电子战仿真中信号处理系统的软件化设计

电子工量厢　、ｒＤＪ．３４　Ｎｏ．７　ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ　ＥＮＧＩＮＥＥＲ　Ｊｕ１．２０ｏ８　电子战仿真中信号处理系统的软件化设计　赵菁菁　（南京电子技术研究所，江苏省南京市２１００１３）　摘要：在半实物电子战仿真系统中，要求雷达信号处理系统完成多种雷达体制的模拟，传统的　基于任务、面向硬件的实现方法不能满足多种雷达工作方式的要求。随着数字化技术和软硬件的不　断发展，雷达软件化设计成为雷达信号处理的发展方向。本系统采用雷达软件化的设计方法，从硬件　平台和软件结构介绍了系统的实现。该系统可在不同的雷达工作模式间进行切换，充分体现了灵活　性、可扩展性和兼容性等特点。　关键词：电子战；半实物仿真；数字信号处理；软件化雷达　中图分类号：ＴＮ９５７．５１　０引言　因此，在本系统中采用了中频数字化和基带数字化软　件无线电结构，通过软件编程来实现中频采样、各种宽　电子战系统的半实物仿真是一种数学一物理仿　带数字滤波、数字频率合成、数字下变频以及各种雷达　真，用于完成对雷达侦察设备的侦察能力、雷达干扰设　信号处理算法。其结构框图如图１所示。本系统完成　备的干扰效果、雷达设备的抗干扰能力以及武器攻击　从中频采样到信号处理再到精密闭环跟踪的功能，充　系统精度的鉴定和定型实验。信号处理机是整个仿真　分体现了“软件化”雷达的灵魂所在。　系统的关键部分。传统的实体战术雷达信号处理系统　设计是基于基本任务的，设计者针对应用背景确定算　法流程和结构，然后设计电路，因此功能单一，无法适　应在不同环境下对不同属性目标进行跟踪探测的需　要；仿真系统的信号处理机要求实现脉冲多普勒单脉　图１软件雷达通用结构框图　冲火控雷达、圆锥扫描／隐蔽锥扫火控雷达、脉冲多普　２硬件结构　勒主动和半主动导引雷达、两坐标搜索雷达、三坐标搜　索雷达、边跟踪边搜索、相参／非相参相控阵雷达、精密　软件化雷达的一个重要指标是开放性和可扩展　跟踪雷达的抗干扰处理和定时。要实现如此多种类雷　性，因而其硬件平台要求具有通用性，并且具有统一而　达的信号处理，要求信号处理机具有更好的通用性和　开放的互连接口，所以标准化总线结构非常适用。基　实时性，传统的基于硬件、面向用途的设计方法已不适　于总线的硬件体系结构具有如下特点：支持多处理器　用。　结构；具有宽带高速的数据传输特性；硬件模块化程度　高，具有灵活性和可扩展性。针对以上要求，采用了基　１软件化雷达　于ＶＭＥ总线的硬件平台结构，如图２所示。　Ｉ～……一一一……一一１　近年来兴起的软件无线电其基本思想是构造一个　开放性、标准化、通用化的通用硬件平台，将各种功能　用软件完成，并使宽带Ａ／Ｄ转换，Ｄ／Ａ转换尽可能靠　近天线。软件无线电的思想非常适合于仿真系统信号　处理机的设计。通过将雷达功能软件化，当雷达信号　ＶＭＥ总线　处理任务、处理模式、处理算法发生变化时，可以通过　图２信号处理机硬件组成框图　灵活的软件编程来适应处理问题的变化，或可以通过　简单的硬件结构扩展来适应处理规模的变化。在目前　ＶＭＥ总线是军用标准总线的主流类型，技术成熟　硬件发展的条件下，射频化的软件雷达还难以实现。　可靠，广泛应用于通信、雷达、声纳等领域。处理器模　块的选择也要满足通用性、可编程性和可扩展性的要　收稿日期：２００８－０４－０８；修回日期：２００８－０５－２６。　求。在与外部其他分系统的数据交换上采用以太网。　・ｌＯ・　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第７期　赵菁菁：电子战仿真中信号处理系统的软件化设计　・测控技术・　图２中虚框内的模块可以根据需要进行扩充。　中频数字化部分采用ＰＥＮＴＥＫ公司的宽带数字　接收机模块完成。该模块适用于３００　ｋＨｚ～１５０　ＭＨｚ　中频输入，可完成两路１２位最高采样率为１０５　ＭＨｚ的　Ａ／Ｄ转换，包含两个宽带ＤＤＲ（数字数据接收机），可　到更ｆ耐　莹号的电缆　到更高槽位号的电缆　实现数字下变频、低通滤波以及抽取等功能。该模块　上有许多寄存器，更改这些寄存器就可改变中心频率、　采样率、抽取率等设置。当外部输入信号特性改变时，　只需要改变这些寄存器的设置就可正确地进行中频采　样和正交解调。这个模块另一个重要特点是包含了一　块Ｘｉｌｉｎｘ　Ｖｉｒｔｅｘ—ＩＩＸＣ２Ｖ１０００的ＦＰＧＡ（现场可编程门　阵列），用户通过对这块ＦＰＧＡ进行编程就可完成一些　预处理的功能。在本系统中，在该ＦＰＧＡ中嵌入了一　个实现脉压功能的ＩＰ　Ｃｏｒｅ，在数字下变频之后直接实　现数字脉冲压缩。该ＦＰＧＡ可以完成Ａ，Ｂ两通道最　多４　０９６点脉压。该ＩＰ　Ｃｏｒｅ的设置灵活可变，通过外　围控制电路的设计，可根据需要通过控制指令实时更　改控制寄存器的内容，以完成脉压点数和脉压方式的　配置，频域的匹配滤波器的系数也可实时输入，因而可　以适应各种数据量和波性形式的脉压要求。当需要提　升处理规模时，可以选用更大规模的ＦＰＧＡ型号，采用　更大处理能力的ＩＰ　Ｃｏｒｅ即可实现。　基带数字化部分也采用ＰＥＮＴＥＫ公司的通用并　行处理板，该处理模块包含４片ＴＭｓ３２０ｃ６７０１芯片，　其峰值处理速度可达１０　次浮点运算每秒（ＦＬＯＰＳ）。　这４片ＤＳＰ（数字信号处理器）为相同的处理节点，每　片ＤＳＰ配置了各种Ｉ／Ｏ接口和一些ＲＡＭ资源。它是　整个信号处理机的核心部分，完成ＭＴＩ（动目标显示　器）、ＭＴＤ（动目标检测器）、ＣＦＡＲ（恒虚警率）、数字副　瓣对消、精密测距测速等多种处理任务，且处理任务方　式可根据雷达指令实时改变。　雷达信号处理系统各并行处理模块之问会有海量　数据交换，通过ＶＭＥ总线来实现是不现实的。本系统　采用ＲＡＣＥｗａｙ实现高速互连通信，使多板上的ＤＳＰ　芯片以星形相连，构成松耦合式的分布式并行处理。　ＡＲＣＥｗａｙ可实现１６０　ＭＢ／ｓ的峰值传输速率。４槽的　ＡＲＣＥｗａｙ连接结构如图３所示。　与外部通信通过一个独立的基于ＶＭＥ总线的单　板计算机完成，该计算机支持ＶｘＷｏｒｋｓ操作系统，通　过编程就可实现以太网通信功能。因为网络通信本身　的通用性从而实现了通信的通用性。　３软件结构　软件平台的功能需求可归纳为以下两点：　ａ）软件函数要涵盖各种规模的雷达信号处理算　ＶＭＥ总线插槽　图３　４槽ＲＡＣＥｗａｙ连接结构　法和数据通信功能，使“软件化雷达”具有可扩展性；　ｂ）处理结构能够体现流水性和并行性，充分发挥　硬件平台的处理能力，使“软件化”雷达具有实时性。　软件平台的建立主要包括雷达信号处理各算法功　能的实现和软件平台处理结构。通过选择合理的信号　处理算法减小每个功能函数的运算时问和运算量，而　软件平台处理结构的设计则是体现雷达信号处理并行　性和流水性的关键所在，直接影响整个处理流程的实　时性和整个软件化雷达的通用性。合理的软件架构使　用户只需简单修改算法就可完成雷达信号处理系统的　更新和升级。　中频采样、信号处理、测距测速一体化设计基于数　据流实现。一个完整的信号处理过程总可以划分为多　个功能模块，其中某一个或几个模块的输出是另一个　或几个模块的输入。根据一般雷达信号处理的流程和　上述软件平台的功能要求，把软件划分为三大部分：　ａ）预处理，主要完成数字接收机的控制，它接收　中频信号，输出脉压后的基带信号；　ｂ）主处理，完成普通雷达基带信号处理的功能，　包括ＭＴＩ、ＭＴＤ、非相干积累、ＣＦＡＲ检测、角误差提取　等，输出为目标报告；　ｃ）后处理，主要在精密跟踪雷达体制下实现精密　测距和测速以及与以太网、计算机通信的功能。　根据本系统的处理规模的要求，共使用８块并行　处理板来完成上述功能。其中１，２，３号板完成脉压与　数据收集预处理；４，５，６号板完成信号检测主处理；７　号板完成杂波图处理；８号板完成测距测速与后处理。　板问数据交换通过ＲＡＣＥｗａｙ实现。数据流见图４。　该系统实现多种雷达体制的信号处理，在主处理　模块根据指令表调用不同的处理模块就可实现实时切　换，为了取得实时性，检测是用３块并行处理板进行。　每块处理板的ｃ片处理通道数据，Ｄ片处理方位和俯　仰两路差通道数据。如果处理规模扩大，还可插入更　多的检测板，或者利用空闲的Ａ片和Ｂ片。在预处理　板的切换就不是那么简单了。当发射波形变化时，脉　压系数也要改变，然而并行处理板的ＲＡＭ资源有限，　・ｌ１・　维普资讯 http://www.cqvip.com

・测控技术・　电子工露师　２００８年７月　不可能存储所有的波形系数，因此，脉压系数只能根据　实际进行计算。系数计算存在大量正弦和正弦计算，　不可能实时完成。但是我们知道，在某种雷达设置的　情况下工作，则该种方式下的波形是有限的，因此可以　设置一个初始化的过程，记录并计算这种情况下的波　形系数存储在板上ＲＡＭ中，然后的工作过程就可直　接调用。并且在每次收到指令后都与存储的指令相　比，如果发现收到的指令与初始化存储的指令不同。可　认为雷达改变了工作方式，则程序开始重新初始化。　目标报告写入全局ＲＡＭ，发ＶＭＥ中断通知，控制计算　机来读。在警戒雷达中，还可能存在杂波图处理功能，　这可通过增加一路对数通道和一块并行处理板来实　现。　如上所述，通过对软件功能模块的合理划分和板　间通信功能的合理设计，当信号处理功能增加或者规　模扩大时，简单地增加并行处理板就可以实现。　４结束语　本文根据“软件化”雷达的思想实现了一种应用　于电子战仿真中的信号处理系统。它基于标准总线采　用通用处理模块实现硬件平台，按照数据流与异步处　理的思想架构软件处理平台，具有实时性、通用性和可　扩充性。它虽然是为电子战仿真系统设计，但是同样　可以应用于实体战术雷达。雷达软件化是未来雷达的　发展方向，本文中的信号处理机系统可以看做是雷达　“软件化”的一个有益尝试。随着硬件水平的提高，软　件化将逐渐向射频端靠近，并且随着计算机处理能力　的提升以及嵌入式操作系统的发展，工作站方式有可　能取代目前这种专用ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的结构方式，雷达　的设计者们将可以从硬件平台的束缚中解放出来，而　图４信号处理数据流　更加专注于信号处理算法本身。　参考文献　在单脉冲精密跟踪体制下，信号处理机完成目标　检测、信息提取，测距机需完成距离捕获与跟踪、消模　糊等，测速机利用基带正交信号完成对目标　的捕获　跟踪，利用距离信息进行速度消模糊，完成测速回路的　闭环控制。传统上，这３个功能为３个分系统，要用３　个机柜来实现。但是信号处理、测距、测速实际上也是　个数据流的过程，因此在本系统中增加了一块后处　一［１］林茂庸，柯有安．雷达信号理论［Ｍ］．北京：国防工业出版　社，１９８１．　［２］丁鹭飞．雷达原理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，　２０００．　［３］蒋留兵，赵菁菁．电子战综合试验模拟信号处理机的实现　［Ｊ］．现代雷达，２００６，２８（４）：５９－６１．　［４］李宁，汤俊，彭应宁，等．软件化雷达在并行信号处理系统　上的实现［Ｊ］．微计算机信息，２００６，２２（７—１）：１－３．　理板来完成测距、测速功能。测距、测速与后处理板的　Ｄ片负责收检测板的目标报告，如果需要进行测距处　理，则Ｄ片进行测距，结果通过ＦＩＦＯ传递给ｃ片；如　果需要进行测速处理，则Ｃ片进行测速，最后Ｃ片把　赵菁菁（１９７７．），女，工程师，主要从事信号处理研制工作。　Ｔｈｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅｌｉｚｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｗａｒｆａｒｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＺＨＡＯ　Ｊｉｎｇｊｉｎｇ　（Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｗａｒｆａｒｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒａｄａｒ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｍａｎｙ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔｌ　ｔａｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｏｆｔ－　ｗａｒｅ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ，ｓｏｆｔｗａｒｅｌｉｚｅｄ　ｒａｄａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｔｅｎｄ　ｏｆｒ　ｒａｄａｒ　ｓｉｎａｇｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅｌ－　ｉｚｅｄ　ｄｅｓｉｎ　ｍｅｔｇｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｒｅ　ｐｒｏ－　ｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｃａｌｌ　ｓｗｉｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｒａｄａｒ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌｆｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，　ｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｗａｒｆａｒｅ；ｈａｒｄｗａｒｅ－ｉｎ－ｔｈｅ－ｌｏｏｐ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｎａｌｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄａｒ　・１２・