基於FPGA的多路脈衝重複頻率跟蹤器

        摘要：在反輻射導彈的雷達導引頭中，信號跟蹤器的實時性是影響系統性能的重要因素之一。介紹了利用高性能FPGA豐富的資源實現的多路脈衝重複頻率跟蹤器，它解決了在密集信號環境下信號跟蹤的實時性問題，減小了系統體積。經過實驗驗證，其各項指標均達到了設計要求。

       隨著高科技的迅速發展，現代戰爭已經不僅是傳統意義戰場上的較量，電子戰已經成為決定戰爭勝負的重要因素之一。反輻射導彈在電子戰中扮演著重要的角色，它在戰爭中可以有效地壓制或摧毀敵方武器系統中的雷達，使敵方武器系統失去攻擊能力，取得制空權，發揮己方的空中優勢。在反輻射導彈中引導攻擊目標的是雷達導引頭，它截獲目標雷達的信號並檢測出信號入射角，輸送給導彈控制系統，導引導彈跟蹤目標直到命中。

      脈衝重複頻率（ＰＲＦ）跟蹤器是雷達導引頭的重要器件，它的功能是在雷達導引頭接收到的信號流中選擇出目標信號。在日趨複雜的電磁環境下，空間信號密度已經達到５０～１００萬脈衝／秒，至少相當於幾百個輻射源的總和。所以信號接收機截獲到的信號通常是不止一部雷達的信號，往往包括很多部。脈衝重複頻率跟蹤器就是要在包含多部雷達的信號流中選出要截獲的那部雷達信號，送到後面的信號處理機。如圖１所示，接收機收到的信號包括多部信號，經過脈衝重複頻率跟蹤器的選擇后只輸出一部信號送到後續的信號處理機。 目前，實現脈衝重複頻率跟蹤器的方法主要有三種：純軟方式、半軟半硬方式和純硬方式。純軟方式用高速ＤＳＰ完成全部功能，這種方式在現代密集信號環境下將影響系統的實時性，要想實現多路信號的跟蹤需要多個ＤＳＰ，這將造成系統體積龐大。半軟半硬方式用ＤＳＰ和硬體電路分別完成一部分功能，和前一種方式有相同的缺點。純硬方式用ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ實現跟蹤信號的全部功能，具有實時性好、性能穩定的優點，能滿足目前複雜電磁環境的要求，並且集成度高，可以實現系統的小型化。

      本文利用ＦＰＧＡ資源豐富、易於編程的特點設計了純硬方式的脈衝重複頻率跟蹤器，實現了在密集信號環境下的信號跟蹤，並且將多路并行的跟蹤器集成在一片ＦＰＧＡ中，簡化了系統結構，縮小了體積。

１ 脈衝重複頻率（ＰＲＦ）跟蹤器原理

１．１ 脈衝重複頻率跟蹤器

       為了在密集的信號流中分離出一部信號，需要知道該信號的脈衝重複頻率以及脈衝重複周期（ＰＲＩ）類型，這部分工作通常由雷達偵察系統或反輻射導彈的信號預處理器來完成。脈衝重複頻率是識別雷達的一個重要參數，因為它是雷達最具特徵的信號參數。所說的最具特徵，是指雷達的性能受其所使用的脈衝重複頻率的影響很大，例如對於常規雷達來說，脈衝重複頻率的數值決定了雷達的最大無模糊距離和最大無模糊徑向速度。脈衝重複周期（ＰＲＩ）是脈衝重複頻率的倒數，其類型大致可分為三種：固定、跳變和參差。固定ＰＲＩ信號的各個脈衝之間的間隔是恆定的；如果把信號的ＰＲＩ加上人為的隨機跳變就構成了跳變ＰＲＩ信號，其ＰＲＩ的變化值可達脈衝重複周期平均值的１５％；參差ＰＲＩ信號由多個間隔不同的脈衝組成一個信號序列幀，各脈衝重複周期的總和稱為幀周期，幀周期之間的小間隔稱為小周期，一般幀周期是固定的。

      根據以上分析，為了實現各種ＰＲＩ類型信號的實時跟蹤，在ＦＰＧＡ中設計了脈衝重複頻率跟蹤器電路，其原理圖如圖２所示。

    由圖２可見，跟蹤器包括重複周期寄存器０～７、參差寄存器、輸出波門寄存器以及重複周期計數器、輸出波門計數器、輸出控制器等單元。其中，參差寄存器存儲參差ＰＲＩ信號的小周期數，即參差數；重複周期寄存器０～７存儲信號的各個重複周期。由於目前參差雷達一般不超過８參差數，所以重複周期寄存器有８個即可，參差寄存器儲存的參差數控制各個重複周期寄存器。例如參差數等於３，則只有０～２號重複周期寄存器有效，其餘５個無用。若參差數等於１，則只有０號重複周期寄存器有效，這相當於固定ＰＲＩ信號的情況。輸出波門寄存器存儲的是波門寬度，其值主要由跳變ＰＲＩ信號的變化量決定。若變化量大，則輸出波門寬度也要大，這樣才能選中要截獲的信號。數值關係可表示為：波門寬度＝ＰＲＩ變化量＋脈衝寬度＋常量Ａ。常量Ａ為調整參數，可根據調試情況決定。重複周期計數器是跟蹤器的核心器件，它根據信號脈衝的到達與否決定何時開始計數，計數周期是重複周期寄存器中的值，各個有效的重複周期寄存器的存儲值循環採用。其輸出送到輸出波門計數器，後者根據輸出波門寄存器中的值確定波門的寬度。輸出控制器是主要的邏輯控制單元，控制整個跟蹤器的工作。輸出控制器的功能還包括判斷信號是否截獲成功、信號是否丟失等。

１．２ 信號濾波器

      各種電子對抗設備數目的急劇增加使雷達導引頭系統處於高度密集的信號環境中，脈衝重複頻率跟蹤器的實時性受到考驗。基於以上考慮，在跟蹤器的前端設計了信號濾波器，對信號脈衝流進行稀釋，減輕跟蹤器的壓力。信號濾波器的原理圖如圖３所示。

        信號濾波器的核心是關聯比較器，ＦＰＧＡ為關聯比較器的實現提供了便利條件。本系統中採用了兩路關聯比較器，一路用於信號載頻濾波，一路用於信號脈寬濾波。由圖３可見，只有載頻和脈寬都在一定的範圍之內的信號才能通過濾波器，即對信號進行了篩選。在現代複雜電磁環境下，載頻和脈寬都比較接近的信號是相當多的，同時比較器的上、下限不能取得過於接近，這樣濾波器的輸出就不只限於一部信號，即使這樣也極大地稀釋了信號流。這種稀釋過的信號流送到跟蹤器，有助於提高跟蹤器的實時性，更利於成功地截獲信號。

２ 系統實現

      系統框圖如圖４所示，整個系統由ＤＳＰ和ＦＰＧＡ組成，在 ＦＰＧＡ中設計了８路跟蹤器，最多可同時對８路信號進行跟蹤。ＤＳＰ負責控制各路跟蹤器的工作，包括對各路跟蹤器裝載參數和使能，同時通過ＨＰＩ（上位機介面）與彈上主控計算機傳遞數據。

       由於各路跟蹤器都是採用純硬體方式實現的，所以佔用的ＤＳＰ處理時間很少，ＤＳＰ只需將主控計算機傳遞的信號參數裝載到跟蹤器中，併發出啟動命令即可，餘下的工作由跟蹤器自動完成，無需ＤＳＰ干預，使ＤＳＰ有大量的時間執行其它計算任務。

２．１ ＦＰＧＡ器件選擇

      本設計採用Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ系列ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元。ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ是Ａｌｔｅｒａ公司的高端產品，是工業界第一塊整合了ＳＯＰＣ（ｓｙｓｔｅｍ－ｏｎ－ａ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ

－ｃｈｉｐ）集成電路的可編程邏輯器件。其集成度高，最多能提供２５０萬個門電路、５萬個邏輯單元，並且在不減少邏輯單元的情況下可提供４４萬位ＲＡＭ。低功耗設計，採用雙電壓體系，核心電壓１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ電壓３．３Ｖ，與多種介面標準兼容。

      ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元屬於工業級晶元，採用２４０針ＰＱＦＰ封裝，用戶Ｉ／Ｏ管腳數為１６８個，提供８３２０個邏輯單元，晶元面積卻僅為３４．５ｍｍ×３４．５ｍｍ。本設計中每路跟蹤器佔用的邏輯單元為７％，８路跟蹤器外加一些輔助電路總共佔用的邏輯單元為６０％，晶元資源尚有剩餘，為將來系統功能改進留了餘地。

２．２ ＦＰＧＡ晶元的配置

      ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ晶元是基於ＳＲＡＭ技術的器件，由於ＳＲＡＭ的易失性，掉電以後晶元中的配置信息將丟失，所以每次系統上電時都要重新載入配置數據。Ａｌｔｅｒａ公司提供了一系列的配置器件用於儲存配置數據並且在上電時載入ＦＰＧＡ。本設計選用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＣ２，最大的優勢在於ＥＰＣ２是ＦＬＡＳＨ器件，可以多次重複編程，改掉了以前的ＰＲＯＭ配置器件只能寫入一次的缺點，極大地方便了系統調試和產品升級。當設計完成的產品需要改進時，只需將ＥＰＣ２中的內容重寫一遍即可，縮短了產品的研發周期。

        在設計中需要注意的是ＥＰＣ２的容量是１．６Ｍｂ，根據ＦＰＧＡ晶元的容量大小需要的配置晶元的數目是不等的。本設計中採用的ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元的容量是１．９Ｍｂ，所以需要兩片ＥＰＣ２。圖５是用兩片ＥＰＣ２配置ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元的連線圖，通過ＥＰＣ２晶元的ｎＣＡＳＣ管腳，可以方便地實現多片級聯。系統上電后， ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元檢測到ｎＣＯＮＦＩＧ管腳電平由低到高的跳變時，啟動配置流程。首先ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元驅動ＣＯＮＦ＿ＤＯＮＥ管腳為低，將第一片ＥＰＣ２的ｎＣＳ管腳拉低，選通該晶元。經過一段延時以後ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ晶元釋放ｎＳＴＡＴＵＳ管腳，上拉電阻將ＥＰＣ２的ＯＥ管腳拉成高電平將其使能。ＥＰＣ２用其內部振蕩器將配置數據串列輸出到ＦＰＧＡ晶元中。當第一片ＥＰＣ２的全部數據輸出完后，它驅動ｎＣＡＳＣ管腳為低，按順序驅動第二個ＥＰＣ２的ｎＣＳ為低，啟動第二個ＥＰＣ２輸出數據。前一個ＥＰＣ２啟動下一個ＥＰＣ２的過程在一個時鐘周期內就可以完成，所以輸送給ＦＰＧＡ晶元的數據流是連續的。

２．３ ＦＰＧＡ晶元的在線編程

      ＡＰＥＸ系列ＦＰＧＡ晶元在邊界掃描模式（ＪＴＡＧ模式）下可以對其進行在線的配置重構，系統無需重新上電就可以修改ＦＰＧＡ晶元的配置，極大地方便了調試。ＪＴＡＧ模式也可以對ＥＰＣ２進行在線編程。在系統設計時，可以把多個器件組成一個ＪＴＡＧ器件鏈，用一個ＪＴＡＧ兼容頭（例如Ａｌｔｅｒａ的ＢｙｔｅＢｌａｓｔｅｒＭＶ並口下載電纜）把所有的器件連接起來。ＪＴＡＧ器件鏈方式特別適合電路板上有多個器件的情況，用一個ＪＴＡＧ頭就可以對多個器件進行在線編程。本設計中電路板上有三個ＪＴＡＧ器件，包括兩片ＥＰＣ２和一片ＦＰＧＡ，設計的ＪＴＡＧ器件鏈如圖6所示

        在ＪＴＡＧ器件鏈中，兩個ＥＰＣ２是第一和第二個器件，ＦＰＧＡ是第三個器件，ＪＴＡＧ按順序對器件編程。當對ＦＰＧＡ編程時，通過軟體將兩個ＥＰＣ２設置成ＢＹＰＡＳＳ模式，編程數據從ＥＰＣ２的ＴＤＩ管腳直接輸出到ＴＤＯ管腳直達ＦＰＧＡ晶元，實現了對ＦＰＧＡ晶元的在線編程。採用這種ＪＴＡＧ器件鏈方式，方便了系統調試，縮短了產品的開發周期。

３ ＦＰＧＡ應用系統設計中應注意的問題

      為了提高ＦＰＧＡ應用系統的抗干擾性能，應盡量採用多層印刷電路板，並有完整的ＧＮＤ層和電源層，從而提供幾乎無限的電流吸收能力，起到防止雜訊和為邏輯信號提供屏蔽的作用。由於ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ採用雙電壓體系，最好採用兩個電源層，一個作為核心電源層，一個作為Ｉ／Ｏ電源層。本設計採用了八層電路板工藝，其中有兩個ＧＮＤ層、一個核心電壓層、一個Ｉ／Ｏ電壓層以及四個信號層，在實際調試中抗干擾性能明顯強於以前的雙面板系統。如果在實際應用中對價格敏感，也可採用四層板工藝，其中應有一個完整的ＧＮＤ層，一個分割的電源層。

      ＦＰＧＡ器件的每一個電源和ＧＮＤ引腳都應當直接連接到電源和ＧＮＤ平面上，每一對電源和ＧＮＤ引腳都應當接上一個電源去耦電容器，而且儘可能靠近ＦＰＧＡ器件。對於ＰＱＦＰ封裝的器件，應當把去耦電容器集中在器件正下方電路板焊接面上，這樣既達到了靠近器件的目的，又可以減少電路板的面積。

      在電源線進入電路板的地方一般都放置一個１００μＦ的大容量電容器，以穩定電源電壓，但是這個電容器有時也會成為導致ＦＰＧＡ器件配置失敗的隱患。Ａｌｔｅｒａ器件在上電初始化時，首先實行一個ＰＯＲ（上電複位）延遲以等待電源穩定。如果電源電壓上升時間較長，超過了ＰＯＲ延遲時間，可能造成器件初始化不正確，導致功能失效。當用ＥＰＣ２配置ＡＰＥＸ ＥＰ２０ＫＥ系列ＦＰＧＡ時，ＰＯＲ延遲最大為２００ｍｓ，所以電源電壓上升時間不能超過這個時間。如果出現系統上電時ＦＰＧＡ器件配置失敗的情況，應當考慮是否由於大容量電容器致使電源電壓上升太慢，這時可以更換一個小容量的電容器。尤其是在單塊電路板上調試成功，而多塊電路板連在一起調試時出現這種情況更應考慮這個原因。因為多塊電路板連在一起時電源濾波電容是並聯的，此時容量相加導致更大容量的電容出現在電源入口處，致使電壓上升過慢。本系統在調試時就曾遇見這種情況，將電源濾波電容從１００μＦ調整為２２μＦ便解決了問題。

      為了提高電路設計效率，應盡量多採用ＬＰＭ宏單元庫。ＬＰＭ是參數化的模塊庫，是優秀的版圖設計人員和軟體人員智慧的結晶。ＬＰＭ包括了常用的邏輯單元，通過修改ＬＰＭ的某些參數，就能迅速設計出自己的電路。Ａｌｔｅｒａ公司提供的ＬＰＭ宏單元庫是Ａｌｔｅｒａ系列ＦＰＧＡ器件的絕佳組合，可以實現絕大部分的設計功能，並能提供較高的運行速度和較低的資源佔用率。在設計中發現，多採用ＬＰＭ宏單元庫的電路與不採用ＬＰＭ宏單元庫的電路相比，資源佔用率可減少１０％～３０％，可見節省的晶元資源是很可觀的。

      本設計利用ＦＰＧＡ設計靈活、易於編程和容量大的特點實現了多路脈衝重複頻率跟蹤器，解決了在密集信號環境下跟蹤系統的實時性問題，將八路跟蹤器設計在一片Ａｌｔｅｒａ公司的ＡＰＥＸ ＥＰ２０Ｋ２００ＥＱＩ ＦＰＧＡ晶元中，縮小了電路體積，滿足了系統小型化的要求。實驗證明用高性能ＦＰＧＡ實現多路脈衝跟蹤系統是完全可行的。