跟着高科技的敏捷发展,现代战役现已不仅是传统含义战场上的比赛,电子战现已成为决议战役输赢的重要因素之一｡反辐射导弹在电子战中扮演着重要的人物,它在战役中能够有用地限制或炸毁敌方武器体系中的雷达,使敌方武器体系失掉进犯才干,获得制空权,发挥己方的空中优势｡在反辐射导弹中引导进犯方针的是雷达扶引头,它截获方针雷达的信号并检测出信号入射角,输送给导弹操控体系,扶引导弹盯梢方针直到射中｡
脉冲重复频率(PRF)盯梢器是雷达扶引头的重要器材,它的功用是在雷达扶引头接收到的信号流中挑选出方针信号｡在日趋杂乱的电磁环境下,空间信号密度现已抵达50~100万脉冲/秒,至少相当于几百个辐射源的总和｡所以信号接收机截获到的信号一般是不止一部雷达的信号,往往包含很多部｡脉冲重复频率盯梢器便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,送到后边的信号处理机｡如图1所示,接收机收到的信号包含多部信号,经过脉冲重复频率盯梢器的挑选后只输出一部信号送到后续的信号处理机｡ 现在,完结脉冲重复频率盯梢器的办法首要有三种:纯软方法､半软半硬方法和纯硬方法｡纯软方法用高速DSP完结悉数功用,这种方法在现代密布信号环境下将影响体系的实时性,要想完结多路信号的盯梢需求多个DSP,这将形成体系体积巨大｡半软半硬方法用DSP和硬件电路别离完结一部分功用,和前一种方法有相同的缺陷｡纯硬方法用FPGA或CPLD完结盯梢信号的悉数功用,具有实时性好､功用安稳的长处,能满意现在杂乱电磁环境的要求,并且集成度高,能够完结体系的小型化｡
本文运用FPGA资源丰富､易于编程的特色规划了纯硬方法的脉冲重复频率盯梢器,完结了在密布信号环境下的信号盯梢,并且将多路并行的盯梢器集成在一片FPGA中,简化了体系结构,缩小了体积｡
1 脉冲重复频率(PRF)盯梢器原理
1.1 脉冲重复频率盯梢器
为了在密布的信号流中别离出一部信号,需求知道该信号的脉冲重复频率以及脉冲重复周期(PRI)类型,这部分作业一般由雷达侦查体系或反辐射导弹的信号预处理器来完结｡脉冲重复频率是辨认雷达的一个重要参数,由于它是雷达最具特征的信号参数｡所说的最具特征,是指雷达的功用受其所运用的脉冲重复频率的影响很大,例如关于惯例雷达来说,脉冲重复频率的数值决议了雷达的最大无含糊距离和最大无含糊径向速度｡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距离是安稳的;假如把信号的PRI加上人为的随机跳变就构成了跳变PRI信号,其PRI的改变值可达脉冲重复周期平均值的15%;参差PRI信号由多个距离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,帧周期之间的小距离称为小周期,一般帧周期是固定的｡
依据以上剖析,为了完结各种PRI类型信号的实时盯梢,在FPGA中规划了脉冲重复频率盯梢器电路,其原理图如图2所示｡
由图2可见,盯梢器包含重复周期寄存器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､输出操控器等单元｡其间,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｡由于现在参差雷达一般不超越8参差数,所以重复周期寄存器有8个即可,参差寄存器贮存的参差数操控各个重复周期寄存器｡例如参差数等于3,则只要0~2号重复周期寄存器有用,其他5个无用｡若参差数等于1,则只要0号重复周期寄存器有用,这相当于固定PRI信号的状况｡输出波门寄存器存储的是波门宽度,其值首要由跳变PRI信号的改变量决议｡若改变量大,则输出波门宽度也要大,这样才干选中要截获的信号｡数值联系可表示为:波门宽度=PRI改变量+脉冲宽度+常量A｡常量A为调整参数,可依据调试状况决议｡重复周期计数器是盯梢器的中心器材,它依据信号脉冲的抵达与否决议何时开端计数,计数周期是重复周期寄存器中的值,各个有用的重复周期寄存器的存储值循环选用｡其输出送到输出波门计数器,后者依据输出波门寄存器中的值确认波门的宽度｡输出操控器是首要的逻辑操控单元,操控整个盯梢器的作业｡输出操控器的功用还包含判别信号是否截获成功､信号是否丢掉等｡
1.2 信号滤波器
各种电子对抗设备数意图急剧添加使雷达扶引头体系处于高度密布的信号环境中,脉冲重复频率盯梢器的实时性遭到检测｡依据以上考虑,在盯梢器的前端规划了信号滤波器,对信号脉冲流进行稀释,减轻盯梢器的压力｡信号滤波器的原理图如图3所示｡
信号滤波器的中心是相关比较器,FPGA为相关比较器的完结供给了便当条件｡本体系中选用了两路相关比较器,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,只要载频和脉宽都在必定的规模之内的信号才干经过滤波器,即对信号进行了挑选｡在现代杂乱电磁环境下,载频和脉宽都比较挨近的信号是相当多的,一起比较器的上､下限不能获得过于挨近,这样滤波器的输出就不只限于一部信号,即便这样也极大地稀释了信号流｡这种稀释过的信号流送到盯梢器,有助于进步盯梢器的实时性,更利于成功地截获信号｡
2 体系完结
体系框图如图4所示,整个体系由DSP和FPGA组成,在 FPGA中规划了8路盯梢器,最多可一起对8路信号进行盯梢｡DSP担任操控各路盯梢器的作业,包含对各路盯梢器装载参数和使能,一起经过HPI(上位机接口)与弹上主控核算机传递数据｡
由于各路盯梢器都是选用纯硬件方法完结的,所以占用的DSP处理时刻很少,DSP只需将主控核算机传递的信号参数装载到盯梢器中,并宣布发动指令即可,余下的作业由盯梢器主动完结,无需DSP干涉,使DSP有很多的时刻履行其它核算使命｡
2.1 FPGA器材挑选
本规划选用Altera公司的APEX系列EP20K200EQI芯片｡APEX系列FPGA是Altera公司的高端产品,是工业界榜首块整合了SOPC(system-on-a-programmable-chip)%&&&&&%的可编程逻辑器材｡其集成度高,最多能供给250万个门电路､5万个逻辑单元,并且在不削减逻辑单元的状况下可供给44万位RAM｡低功耗规划,选用双电压体系,中心电压1.8V,I/O电压3.3V,与多种接口标准兼容｡
EP20K200EQI芯片归于工业级芯片,选用240针PQFP封装,用户I/O管脚数为168个,供给8320个逻辑单元,芯片面积却仅为34.5mm×34.5mm｡本规划中每路盯梢器占用的逻辑单元为7%,8路盯梢器外加一些辅佐电路一共占用的逻辑单元为60%,芯片资源尚有剩下,为将来体系功用改善留了地步｡
2.2 FPGA芯片的装备
APEX系列FPGA芯片是依据SRAM技能的器材,由于SRAM的易失性,掉电今后芯片中的装备信息将丢掉,所以每次体系上电时都要从头加载装备数据｡Altera公司供给了一系列的装备器材用于贮存装备数据并且在上电时加载FPGA｡本规划选用Altera公司的EPC2,最大的优势在于EPC2是FLASH器材,能够屡次重复编程,改掉了曾经的PROM装备器材只能写入一次的缺陷,极大当地便了体系调试和产品升级｡当规划完结的产品需求改善时,只需将EPC2中的内容重写一遍即可,缩短了产品的研制周期｡
在规划中需求留意的是EPC2的容量是1.6Mb,依据FPGA芯片的容量巨细需求的装备芯片的数目是不等的｡本规划中选用的EP20K200EQI芯片的容量是1.9Mb,所以需求两片EPC2｡图5是用两片EPC2装备EP20K200EQI芯片的连线图,经过EPC2芯片的nCASC管脚,能够方便地完结多片级联｡体系上电后, EP20K200EQI芯片检测到nCONFIG管脚电平由低到高的跳变时,发动装备流程｡首要EP20K200EQI芯片驱动CONF_DONE管脚为低,将榜首片EPC2的nCS管脚拉低,选通该芯片｡经过一段延时今后EP20K200EQI芯片开释nSTATUS管脚,上拉电阻将EPC2的OE管脚拉成高电平将其使能｡EPC2用其内部振荡器将装备数据串行输出到FPGA芯片中｡当榜首片EPC2的悉数数据输出完后,它驱动nCASC管脚为低,按次序驱动第二个EPC2的nCS为低,发动第二个EPC2输出数据｡前一个EPC2发动下一个EPC2的进程在一个时钟周期内就能够完结,所以输送给FPGA芯片的数据流是接连的｡
2.3 FPGA芯片的在线编程
APEX系列FPGA芯片在鸿沟扫描形式(JTAG形式)下能够对其进行在线的装备重构,体系无需从头上电就能够修正FPGA芯片的装备,极大当地便了调试｡JTAG形式也能够对EPC2进行在线编程｡在体系规划时,能够把多个器材组成一个JTAG器材链,用一个JTAG兼容头(例如Altera的ByteBlasterMV并口下载电缆)把一切的器材连接起来｡JTAG器材链方法特别合适电路板上有多个器材的状况,用一个JTAG头就能够对多个器材进行在线编程｡本规划中电路板上有三个JTAG器材,包含两片EPC2和一片FPGA,规划的JTAG器材链如图6所示｡
在JTAG器材链中,两个EPC2是榜首和第二个器材,FPGA是第三个器材,JTAG按次序对器材编程｡当对FPGA编程时,经过软件将两个EPC2设置成BYPASS形式,编程数据从EPC2的TDI管脚直接输出到TDO管脚直达FPGA芯片,完结了对FPGA芯片的在线编程｡选用这种JTAG器材链方法,方便了体系调试,缩短了产品的开发周期｡
3 FPGA使用体系规划中应留意的问题
为了进步FPGA使用体系的抗干扰功用,应尽量选用多层印刷电路板,并有完好的GND层和电源层,然后供给简直无限的电流吸收才干,起到避免噪声和为逻辑信号供给屏蔽的效果｡由于APEX EP20KE系列FPGA选用双电压体系,最好选用两个电源层,一个作为中心电源层,一个作为I/O电源层｡本规划选用了八层电路板工艺,其间有两个GND层､一个中心电压层､一个I/O电压层以及四个信号层,在实践调试中抗干扰功用显着强于曾经的双面板体系｡假如在实践使用中对价格灵敏,也可选用四层板工艺,其间应有一个完好的GND层,一个切割的电源层｡
FPGA器材的每一个电源和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,并且尽或许接近FPGA器材｡关于PQFP封装的器材,应当把去耦电容器会集在器材正下方电路板焊接面上,这样既抵达了接近器材的意图,又能够削减电路板的面积｡
在电源线进入电路板的当地一般都放置一个100μF的大容量电容器,以安稳电源电压,可是这个电容器有时也会成为导致FPGA器材装备失利的危险｡Altera器材在上电初始化时,首要实施一个POR(上电复位)推迟以等候电源安稳｡假如电源电压上升时刻较长,超越了POR推迟时刻,或许形成器材初始化不正确,导致功用失效｡当用EPC2装备APEX EP20KE系列FPGA时,POR推迟最大为200ms,所以电源电压上升时刻不能超越这个时刻｡假如呈现体系上电时FPGA器材装备失利的状况,应当考虑是否由于大容量电容器致使电源电压上升太慢,这时能够替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呈现这种状况更应考虑这个原因｡由于多块电路板连在一起时电源滤波电容是并联的,此刻容量相加导致更大容量的电容呈现在电源入口处,致使电压上升过慢｡本体系在调试时就曾遇见这种状况,将电源滤波%&&&&&%从100μF调整为22μF便处理了问题｡
为了进步电路规划功率,应尽量多选用LPM宏单元库｡LPM是参数化的模块库,是优异的地图规划人员和软件人员才智的结晶｡LPM包含了常用的逻辑单元,经过修正LPM的某些参数,就能敏捷规划出自己的电路｡Altera公司供给的LPM宏单元库是Altera系列FPGA器材的绝佳组合,能够完结绝大部分的规划功用,并能供给较高的运转速度和较低的资源占用率｡在规划中发现,多选用LPM宏单元库的电路与不选用LPM宏单元库的电路比较,资源占用率可削减10%~30%,可见节约的芯片资源是很可观的｡
本规划运用FPGA规划灵敏､易于编程和容量大的特色完结了多路脉冲重复频率盯梢器,处理了在密布信号环境下盯梢体系的实时性问题,将八路盯梢器规划在一片Altera公司的APEX EP20K200EQI FPGA芯片中,缩小了电路体积,满意了体系小型化的要求｡试验证明用高功用FPGA完结多路脉冲盯梢体系是彻底可行的｡
