基于FPGA+CPU的信號處理系統的設計與實現

上海廣電通信技術有限公司 李紅霞

0 引言

船舶駕駛員在駕駛船舶過程中，需要做到瞭望、定位、導航和避碰，這就要通過船用導航雷達來保證。船用導航雷達是船舶正常航行所必備的電子設備之一,在過彎道、船舶靠港和離開以及海上作業等方面起到了重要的作用[1]。

雷達系統的不斷升級相應的要求大幅提升信號處理系統的計算速度、數據帶寬和傳輸速率[2]。而現有的雷達信號處理系統的運算能力較低，傳送數據的速率不高，無法滿足現代信號處理的需求。因此增強雷達系統的運算能力，提高傳送數據的速度是如今雷達信號處理亟待解決的問題。本文所采用的方案，可以很好地完成實時、可靠的雷達信號處理。

本文中的信號處理系統采用ADC+FPGA+CPU的系統架構，集高密度計算與高速數據傳輸于一體，實現強大的信號處理及數據交換能力[1]，同時提高了系統的集成度。

1 系統設計

船用導航雷達信號處理的數據量大，對實時性和數據傳輸速率都要求較高，本文中針對以上特點，并結合 FPGA的流水性能以及通用CPU的并行處理能力，將算法合理分配至不同的處理器中，提升了信號處理能力和數據傳輸能力，降低成本的同時提高了系統的集成度。

船用導航雷達信號處理系統通過ADC對視頻信號進行采樣，將模擬視頻信號轉換為數字化的視頻數據。FPGA接收雷達接口卡的觸發、船艏、方位等信號，計算得到當前的方位碼信息，并且對數字化的視頻數據進行同頻異步干擾抑制、脈間積累等處理。FPGA將此視頻通過PCIE總線發送至CPU進行雜波抑制、增益控制等處理。CPU將處理后的視頻數據一方面通過PCI總線發送給雷達主機板進行雷達畫面的顯示；一方面進行點跡凝聚、目標跟蹤等算法處理，之后通過串口將目標航跡信息發送至雷達主機板進行雷達二次信息的顯示。

2 硬件設計

圖1所示是船用導航雷達信號處理系統的ADC+FPGA+CPU系統設計方案。其中模數轉換器采用AD9628芯片，采樣頻率最高可達105MHz，量化位數為12位。首先利用高速差分運放ADA4932-2把單端信號轉換成差分信號，再通過直流耦合方式送給AD9628進行AD采集。時鐘信號由AD9512提供，FPGA通過SPI接口對AD9628、AD9512進行配置。利用12對LVDS把AD9628與FPGA相連。

FPGA采用XILINX VIRTEX5系列的XC5VLX95T，其外圍掛載2組DDR2 SDRAM，每組位寬32位，容量為256MB，用于視頻數據的存儲。FPGA的軟件開發基于Xilinx ISE13.1集成開發環境，采用VHDL語言。

CPU采用通用的COMe模塊，其CPU為i5-4400E，主頻2.7GHz，雙核四線程，外圍搭載16GB的DDR3。CPU與FPGA之間通過PCIE總線進行高速數據傳輸,線速率最高可達2.5Gbps。CPU與雷達主機板之間通過33MHz、32位的PCI總線傳送視頻數據，并通過串口進行目標航跡數據及雷達導航數據的傳輸，波特率最高可達115200bps。另外，它還提供10/100/1000Mbps自適應的RJ45的網口、4路USB接口、1路VGA接口。

圖1 船用導航雷達信號處理系統的硬件結構

3 軟件設計

軟件設計包括信號預處理、信號處理、目標跟蹤三部分。

3.1 信號預處理軟件

信號預處理軟件基于FPGA的平臺實現，其功能主要包括：信號采集、方位碼計算、噪聲抑制等。

（1）信號采集

模擬視頻信號通過ADC轉化成數字視頻信號，FPGA控制其采樣時序，并依據重頻狀態，將相應的數字視頻數據存儲至內部FIFO中，當讀信號有效時，讀出FIFO內的數據，供其他模塊使用。

（2）方位碼計算

方位碼計算模塊接收觸發、船艏、方位信號和本艦船艏向信息和船艏校正信息，生成一個高精度的16位基于船艏方位碼和基于正北方位碼。此高精度方位信號，滿足跟蹤和顯示精度的需求。

圖2 方位碼計算示意圖

如圖2所示，當前觸發上升沿到來時刻基于船艏的方位碼為：

（3）噪聲抑制

由于噪聲在空間上均勻分布，且往往幅值較小，可通過相鄰多個脈沖間相同距離上的視頻幅度取均值，用以抑制噪聲。但是如果每個脈沖都重新計算N條脈沖的均值，計算量和數據存儲量都是很大的考驗。為了提高運算效率，節省存儲量，設計時采用滑窗的方法來實現脈間積累的累加操作。

3.2 信號處理軟件

信號處理軟件基于CPU的硬件平臺，在linux系統上進行開發，其實現的功能主要包括：雜波抑制（海浪抑制、雨雪抑制）、增益控制、點跡凝聚等，并發送數據給目標跟蹤模塊和雷達主機板。

（1）雜波抑制

由于雜波和干擾剩余是時變的，并且非均勻的分布在空間中，不同區間的雜波強度具有較大差別，所以船用導航雷達信號處理系統采用單元平均恒虛警算法進行雜波抑制。

（2）增益控制

增益控制模塊接收雷達主機板的增益控制命令，對雜波抑制后的雜波剩余數據進行增益控制，濾除噪聲，得到除去雜波和噪聲的視頻數據。

（3）點跡凝聚

點跡凝聚模塊接收每個脈沖的報文數據，經過脈沖內凝聚和脈沖間凝聚，從雷達回波視頻數據中，將真實目標的回波以點跡的形式提取出來，將點跡數據以扇區為單位輸出給目標跟蹤模塊。

3.3 目標跟蹤軟件

目標跟蹤軟件對凝聚后的點跡數據進行數據關聯,將同一目標在不同掃掠間的點跡關聯在一起，然后對目標的運動信息進行濾波平滑,形成一條可以形容目標運動態勢的航跡，并通過串口發送給雷達主機板進行顯示，為操作人員提供參考信息，指導航行、規避危險目標，保障航行安全。其中，數據關聯采用的算法是最近鄰關聯法，航跡濾波采用α-β勻速濾波器。

4 結束語

今后，船舶導航雷達的趨勢將是由雷達天線和雷達信號處理板以及普通PC機及顯示器組成一部性能優異的雷達[3]。其中雷達信號處理板將是影響雷達性能的關鍵部分，因此雷達信號處理板的性能優劣將直接影響雷達的整體性能。本文的導航雷達信號處理系統可以完成實時處理較大數據量的信號，并進行非常快的數據傳送工作，針對現代雷達信號的特點設計的算法抗干擾能力強、靈敏度高、運算效率高，可靠性好，滿足船用導航雷達的需求，實際應用效果良好。