一種某型雷達陣面信息互連系統的FPGA實現方法

中國電子科技集團公司第二十研究所 李海成

為了提高某型相控陣雷達陣面多通道數據傳輸速率，設計了一種利用高速收發器進行數據高速傳輸的信息處理系統；通過合理的功能模塊設計，實現了模塊間多路1.8Gbps高速信號通信與模塊間多路3.125Gbps高速光信號通信的信息互連系統。經整機調試表明，該高速信息互連系統，其性能穩定，滿足該型雷達對于數據處理的高寬帶、高速率要求。

隨著軍工設備性能的提升，數據量呈現爆炸式的增長態勢，信號處理系統對于信號帶寬、傳輸速率和通道數量等方面的要求愈發強烈。隨著工藝技術的發展，滿足各種應用場景FPGA產品應運而生。其中集成多路高速收發器的FPGA芯片，逐漸受到各大廠商以及客戶的青睞。本文主要介紹一種模塊間多路1.8Gbps高速信號通信與模塊間多路3.125Gbps高速光信號通信的信息互連系統，其整體性能穩定、滿足某型相控陣雷達對于高數據量、高速率傳輸的要求。

1 信息互連系統

信息互連系統接收到1路觸發信號后，經過驅動將觸發信號送入FPGA，在FPGA內部經過校正時鐘采樣后進行延遲，再分為16路，經延遲后進入時鐘buffer，再將分配后的重頻觸發脈沖送至高速連接器與無源分配板相連接。

信息互連系統接收到從分配板送來的16對高速數據和指令進入FPGA，通過GTX轉換至FPGA內部邏輯，對高速數據和指令進行打包及速率變換處理，轉換成8條高速數據和8條高速指令信號，通過GTX發送至光模塊，經由光纖傳輸至信號與處理分系統。

模擬中頻信號進入信息互連系統后經過開關帶通濾波組件后，進入ADC器件，經過高速采樣進入FPGA進行DDC處理后，通過光纖發送給信號預處理組合。基準時鐘分配給FPGA作為定時信號校正時鐘，用于定時校正，同時基準時鐘進入鎖相環后，進行倍頻產生所需的240MHz采樣時鐘，再進入時鐘分配，對該時鐘進行同步分頻，輸出120MHz時鐘進入FPGA，作為系統時鐘和GTXREFCLK。其所運行的系統組成框圖如圖1所示。

圖1 信息互連系統框圖

2 基于FPGA的信息系統轉換

系統設計以Virtex-7690t FPGA芯片為核心，首先將指令以3.125Gbps速率的光信號寫入RAM，經過跨時鐘域同步，將解析完成的協議以1.8Gbps速率的電信號發送至16個受控單元。在接收到16個受控單元返回的協議數據時，進行解析并將故障信息按照約定，加載在協議數據中，經過跨時鐘域處理以3.125Gbps的速率發送至不同的8個光傳輸鏈路。受控單元根據解析的協議，控制DA/AD進行波形產生以及波形采樣，將采樣的數據按照約定，通過高速接口將數據傳輸至信息交互系統，信息交互系統將相鄰兩路數據合成，通過光鏈路發送至信號預處理分系統。該高速信息互連系統，其性能穩定，滿足該型雷達對于數據處理的高寬帶、高速率要求。其結構圖如圖2所示。

圖2 接口關系框圖

2.1 FPGA功能及連接設計

該系統由數據通信模塊、數據采集模塊以及數據重組模塊組成。數據通信模塊采用高速Aurora協議實現；數據重組模塊按照既定數據傳輸格式進行數據重新解碼編碼操作；數據采集模塊是將中頻信號進行濾波處理之后，利用AD9643芯片對數據進行欠采樣，并經過DDC下變頻處理，按照協議要求進行抽取處理，并將抽取之后的數據按照協議進行傳輸。

2.2 上行鏈路功能設計

該鏈路主要涉及功能有數據通信、時鐘同步以及數據重組。信息交互系統在接收到信號與處理組合下發的協議數據時，首先經過跨時鐘域同步處理，在將數據按照既定方案進行解析，并按約定的數據格式對數據進行重新組合，下發至受控單元，受控單元解析相應命令并開始工作。其工作流程如圖3所示。

圖3 上行數據鏈路框圖

2.3 下行鏈路功能設計

該鏈路由兩條支路組成，根據不同的工作模式，切換不同的工作通道。在正式工作模式下，一是受控單元將溫度、丟包標志等故障信息添加在協議數據中，通過高速傳輸鏈路傳輸至信息交互系統模塊，信息交互系統模塊將16個受控單元的故障信息進行收集，重組在協議數據中傳輸至信號預處理組合；二是受控單元將按命令將數據傳輸至信息交互系統，信息交互系統將相鄰的數據重新組合在一起傳輸至信號預處理組合。

在非正式工作模式下，信息交互系統接收來自受控單元的協議數據以及中頻信號，協議數據主要是用于傳輸必要的命令以及報送故障信息，中頻信號主要是模擬受控單元的數據，在受控單元關閉的情況下，交驗整機的工作狀態。其鏈路框圖如圖4所示。

圖4 下行數據鏈路框圖

3 實驗結果

該信息交互系統在設計中合理使用PLL和DCM，合理約束軟件時序，保證了軟件的穩定工作。在整機工作過程中，一方面保證在正式工作狀態下，故障信息回傳、回波數據傳輸穩定；另一方面在非正式工作狀態下，AD采樣穩定以及按照協議進行DDC下變頻處理并穩定回傳數據。

4 結論

基于FPGA的信息互連系統具有高寬帶、高速率、誤碼率低的特點。該系統采用光信號與電信號之間的高速率轉換，實現信號的高速穩定傳輸。經過雷達整機調試表明，該高速信息互連系統，性能穩定，滿足該型雷達對于數據處理的高寬帶、高速率要求。