基于PCI Express總線的R-D算法實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　R-D算法是SAR成像中應(yīng)用最廣的一種算法，因其具有原理直觀、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際中有廣泛的應(yīng)用。R-D算法的基本特點(diǎn)是運(yùn)動補(bǔ)償、參數(shù)估計(jì)比較靈活，距離向處理和方位向處理分開，運(yùn)算既是并發(fā)的、又是流水的，同時(shí)他又具有SAR成像本身的大運(yùn)算量、大存儲量等特點(diǎn)，故R-D SAR信號處理機(jī)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有其自身的特點(diǎn)。本文在分析R-D SAR信號處理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上探討R-D SAR成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)利用當(dāng)前流行的PCI Express總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。

　　1 R-D算法流程及特點(diǎn)

　　距離-多普勒成像雷達(dá)雖然有多種參數(shù)估計(jì)方法，各自的成像算法又有很大的差異，但基本運(yùn)算和算法流程差別不大，如圖1所示。

　　其中，(2)～(6)表示成像處理。在(2)中一般采用dechirp或者匹配濾波的方法。如果采用dechirp方法，要生成一幅8 192×8 192點(diǎn)的圖像，需要在距離向處理中進(jìn)行8 192次8 192點(diǎn)FFT運(yùn)算；而同樣大小的圖像如果采用匹配濾波的方法則需要16 383×8 192點(diǎn)FFT運(yùn)算，這還沒有包括運(yùn)動補(bǔ)償和乘以解調(diào)頻函數(shù)(dechirp方法)或乘以脈壓匹配函數(shù)(匹配濾波方法)中的乘法運(yùn)算。圖中(3)就是專門進(jìn)行距離向處理所必需的參數(shù)估計(jì)、運(yùn)動補(bǔ)償因子計(jì)算以及解調(diào)頻函數(shù)或脈壓匹配函數(shù)的計(jì)算。這個(gè)過程往往需要用到預(yù)處理完成后的部分?jǐn)?shù)據(jù)甚至全部數(shù)據(jù)，有時(shí)還要用到中間結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)甚至全部數(shù)據(jù)。完成距離向處理后，為了在方位向處理時(shí)數(shù)據(jù)能夠在存儲器中按方位向連續(xù)存放以加快存取速度，要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置(4)(這里原始數(shù)據(jù)按距離向連續(xù)存放)。方位向處理與距離向處理類似，但方位壓縮(5)一般采用匹配濾波的方法，因?yàn)榉轿换夭ǖ膸挶容^寬。而這期間也要由(6)來專門估計(jì)方位向參數(shù)，計(jì)算相位校正函數(shù)和方位向脈壓匹配函數(shù)。

　　由此總結(jié)R-D SAR成像雷達(dá)信號處理的特點(diǎn)如下：

　　巨大的存儲量 顯然，僅存一幅8 192×8 192點(diǎn)復(fù)圖像所需要的存儲量約為512 MB，如果乒乓工作，那么處理器的存儲能力需要超過1 GB，顯然應(yīng)該用SDRAM。

　　巨大的運(yùn)算量因距離向和方位向都要進(jìn)行脈沖壓縮，故運(yùn)算量非常大。以8 192×8 192點(diǎn)圖像為例，若兩個(gè)方向都采用匹配濾波方法，一共需要進(jìn)行32 768次8 192點(diǎn)FFT運(yùn)算；若采用基2方法，僅FFT運(yùn)算就需要1 280萬次復(fù)數(shù)乘法，3 432萬次復(fù)數(shù)加法。設(shè)合成孔徑時(shí)間是5 s，則在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內(nèi)算出一幅圖像要求處理器的有效運(yùn)算能力在10億FLOPS以上，因此必須采用多處理器結(jié)構(gòu)。

　　處理的并發(fā)性和流水性 原始數(shù)據(jù)一般是以回波到達(dá)順序進(jìn)入信號處理機(jī)，這樣在距離向處理時(shí)可采用流水方式進(jìn)行，流水線以子孔徑為單位分級。方位向的參數(shù)估計(jì)往往需要整個(gè)孔徑長度的方位回波，所以方位向處理要等到在整個(gè)孔徑上完成距離向處理后才開始并發(fā)執(zhí)行。因此不僅要考慮整體的流水操作，還要考慮距離向處理和方位向處理的差異。 巨大的通信數(shù)據(jù)率 在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和計(jì)算校正函數(shù)以及匹配函數(shù)時(shí)往往要用到數(shù)據(jù)的部分或全部樣本，由于運(yùn)算集中在計(jì)算FFT上，處理器能夠花費(fèi)在參數(shù)估計(jì)上的時(shí)間已非常有限，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間就更少了，這就要求在處理器的各模塊之間有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　2 PCI Express總線技術(shù)

　　2.1 PCI Express總線簡介

　　在基于PCI總線的PC世界或工控領(lǐng)域里，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的不斷提高，PCI和PCI-X的多點(diǎn)并行架構(gòu)的瓶頸越來越突出，而PCI Express架構(gòu)具有更高的性能，可以突破此類瓶頸的限制。PCI Express架構(gòu)采用串行輸入／輸出結(jié)構(gòu)，每條通道在每個(gè)方向上的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.5 Gb／s，最新的PCI Express 2.0的數(shù)據(jù)速率更是高達(dá)5 Gb／s，具有更好的可擴(kuò)展性，可提供更高的帶寬。由于PCI和PCI-X總線采用共享多點(diǎn)并行總線架構(gòu)，所以當(dāng)總線中的插槽和設(shè)備數(shù)量增加時(shí)，有限的總線資源會被多個(gè)設(shè)備共享，于是帶寬就會相應(yīng)的下降。PCI和PCI-X采用平行的、多點(diǎn)下傳的連接架構(gòu)，很容易產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象，此外所有的信號線必須完全等長，否則無法將信號同步傳到另一端，而會產(chǎn)生信號扭曲。這些問題讓PCI的時(shí)鐘頻率難以提升，電壓也難以下降，造成速度提升上的發(fā)展限制。而PCI Express采用序列的、點(diǎn)對點(diǎn)的連接架構(gòu)，收發(fā)數(shù)據(jù)差分傳輸，可以避免信號不同步并且減少干擾。PCIExpress帶寬隨著通道數(shù)的增加而增加，如表1所示。

　　PCI Express是全新第三代I／O串行總線標(biāo)準(zhǔn)，其性能超越了以前的PCI標(biāo)準(zhǔn)。但是PCI、PCI-X與PCI Express仍將在未來的一段時(shí)間內(nèi)共存。PCI Express可提供專用的、高性能的、可擴(kuò)展的帶寬總線和卓越的以太網(wǎng)性能，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了PCI和PCI-X的共享多點(diǎn)架構(gòu)。從軟件上看，采用PCI-Express架構(gòu)可以兼容所有為PCI設(shè)備編寫的軟件。

　　在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要突破帶寬的限制，PCIExpress總線是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在PCI Express點(diǎn)到點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)專用連接而不必共享帶寬。一種典型的通過PCI Express互連的信號處理架構(gòu)就是每個(gè)設(shè)備都與一個(gè)系統(tǒng)控制模塊相連。值得注意的足，系統(tǒng)控制模塊必須具備對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的能力。

　　2.2 支持PCI Express總線的MicroTCA機(jī)箱

　　在工控機(jī)箱領(lǐng)域，MicroTCA充分采納和沿用了AT-CA的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，把ATCA的AMC模塊(Advanced Mez-zanine Card)作為系統(tǒng)的基本配置單元，具有更小的體積、更緊湊的結(jié)構(gòu)和相對較低的系統(tǒng)成本，所以采用MicroT-CA架構(gòu)的機(jī)箱是一個(gè)好的選擇。

　　MicroTCA是一個(gè)完全模塊化的系統(tǒng)平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機(jī)箱和風(fēng)扇等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　AMC是MicroTCA的基本功能模塊，他有6種標(biāo)準(zhǔn)尺寸，這里采用148.8 mm*13.88 mm*181.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)。用AMC可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)I／O功能。與CPCI系統(tǒng)的PMC模塊相比，AMC在結(jié)構(gòu)、功能、性能、互連方式和擴(kuò)展能力等方面都有很大優(yōu)勢。MCH(MicroTCA Controller & Hub)是MicroTCA的系統(tǒng)控制、管理和數(shù)據(jù)交換模塊。每個(gè)MCH可以對12個(gè)AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個(gè)系統(tǒng)最多可有4個(gè)MCH通過更新通道互連實(shí)現(xiàn)多達(dá)48個(gè)AMC的數(shù)據(jù)交換和管理。每個(gè)AMC最多有21個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個(gè)MCH最多有60個(gè)可配置的高速數(shù)據(jù)接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

　　MicroTCA擁有標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊、可配置的業(yè)務(wù)類型、可擴(kuò)展的背板傳輸帶寬、緊湊的物理結(jié)構(gòu)、靈活的應(yīng)用方式、梯級化的可靠性設(shè)計(jì)、較低的開發(fā)和應(yīng)用成本、較少的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間、更長的產(chǎn)品生命周期?；谶@些先進(jìn)特性，MicroTCA必將得到廣泛的應(yīng)用。

　　綜合上述優(yōu)點(diǎn)，我們采用具有MicroTCA架構(gòu)的提供標(biāo)準(zhǔn)PCI Express總線的工控機(jī)。ELMA公司的MicroTCA 7U系統(tǒng)平臺符合PICMG規(guī)范，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽，支持單寬、雙寬，半高、全高的AMC模塊，采用風(fēng)冷的冷卻方式，具有高級的EMC屏蔽和靈活的組合方式，是我們雷達(dá)成像處理系統(tǒng)所需標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。機(jī)箱的底板采用ELMA公司的14槽MicroTCA背板，他符合MicroTCA.0 R1.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有12個(gè)AMC模塊、1個(gè)電源模塊、1個(gè)MCH模塊，單槽數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)40 Gb／s，具有高速串行連接器，支持6.25 Gb／s的傳輸率，此外還有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)管理接口。底板的主要功能是給采集／存儲板卡及信號處理板卡提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽，給板卡供電的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與板卡間的通信以及板卡間的相互通信。