摘要：鑒于FPGA和DSP各自的優(yōu)勢，FPGA+DSP信號處理架構，已成為信號處理系統(tǒng)的常用結構。但目前此結構處理平臺功能固定、通用性差，或對平臺的介紹缺乏具體實現。文中針對以上兩點提出一種通用信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅將兩種處理器的優(yōu)點集于一身，并且具有很強的通用性，可以應用于不同的雷達系統(tǒng)。最后分別列舉了該系統(tǒng)在連續(xù)波雷達和脈沖雷達中的一種典型應用。
關鍵詞：FPGA；DSP；信號處理；拓撲結構

    FPGA是一種現場可編程器件，設計靈活方便可以反復修改內部邏輯，適用于算法結構比較簡單、處理速度較高的情況。DSP是一種基于指令集的處理器，適于大信息、復雜算法的信息處理場合。鑒于兩種處理器件自身優(yōu)勢，FPGA+DSP信號處理架構，已成為信號處理系統(tǒng)的常用結構。但當前FPGA+DSP的信號處理平臺或者是基于某些固定目的，實現某些固定功能，系統(tǒng)的移植性、通用性較差。或者僅僅簡要介紹了平臺的結構沒有給出一些具體的實現。
    本文提出的基于FPGA+DSP通用信號處理平臺具有兩種處理器的優(yōu)點，兼頤速度和靈活性，而且可以應用在不同雷達信號處理系統(tǒng)中，具有很強的通用性。本文舉例說明該系統(tǒng)在連續(xù)波雷達和脈沖雷達中的典型應用。

1 系統(tǒng)資源概述
1．1 處理器介紹
    本系統(tǒng)FPGA選擇Altera公司的EP2S60F1020。Stratix II FPGA采用TSMC的90 nm低k絕緣工藝技術。Stratix II FPGA支持高達1 Gb·s-1的高速差分I／O信號，滿足新興接口包括LVDS，LNPECL和HyperTransport標準的高性能需求，支持各種單端I／O接口標準。EP2S60系列內部有48 352個ALUT；具有2 544 192 bit的RAM塊，其中M512 RAM(512 bit)329個，M4K RAM(4 kbit)255個，M-RAM(512 kbit)2個。具有嵌入式DSP塊36個，等效18bit×18bit乘法器144個；具有加強型鎖相環(huán)EPLL 4個，快速鎖相環(huán)FPLL 8個。這些鎖相環(huán)具有高端功能包括時鐘切換，PLL重新配置，擴頻時鐘，頻率綜合，可編程相位偏移，可編程延遲偏移，外部反饋和可編程帶寬等。
    本系統(tǒng)DSP選擇ADI公司的ADSP TS201。它有高達600 MHz的運行速度，1．6 ns的指令周期；有24 MB的片內DRAM；雙運算模塊，每個計算塊包含1個ALU，一個乘法器，1個移位器，1個寄存器組和1個通信邏輯單元(CLU)；雙整數ALU，提供數據尋址和指針操作功能；集成I／O接口，包括14通道的DMA控制器，外部端口，4個鏈路口，SDRAM控制器，可編程標識引腳，2個定時器和定時器輸出引腳等用于系統(tǒng)連接；IEEE1 149．1兼容的JTAG端口用于在線仿真；通過共享總線可以無縫連接多達8個TigerSHARC DSP。
1．2 FPGA+DSP結構
    由于FPGA和DSP各自的自身優(yōu)勢，FPGA+DSP信號處理架構已成為信號處理系統(tǒng)的常用結構。一般情況下FPGA+DSP的拓撲結構會根據需要進行不同的連接，這就導致這種結構的專用性，缺乏靈活性。對于一個通用處理平臺要考慮到各種不同的信號通路，因此大部分通用FPGA+ DSP平臺都采取各個處理器間均有通路的方式。這種拓撲結構靈活方便，可以滿足各種不同的通路需求，這種結構的缺點就是硬件設計的復雜以及可能會有資源浪費。對于這種通用FPGA+DSP結構，FPGA與各個DSP之間均有連接，不同之處便是DSP之間的拓撲結構。一般分兩種，一是高速外部總線口耦合結構組成多DSP系統(tǒng)，這種結構可以實現多DSP共享系統(tǒng)內的資源，系統(tǒng)內的個處理器可以共享RAM，SDRAM和主機等資源，還可共享其他處理器核內資源。這種結構的長處就在資源共享上，但這種結構的PCB設計十分困難，而且當總線負載較重時速度很難提高，要達到50～60 MHz的數據速率都很難。另外一種結構就是高速鏈路口耦合結構。ADSP TS201有4個高速鏈路口內核時鐘600 MHz時，單向數據傳輸率最高可達600 MHz。高速鏈路口通信是點對點的，這是它的局限，但也帶來的一個優(yōu)點就是較高的傳輸可靠性。在本信號處理系統(tǒng)中采用第2種結構。
1．3 本信號處理系統(tǒng)的硬件結構
    在充分考慮系統(tǒng)的通用性能上，本系統(tǒng)在硬件結構上采用1片FPGA與4片DSP的拓撲結構。每片DSP與FPGA分別有一路鏈路口相連，4片DSP之間由鏈路口相連，同時，DSPA與DSPD分別有64位的數據總線與FPGA相連。這種拓撲結構使得任意兩片DSP之間都可以連通，對角的DSP可以通過連到FPGA內部的鏈路口相互通信。此外，本系統(tǒng)采用一片FLASG存儲DSP程序，對所有DSP進行加載。DSPB，DSPC分別連有32×64 Mbit的SDRAM，對DSP的內存空間進行了擴展，便于大量數據處理，如圖1所示。

2 具體應用
2．1 在連續(xù)波雷達中的應用
    其主要功能是完成對接收的全相參體制的雙波束原始視頻信號的數字采樣信號進行相關處理，其中包括時／頻轉換、MTI、MTD處理、雙波束估高處理等，最終能夠對動目標進行檢測。
    拓撲結構：待處理數據通過接插件傳送到FPGA內部，通過FPGA的初步處理，經由FPGA與DSPA、DSPD相連的64位數據總線傳送到兩片DSP內進行進一步的處理。DSPA將處理完的數據經過鏈路口直接傳送到DSPB，而DSPD將處理完的數據通過DSPD到FPGA，FPGA到DSPB的鏈路口也傳送到DSPB。DSPC接收DSPB處理完的數據并將數據進行進一步的處理后通過鏈路口傳送到FPGA輸出。如圖2所示為應用所使用的硬件拓撲結構。

    處理流程：FPGA將接收到的兩路信號分別進行4 096點FFT，并對FFT的結果進行MTI，MTI可以是根據命令選做。DSP中完成兩路信號的二維FFT也就是MTD，CFAR，估高，雜波圖等，最后將整理后的結果輸出到FPGA，由FPGA輸出給雷達的其它模塊，如圖3所示。

    資源的使用：在FPGA需要完成的功能為兩路復信號的FFT，MTI，以及與DSP的數據通信。FFT的實現采用Altera公司的FFT IP Core實現，它是一個高性能、高度參數化的快速傅里葉變換(FFT)處理器，實時正序輸出變換結果。采用緩沖突發(fā)模式4輸出引擎結構完成一路4 096點FFT。MTI采用3次相消器即4脈沖對消法，在FPGA中采用FIFO實現。與DSP的總線數據通信的實現為FPGA將待傳輸數據寫到FIFO中同時向DSP發(fā)送中斷，DSP響應中斷后從FIFO中將數據讀出。與DSP的鏈路口數據通信，無論是接收鏈路口還是發(fā)送鏈路口均由一個數據緩沖模塊和一個數據拆包／打包模塊組成。表1為FPGA中資源時間的具體使用，由此看出EP2S60F1020的資源豐富。

    在DSPA，DSPD中接收數據采用乒乓操作，在接收一組數據的同時對已接收的數據進行操作，完成數據的定浮轉換和MTD。應用中用N點傅立葉變換實現N個窄帶多普勒濾波器實現MTD。在DSPB中實現恒虛警檢測(CFAR)，采用的是兩側單元平均選大CFAR處理(GO—CFAR)，也就是從被檢測電路單元前后各取一段距離范圍的回波信號，分別計算前后兩部分的平均值，選取平均值較大的一個乘以門限因子C作為檢測門限，與被檢測單元作比較，如果被檢測距離單元的回波幅度高于檢測門限，就可認為被檢測距離單元有目標存在。被檢測單元前后各空出幾個參考單元避免目標本身對門限值的影響。速度維聚心是指，對同一距離單元的各個通道道進行幅度峰選，取出其中的最大值作為目標所在的速度通道號。雜波圖的實現，首先建立雜波圖，然后選取零通道數據并根據已知的方位信息及遞歸公式更新雜波圖中數據。假設DSPA和DSPD接收到的數據位每周期1 024點的數據，DSP需要每8周期一滑窗做32脈沖的MTD，CFAR取8個單元平均選大，則DSP中各功能所占資源如表2所示。

2．2 在脈沖雷達中的應用
    功能：完成對接收的全相參體制的回波信號的中頻采樣信號進行相關處理，其中包括DDC、脈沖壓縮、MTI、MTD處理、CFAR、測角等，最終能夠對動目標進行檢測。
    所用到的拓撲結構：待處理數據通過接插件傳送到FPGA內部，通過FPGA的初步處理，經由FPGA與DSPA、DSPD相連的64位數據總線傳送到兩片DSP內進行進一步的處理。DSPA將處理完的數據經過鏈路口直接傳送到DSPB，DSPD將處理完的數據直接傳送到DSPC。DSPC處理完自身數據并接收DSPB的數據并將數據進行進一步的處理后通過鏈路口傳送到FPGA輸出。如圖4所示為應用所使用的硬件拓撲結構。

    處理流程：FPGA將接收到的和差兩路信號分別進行DDC以及低通濾波，并對結果進行整理，和路信號發(fā)送給DSPA，差路信號發(fā)送給DSPD。在DSPA和DSPD中分別進行和路以及差路信號的脈壓、MTI，其中MTI可以是根據命令選做的。DSPA將處理完的信號傳送給DSPB，DSPD將處理后的數據傳送給DSPC，在DSPB和DSPC中進行和路以及差路信號的MTD、MOD、CFAR，同時DSPC接收DSPB處理后的信號，在DSPC中進行和差比商測角，最后將整理后的結果輸出到FPGA，由FPGA輸出給雷達的其它模塊，如圖5所示。

    資源使用：在FPGA需要完成的功能為兩路信號的DDC、低通濾波，以及與DSP的數據通信。其中在做DDC時為了便于測試在FPGA內部有Mat-lab產生的兩組數據分別作和差兩路數據的內部源數據。與DSP交互部分無論是總線傳輸還是鏈路口傳輸均與連續(xù)波雷達信號處理實現方法一致，在此不再贅述(假設FPGA到DSP傳輸數據為1 024個復數)。則在FPGA中占用的主要資源如表3所示。

    在DSPA和DSPD中以乒乓方式接收FPGA的數據完成數據的定浮轉換，脈沖壓縮和MTI。其中脈沖壓縮采用頻域脈壓的方式，然后對脈壓結果作MTI，采用四脈沖對消。在DSPB和DSPC中要完成數據的MTD，MOD，CFAR，最后在DSPC中實現測角，最終將目標數據結果傳輸給FPGA。這些功能的實現與連續(xù)波雷達實現這些功能方法相同，在此不再贅述。則在DSP中所占用的資源如表4所示。

2．3 幾個重要模塊的速度
    在實時信號處理系統(tǒng)中，系統(tǒng)的速度至關重要，本文所介紹的平臺在各個接口及模塊上均能達到不錯的速率。
    (1)FPGA與DSP總線傳輸速率。
    在本系統(tǒng)中總線傳輸可以采取流水協(xié)議，零等待周期的配置，這樣總線速度可以達到DSP SCLK的速度，在本系統(tǒng)中為50 MHz×64 bit的速率。
    (2)FPGA與DSP鏈路口傳輸速率。
    在本系統(tǒng)中鏈路口采取四位模式，則鏈路口可以配置成150 MHz，300 MHz，400 MHz，600 MHz。經過測試，FPGA與DSP之間的鏈路口速度可以達到400 MHz×4 bit的完美無錯傳輸。
    (3)DSP與DSP鏈路口傳輸速率。
    經過測試，DSP與DSP之間的鏈路口速度可以達到600 MHz×4 bit的無錯傳輸。以上幾個速率為數據傳輸十分重要的幾個接口的速度，通過測試數據可知，系統(tǒng)可以達到較高的，完全可以滿足信號實時性的要求。

3 結束語
    針對當前FPGA+DSP的信號處理平臺現狀，提出一種通用的硬件結構，該結構不僅將兩種處理器的優(yōu)點集于一身，兼顧速度和靈活性而且可以應用在不同雷達信號處理系統(tǒng)中，具有很強的通用性。分別介紹了此平臺在連續(xù)波雷達以及脈沖雷達中的一種應用，并且這些方法已經成功應用于雷達信號處理機中。除了文中列舉的方法外由于本結構硬件連通的靈活性，本結構可以根據需要應用于各種雷達處理系統(tǒng)中。