一體化裝備中信號處理的模塊化設計方法

孟航，任圣君，王順利，曹凌霄

電子信息控制重點實驗室，成都，610036

0 引言

隨著電磁頻譜在現代戰爭中的作用和地位日益重要和突出，以及電子戰技術和信息工業技術的迅速發展，為了解決傳統電子作戰裝備體積重量大、能耗多、因電磁兼容而嚴重影響作戰性能等問題，對一體化電子作戰設備的需求越來越緊迫。對于綜合設計電子對抗、雷達、通信、導航、敵我識別的一體化平臺，國內外都有大量研究。如美軍在20世紀80年代提出的“寶石柱”計劃以及90年代提出的“寶石臺”計劃，就研發了一種采用新基線作為標準的航空電子設備系統，并進行增強和擴展，這是一種統一開放的、模塊化的、具有良好容錯性和高度靈活性的設計規范。除此之外，美軍用于艦載的先進多功能射頻概念（AMRFC）計劃實現了艦載射頻功能的集成，包括寬帶陣列天線一體化、信號與數據處理一體化、信號產生與顯示硬件一體化。相比國外，國內在一體化系統的研究和開發起步較晚，主要集中在寬帶共用孔徑天線、接收機發射機設計以及一體化波形設計，而對于信號處理和數據處理的流程框架則研究較少。

模塊化設計是在運用系統工程的原理對產品進行功能分析的基礎上，將復雜的工程產品分解成層次合理的、系列化、標準化、相對簡單的單元模塊，再將功能、用途不同的各模塊的互聯組合實現基型產品和變型產品。模塊化設計的思想和方法在傳統電子作戰設備中已經比較成熟，一般分解為電源模塊、參考模塊、射頻模塊、IO模塊、處理模塊、計算機模塊等，基本可以實現模塊化在結構上與功能上大致匹配。但對于一體化設備，由于其必須具備更高的集成度以及更緊密的專業融合，才能實現靈活的動態可重構能力，因此傳統電子戰設備的模塊劃分顯得捉襟見肘。

本文以傳統電子戰設備為基礎，將模塊化的方法進一步下沉，以“低耦合、高內聚”的原則，提出對信號數據處理進行模塊化設計的方法，以提高開發效率，增加系統可靠性，同時便于后期維護和拓展升級。

1 單一功能電子裝備

偵察、干擾、探測、通信等設備由于實現的功能不同，所以在信號處理方面的側重也有所不同。隨著數字信息技術和大規模集成電路的發展，高性能AD、DA、頻綜、處理器芯片的應用，可變采樣率、可調諧濾波、軟件無線電技術的成熟，一體化信號處理機的硬件實現已經不是難題。

基于軟件無線電的思想，構建一個具備開放性、標準化、模塊化的通用平臺，將多種功能用軟件方式完成，并使高速寬帶AD/DA變換器盡可能地靠近接收前端和發射機。而在信號處理和數據處理部分，利用FPGA、DSP、微處理器強大且各自互補的處理能力，搭建出功能全面、適應廣泛的綜合處理架構，其對于偵干探通導每一項單獨功能都是完全足夠的。

不同電子設備的處理部分，一般都分為高速的信號處理、較低速的數據處理、管控和人機交互部分。對于直接處理中頻或基帶數據樣本，且對實時性有較高要求的部分，一般采用具備大規模運算邏輯陣列和高速并行運算特性的FPGA作為載體；對于帶有較多邏輯判斷流程的處理，則一般利用具有指令算法和更高級的分支邏輯判斷，以及擅長處理浮點運算的DSP作為載體；對于計算量較小，但靈活性、可拓展性要求較高的部分，因此采用通用功能較為完善的通用處理器終端或嵌入式處理器芯片[1]。

1.1 雷達

基于軟件無線電的雷達處理流程框圖如圖1所示。

圖1 雷達處理流程框圖

數字下變頻將中頻信號降采樣為低采樣率的正交基帶數據，以便于后續利用DSP進行匹配濾波、MTD/MTI、檢測、參數測量等處理。數字上變頻將DSP產生的任意波形數據轉換為中頻實信號樣本作為發射激勵。頻率合成器則產生用于下變頻上變頻處理的本振數據。終端將目標信息與情報，經加工后展示給操作人員，包括目標數據錄取、數據處理以及目標狀態顯示。

1.2 偵察

基于被動寬帶數字接收機的偵察系統框圖如圖2所示。

圖2 接收機處理流程框圖

其中加窗處理、FFT、檢測等處理部分由于非常強調處理數據量以及處理實時性，因此普遍采用FPGA作為載體。參數測量部分則涉及較多非線性運算和邏輯判斷，且對處理數據量和實時性要求較小，因此適宜采用DSP載體。管控部分包括目標識別、目標管理、目標跟蹤以及綜合控制等，最終完成電子支援和偵察的功能[2]。

1.3 干擾

對抗脈沖壓縮雷達一般采用DRFM處理架構。為保證對目標進行全時、全帶寬、全概率對抗，選擇FPGA作為處理載體，以滿足較大的數據流量和實時性。

對抗通信系統以及各種鏈路的干擾，一般采取以數字接收機進行參數測量和威脅評估，引導頻率合成以及幅相調制的干擾源體制。

2 一體化裝備處理框架

2.1 FPGA處理模塊化設計

模塊化設計應該解決的一個重要問題是如何有效、科學地劃分系統整體功能。FPGA通過面積換速度的原則，以消耗邏輯門資源和運算資源為代價獲得處理速度。FPGA的功能實現是通過對實體進行例化實現的，每次例化直接對應為片內物理資源的消耗，因此在設計時采用模塊化的方法，定義基礎功能的模塊并通過模塊組合完成復雜功能，可以提高設計效率，增加設計可靠性，通過分時復用的方式合并部分功能，節省FPGA的片內資源，能顯著增強可靠性，并提高開發效率[3]。

通過對探、偵、干等各種系統的信號處理部分進行分析和歸納，其中有些處理部分可以做成通用模塊的形式。比如如果采用信道化體制的數字接收機，則信道化接收模塊是必需的，而在雷達處理、通信處理中，只要對基帶處理帶寬進行合理設計，那么數字下變頻部分都可以直接使用信道化接收模塊輸出的正交抽取數據。同理，雷達處理和通信處理的數字上變頻部分也可合并到DRFM體制干擾源中的信道化發射模塊中。另外，對任意波形發生模塊進行一定的設計，則可以涵蓋雷達處理波形產生與匹配濾波、通信處理的調制解調以及DDS體制干擾源的壓制干擾信號產生等多種應用需求。除了對同一通用模塊進行多次調用實現不同更高層次的功能以外，還可以對FPGA程序架構進行設計，通過功能模塊復用的方式，在不影響一體化功能性能的同時，降低處理資源損耗[4]。

圖3所示為一種簡化的一體化設備FPGA處理流程框圖，可以適應偵、干、探、通等應用方式。以這種架構對系統進行劃分，基本符合“低耦合、高內聚”原則。以信道化接收至DRFM處理為例，兩個模塊之間只有信道化的降采樣率IQ數據，因此屬于數據耦合，而無其他類型耦合。每一個模塊都是一個可以獨立開發并進行調用移植的功能塊，因此屬于功能內聚的范疇[5]。

圖3 FPGA處理框圖

按照系統可靠性模型，降低每個功能模塊的失效率或采用更少的功能模塊能夠提高可靠性。本文提出的處理架構，所用到的功能模塊相對于其所實現的功能，是遠小于單一功能系統的。其次，在功能模塊之間盡量采用單輸入單輸出的結構，使數據流和控制流盡量簡單，將缺陷束縛在單一模塊內。再次，消耗較少資源的設計也符合降額設計的原則，節約出來的FPGA資源可用以進行恢復塊、自檢程序等容錯設計。綜上所述，這種架構對于提高系統可靠性有較大好處[6]。

2.2 DSP處理模塊化設計

DSP芯片采用程序和數據分開的哈佛結構以及指令算法，一般使用C++語言編程工具進行開發，其處理算法通過取指、執指完成，其對資源的占用并非一直存在，而是具備生命周期管理，模塊間的調用通過進程或者事件。因此，DSP的模塊化設計方法不同于FPGA。

在面向對象編程語言中實現模塊化設計時，可以使用類（Class）。DSP功能模塊模型如圖4所示。模型通過輸入數據、處理算法、輸出數據的路徑完成信號處理流程，處理參數來自外部接口和內部變量；采用事件觸發的方式實現功能模塊的調用與被調用；根據不同類型的處理方法，采取不同的控制流程，由執行控制表對處理過程進行邏輯判斷和控制[7]。

圖4 DSP處理模塊化

接收干擾信號處理中的統計門限生成、參測、識別以及雷達處理中的MTD、CFAR門限生成、目標檢測、參測、點跡航跡融合都可以使用類的方式進行實現。其中部分具有相似性的功能則可以通過類的繼承特性進一步提升設計效率，如統計門限生成和CAFR門限生成、參測（接收機）和參測（雷達）。對軟件的維護升級可以只對某模塊內部進行修改或更新，不對接口和其他模塊造成影響[8]。

2.3 通用處理器模塊化設計

通用處理器具備較好的通用性和標準化的行業規范，在操作系統、接口以及通用組件方面能方便地獲得技術支持，而對于人機交互、綜合控制、目標管理等功能，其定制性和可拓展性要求更高，同時對計算量的要求相對較小，因此這部分功能適合采用通用處理器作為載體。除此之外，對于數據融合、態勢感知這種一體化設備的增量功能，也適合采用通用處理器作為載體。

隨著相關功能軟件的規模變得更為龐大，且需具備靈活動態重構和持續迭代升級的能力，因此需進一步改進模塊化設計，建立開放式、標準化和松耦合的軟件架構。以某航空平臺軟件產品線為基線所提出的架構模型如圖5所示。

圖5 通用處理框架模型

在具體設計時，通過對裝備席位設計、裝備功能定義，選擇并管理相關功能組件，基于架構標準接口，設計并驗證不同功能和不同功能組件之間的數據流、控制流，最終生成滿足系統需求的工作單元。

一體化裝備的催生是基于體積、重量、功耗等急需解決的問題，而它的產生又帶來額外的好處，如功能協同增效、數據融合、態勢感知等。以JDL模型（Joint Directors of Laboratories）為例，它將數據融合過程分為信源處理、目標提取、態勢提取、威脅提取、過程提取以及數據庫，以此處理貫穿信息源到用戶界面，中間涉及復雜的傳輸接口、進程、事件以及組件，使用上述所提出的模塊化軟件架構可以更加方便實現相應功能，并具備較高的可靠性，以及更方便的可維護性可拓展性。

3 結語

文章對一體化電子作戰裝備在信號處理方面的問題和需求進行了分析，以一種能夠實現靈活動態可重構能力的FPGA+DSP通用處理器的信號處理硬件平臺作為討論基礎，提出了一種模塊化的設計方法。采用該信號處理架構，相比于傳統的單一電子戰裝備簡單組合的方式，可有效提高開發效率、增加裝備可靠性、增強可維護性和可拓展性，能夠滿足未來電子作戰裝備開發需求。本文依據處理數據量、實時性、調用類型等特點，對處理功能按照處理器類型進行了劃分，并分別針對FPGA、DSP和通用處理器的處理方式提出了相應的模塊化設計思想和方法，為未來裝備的系統研制提供了理論支撐和方法參考。