量大、傳輸能力強，傳輸方式多樣化、兼容性好，機動性能高，使用方便等特點，可以滿足不同型號雷達數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)亩喾N需求。

[1]李冰,樊秋景,田明宏.雷達圖像傳輸系統(tǒng)的研制[J].電訊技術(shù),2005,(6):49-52.

[2]任群.基于CPCI總線的嵌入式計算機通用接口設計研究[J].西安文理學院學報(自然科學版),2016,(1):20-22.

[3]劉吉,嵇碧波.數(shù)字視頻壓縮技術(shù)在雷達圖像遠程傳輸中的應用[J].電子測量技術(shù),2006,(12):155-156.

[4]劉冰.游程長度編碼算法的研究[J].天津理工學院學報,2001,(12):77-81.

[5]孫高俊,丁岐娟.基于CPCI總線的雷達數(shù)據(jù)處理平臺設計[J].中國人民解放軍電子工程學報,2015,(4):19-22.

[6]黃少鋒,張尊泉,鄧斌.雷達圖像傳輸天線自動控制系統(tǒng)的設計[J].電子技術(shù)應用,2007,(5):86-88.