基于FPGA的多路脉冲重复频率跟踪器

摘要：在反辐射导弹的雷达导引头中，信号跟踪器的实时性是影响系统性能的重要因素之一。介绍了利用高性能FPGA丰富的资源实现的多路脉冲重复频率跟踪器，它解决了在密集信号环境下信号跟踪的实时性问题，减小了系统体积。经过实验验证，其各项指标均达到了设计要求。 关键词：反辐射导弹 信号跟踪 现场可编程门阵列 随着高科技的迅速发展，现代战争已经不仅是传统意义战场上的较量，电子战已经成为决定战争胜负的重要因素之一。反辐射导弹在电子战中扮演着重要的角色，它在战争中可以有效地压制或摧毁敌方武器系统中的雷达，使敌方武器系统失去攻击能力，取得制空权，发挥己方的空中优势。在反辐射导弹中引导攻击目标的是雷达导引头，它截获目标雷达的信号并检测出信号入射角，输送给导弹控制系统，导引导弹跟踪目标直到命中。 脉冲重复频率（ＰＲＦ）跟踪器是雷达导引头的重要器件，它的功能是在雷达导引头接收到的信号流中选择出目标信号。在日趋复杂的电磁环境下，空间信号密度已经达到５０～１００万脉冲／秒，至少相当于几百个辐射源的总和?眼１?演。所以信号接收机截获到的信号通常是不止一部雷达的信号，往往包括很多部。脉冲重复频率跟踪器就是要在包含多部雷达的信号流中选出要截获的那部雷达信号，送到后面的信号处理机。如图１所示，接收机收到的信号包括多部信号，经过脉冲重复频率跟踪器的选择后只输出一部信号送到后续的信号处理机。 目前，实现脉冲重复频率跟踪器的方法主要有三种：纯软方式、半软半硬方式和纯硬方式。纯软方式用高速ＤＳＰ完成全部功能，这种方式在现代密集信号环境下将影响系统的实时性，要想实现多路信号的跟踪需要多个ＤＳＰ，这将造成系统体积庞大。半软半硬方式用ＤＳＰ和硬件电路分别完成一部分功能，和前一种方式有相同的缺点。纯硬方式用ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ实现跟踪信号的全部功能，具有实时性好、性能稳定的优点，能满足目前复杂电磁环境的要求，并且集成度高，可以实现系统的小型化。 本文利用ＦＰＧＡ资源丰富、易于编程的特点设计了纯硬方式的脉冲重复频率跟踪器，实现了在密集信号环境下的信号跟踪，并且将多路并行的跟踪器集成在一片ＦＰＧＡ中，简化了系统结构，缩小了体积。 １ 脉冲重复频率（ＰＲＦ）跟踪器原理 １．１ 脉冲重复频率跟踪器 为了在密集的信号流中分离出一部信号，需要知道该信号的脉冲重复频率以及脉冲重复周期（ＰＲＩ）类型，这部分工作通常由雷达侦察系统或反辐射导弹的信号预处理器来完成。脉冲重复频率是识别雷达的一个重要参数，因为它是雷达最具特征的信号参数。所说的最具特征，是指雷达的性能受其所使用的脉冲重复频率的影响很大，例如对于常规雷达来说，脉冲重复频率的数值决定了雷达的最大无模糊距离和最大无模糊径向速度。脉冲重复周期（ＰＲＩ）是脉冲重复频率的倒数，其类型大致可分为三种：固定、跳变和参差。固定ＰＲＩ信号的各个脉冲之间的间隔是恒定的；如果把信号的ＰＲＩ加上人为的随机跳变就构成了跳变ＰＲＩ信号，其ＰＲＩ的变化值可达脉冲重复周期平均值的１５％；参差ＰＲＩ信号由多个间隔不同的脉冲组成一个信号序列帧，各脉冲重复周期的总和称为帧周期，帧周期之间的小间隔称为小周期，一般帧周期是固定的。 根据以上分析，为了实现各种ＰＲＩ类型信号的实时跟踪，在ＦＰＧＡ中设计了脉冲重复频率跟踪器电路，其原理图如图２所示。 由图２可见，跟踪器包括重复周期寄存器０～７、参差寄存器、输出波门寄存器以及重复周期计数器、输出波门计数器、输出控制器等单元。其中，参差寄存器存储参差ＰＲＩ信号的小周期数，即参差数；重复周期寄存器０～７存储信号的各个重复周期。由于目前参差雷达一般不超过８参差数，所以重复周期寄存器有８个即可，参差寄存器储存的参差数控制各个重复周期寄存器。例如参差数等于３，则只有０～２号重复周期寄存器有效，其余５个无用。若参差数等于１，则只有０号重复周期寄存器有效，这相当于固定ＰＲＩ信号的情况。输出波门寄存器存储的是波门宽度，其值主要由跳变ＰＲＩ信号的变化量决定。若变化量大，则输出波门宽度也要大，这样才能选中要截获的信号。数值关系可表示为：波门宽度＝ＰＲＩ变化量＋脉冲宽度＋常量Ａ。常量Ａ为调整参数，可根据调试情况决定。重复周期计数器是跟踪器的核心器件，它根据信号脉冲的到达与否决定何时开始计数，计数周期是重复周期寄存器中的值，各个有效的重复周期寄存器的存储值循环采用。其输出送到输出波门计数器，后者根据输出波门寄存器中的值确定波门的宽度。输出控制器是主要的逻辑控制单元，控制整个跟踪器的工作。输出控制器的功能还包括判断信号是否截获成功、信号是否丢失等。 １．２ 信号滤波器 各种电子对抗设备数目的急剧增加使雷达导引头系统处于高度密集的信号环境中，脉冲重复频率跟踪器的实时性受到考验。基于以上考虑，在跟踪器的前端设计了信号滤波器，对信号脉冲流进行稀释，减轻跟踪器的压力。信号滤波器的原理图如图３所示。 信号滤波器的核心是关联比较器，ＦＰＧＡ为关联比较器的实现提供了便利条件。本系统中采用了两路关联比较器，一路用于信号载频滤波，一路用于信号脉宽滤波。由图３可见，只有载频和脉宽都在一定的范围之内的信号才能通过滤波器，即对信号进行了筛选。在现代复杂电磁环境下，载频和脉宽都比较接近的信号是相当多的，同时比较器的上、下限不能取得过于接近，这样滤波器的输出就不只限于一部信号，即使这样也极大地稀释了信号流。这种稀释过的信号流送到跟踪器，有助于提高跟踪器的实时性，更利于成功地截获信号。 ２ 系统实现 系统框图如图４所示，整个系统由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ组成，在 ＦＰＧＡ中设计了８路跟踪器，最多可同时对８路信号进行跟踪。ＤＳＰ负责控制各路跟踪器的工作，包括对各路跟踪器装载参数和使能，同时通过ＨＰＩ（上位机接口）与弹上主控计算机传递数据。 由于各路跟踪器都是采用纯硬件方式实现的，所以占用的ＤＳＰ处理时间很少，ＤＳＰ只需将主控计算机传递的信号参数装载到跟踪器中，并发出启动命令即可，余下的工作由跟踪器自动完成，无需ＤＳＰ干预，使ＤＳＰ有大量的时间执行其它计算任务。 ２．１ ＦＰＧＡ器件选择 本设计采用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ系列ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片。ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ是Ａｌｔｅｒａ公司的高端产品，是工业界第一块整合了ＳＯＰＣ（ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ －ｃｈｉｐ）集成电路的可编程逻辑器件。其集成度高，最多能提供２５０万个门电路、５万个逻辑单元，并且在不减少逻辑单元的情况下可提供４４万位ＲＡＭ。低功耗设计，采用双电压体系，核心电压１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ电压３．３Ｖ，与多种接口标准兼容。 ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片属于工业级芯片，采用２４０针ＰＱＦＰ封装，用户Ｉ／Ｏ管脚数为１６８个，提供８３２０个逻辑单元，芯片面积却仅为３４．５ｍｍ%26;#215;３４．５ｍｍ。本设计中每路跟踪器占用的逻辑单元为７％，８路跟踪器外加一些辅助电路总共占用的逻辑单元为６０％，芯片资源尚有剩余，为将来系统功能改进留了余地。 ２．２ ＦＰＧＡ芯片的配置 ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ芯片是基于ＳＲＡＭ技术的器件，由于ＳＲＡＭ的易失性，掉电以后芯片中的配置信息将丢失，所以每次系统上电时都要重新加载配置数据。Ａｌｔｅｒａ公司提供了一系列的配置器件用于储存配置数据并且在上电时加载ＦＰＧＡ。本设计选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＣ２，最大的优势在于ＥＰＣ２是ＦＬＡＳＨ器件，可以多次重复编程，改掉了以前的ＰＲＯＭ配置器件只能写入一次的缺点，极大地方便了系统调试和产品升级。当设计完成的产品需要改进时，只需将ＥＰＣ２中的内容重写一遍即可，缩短了产品的研发周期。 在设计中需要注意的是ＥＰＣ２的容量是１．６Ｍｂ，根据ＦＰＧＡ芯片的容量大小需要的配置芯片的数目是不等的。本设计中采用的ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片的容量是１．９Ｍｂ，所以需要两片ＥＰＣ２。图５是用两片ＥＰＣ２配置ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片的连线图，通过ＥＰＣ２芯片的ｎＣＡＳＣ管脚，可以方便地实现多片级联。系统上电后， ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片检测到ｎＣＯＮＦＩＧ管脚电平由低到高的跳变时，启动配置流程。首先ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片驱动ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ管脚为低，将第一片ＥＰＣ２的ｎＣＳ管脚拉低，选通该芯片。经过一段延时以后ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ芯片释放ｎＳＴＡＴＵＳ管脚，上拉电阻将ＥＰＣ２的ＯＥ管脚拉成高电平将其使能。ＥＰＣ２用其内部振荡器将配置数据串行输出到ＦＰＧＡ芯片中。当第一片ＥＰＣ２的全部数据输出完后，它驱动ｎＣＡＳＣ管脚为低，按顺序驱动第二个ＥＰＣ２的ｎＣＳ为低，启动第二个ＥＰＣ２输出数据。前一个ＥＰＣ２启动下一个ＥＰＣ２的过程在一个时钟周期内就可以完成，所以输送给ＦＰＧＡ芯片的数据流是连续的。 ２．３ ＦＰＧＡ芯片的在线编程 ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ芯片在边界扫描模式（ＪＴＡＧ模式）下可以对其进行在线的配置重构，系统无需重新上电就可以修改ＦＰＧＡ芯片的配置，极大地方便了调试。ＪＴＡＧ模式也可以对ＥＰＣ２进行在线编程。在系统设计时，可以把多个器件组成一个ＪＴＡＧ器件链，用一个ＪＴＡＧ兼容头（例如Ａｌｔｅｒａ的ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒＭＶ并口下载电缆）把所有的器件连接起来。ＪＴＡＧ器件链方式特别适合电路板上有多个器件的情况，用一个ＪＴＡＧ头就可以对多个器件进行在线编程。本设计中电路板上有三个ＪＴＡＧ器件，包括两片ＥＰＣ２和一片ＦＰＧＡ，设计的ＪＴＡＧ器件链如图６所示。 图5 EPC2配置FPGA 在ＪＴＡＧ器件链中，两个ＥＰＣ２是第一和第二个器件，ＦＰＧＡ是第三个器件，ＪＴＡＧ按顺序对器件编程。当对ＦＰＧＡ编程时，通过软件将两个ＥＰＣ２设置成ＢＹＰＡＳＳ模式，编程数据从ＥＰＣ２的ＴＤＩ管脚直接输出到ＴＤＯ管脚直达ＦＰＧＡ芯片，实现了对ＦＰＧＡ芯片的在线编程。采用这种ＪＴＡＧ器件链方式，方便了系统调试，缩短了产品的开发周期。 ３ ＦＰＧＡ应用系统设计中应注意的问题 为了提高ＦＰＧＡ应用系统的抗干扰性能，应尽量采用多层印刷电路板，并有完整的ＧＮＤ层和电源层，从而提供几乎无限的电流吸收能力，起到防止噪声和为逻辑信号提供屏蔽的作用。由于ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ采用双电压体系，最好采用两个电源层，一个作为核心电源层，一个作为Ｉ／Ｏ电源层。本设计采用了八层电路板工艺，其中有两个ＧＮＤ层、一个核心电压层、一个Ｉ／Ｏ电压层以及四个信号层，在实际调试中抗干扰性能明显强于以前的双面板系统。如果在实际应用中对价格敏感，也可采用四层板工艺，其中应有一个完整的ＧＮＤ层，一个分割的电源层。 ＦＰＧＡ器件的每一个电源和ＧＮＤ引脚都应当直接连接到电源和ＧＮＤ平面上，每一对电源和ＧＮＤ引脚都应当接上一个电源去耦电容器，而且尽可能靠近ＦＰＧＡ器件。对于ＰＱＦＰ封装的器件，应当把去耦电容器集中在器件正下方电路板焊接面上，这样既达到了靠近器件的目的，又可以减少电路板的面积。 在电源线进入电路板的地方一般都放置一个１００μＦ的大容量电容器，以稳定电源电压，但是这个电容器有时也会成为导致ＦＰＧＡ器件配置失败的隐患。Ａｌｔｅｒａ器件在上电初始化时，首先实行一个ＰＯＲ（上电复位）延迟以等待电源稳定。如果电源电压上升时间较长，超过了ＰＯＲ延迟时间，可能造成器件初始化不正确，导致功能失效。当用ＥＰＣ２配置ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ时，ＰＯＲ延迟最大为２００ｍｓ，所以电源电压上升时间不能超过这个时间。如果出现系统上电时ＦＰＧＡ器件配置失败的情况，应当考虑是否由于大容量电容器致使电源电压上升太慢，这时可以更换一个小容量的电容器。尤其是在单块电路板上调试成功，而多块电路板连在一起调试时出现这种情况更应考虑这个原因。因为多块电路板连在一起时电源滤波电容是并联的，此时容量相加导致更大容量的电容出现在电源入口处，致使电压上升过慢。本系统在调试时就曾遇见这种情况，将电源滤波电容从１００μＦ调整为２２μＦ便解决了问题。 图6 JTAG器件链 为了提高电路设计效率，应尽量多采用ＬＰＭ宏单元库。ＬＰＭ是参数化的模块库，是优秀的版图设计人员和软件人员智慧的结晶。ＬＰＭ包括了常用的逻辑单元，通过修改ＬＰＭ的某些参数，就能迅速设计出自己的电路。Ａｌｔｅｒａ公司提供的ＬＰＭ宏单元库是Ａｌｔｅｒａ系列ＦＰＧＡ器件的绝佳组合，可以实现绝大部分的设计功能，并能提供较高的运行速度和较低的资源占用率。在设计中发现，多采用ＬＰＭ宏单元库的电路与不采用ＬＰＭ宏单元库的电路相比，资源占用率可减少１０％～３０％，可见节省的芯片资源是很可观的。 本设计利用ＦＰＧＡ设计灵活、易于编程和容量大的特点实现了多路脉冲重复频率跟踪器，解决了在密集信号环境下跟踪系统的实时性问题，将八路跟踪器设计在一片Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ ＦＰＧＡ芯片中，缩小了电路体积，满足了系统小型化的要求。实验证明用高性能ＦＰＧＡ实现多路脉冲跟踪系统是完全可行的。