基于PCI Express總線的R-D算法實時成像系統(tǒng)設計

　　R-D算法是SAR成像中應用最廣的一種算法，因其具有原理直觀、實現(xiàn)方便等優(yōu)點在實際中有廣泛的應用。R-D算法的基本特點是運動補償、參數(shù)估計比較靈活，距離向處理和方位向處理分開，運算既是并發(fā)的、又是流水的，同時他又具有SAR成像本身的大運算量、大存儲量等特點，故R-D SAR信號處理機在系統(tǒng)結構上有其自身的特點。本文在分析R-D SAR信號處理特點的基礎上探討R-D SAR成像系統(tǒng)的設計，整個系統(tǒng)利用當前流行的PCI Express總線進行數(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

　　距離-多普勒成像雷達雖然有多種參數(shù)估計方法，各自的成像算法又有很大的差異，但基本運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點的圖像，需要在距離向處理中進行8 192次8 192點FFT運算；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FFT運算，這還沒有包括運動補償和乘以解調(diào)頻函數(shù)(dechirp方法)或乘以脈壓匹配函數(shù)(匹配濾波方法)中的乘法運算。圖中(3)就是專門進行距離向處理所必需的參數(shù)估計、運動補償因子計算以及解調(diào)頻函數(shù)或脈壓匹配函數(shù)的計算。這個過程往往需要用到預處理完成后的部分數(shù)據(jù)甚至全部數(shù)據(jù)，有時還要用到中間結果的部分數(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，因為方位回波的帶寬比較寬。而這期間也要由(6)來專門估計方位向參數(shù)，計算相位校正函數(shù)和方位向脈壓匹配函數(shù)。

　　由此總結R-D SAR成像雷達信號處理的特點如下：

　　巨大的存儲量 顯然，僅存一幅8 192×8 192點復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，顯然應該用SDRAM。

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

　　處理的并發(fā)性和流水性 原始數(shù)據(jù)一般是以回波到達順序進入信號處理機，這樣在距離向處理時可采用流水方式進行，流水線以子孔徑為單位分級。方位向的參數(shù)估計往往需要整個孔徑長度的方位回波，所以方位向處理要等到在整個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 在進行參數(shù)估計和計算校正函數(shù)以及匹配函數(shù)時往往要用到數(shù)據(jù)的部分或全部樣本，由于運算集中在計算FFT上，處理器能夠花費在參數(shù)估計上的時間已非常有限，讀取數(shù)據(jù)的時間就更少了，這就要求在處理器的各模塊之間有良好的拓撲結構和很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　2 PCI Express總線技術

　　2.1 PCI Express總線簡介

　　在基于PCI總線的PC世界或工控領域里，隨著網(wǎng)絡流量的不斷提高，PCI和PCI-X的多點并行架構的瓶頸越來越突出，而PCI Express架構具有更高的性能，可以突破此類瓶頸的限制。PCI Express架構采用串行輸入／輸出結構，每條通道在每個方向上的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)速率高達2.5 Gb／s，最新的PCI Express 2.0的數(shù)據(jù)速率更是高達5 Gb／s，具有更好的可擴展性，可提供更高的帶寬。由于PCI和PCI-X總線采用共享多點并行總線架構，所以當總線中的插槽和設備數(shù)量增加時，有限的總線資源會被多個設備共享，于是帶寬就會相應的下降。PCI和PCI-X采用平行的、多點下傳的連接架構，很容易產(chǎn)生串擾現(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、點對點的連接架構，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串行總線標準，其性能超越了以前的PCI標準。但是PCI、PCI-X與PCI Express仍將在未來的一段時間內(nèi)共存。PCI Express可提供專用的、高性能的、可擴展的帶寬總線和卓越的以太網(wǎng)性能，其功能遠遠超越了PCI和PCI-X的共享多點架構。從軟件上看，采用PCI-Express架構可以兼容所有為PCI設備編寫的軟件。

　　在雷達信號處理系統(tǒng)設計中，要突破帶寬的限制，PCIExpress總線是一個不錯的選擇。在PCI Express點到點的結構中，每個設備都有一個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就是每個設備都與一個系統(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)進行交換的能力。

　　2.2 支持PCI Express總線的MicroTCA機箱

　　在工控機箱領域，MicroTCA充分采納和沿用了AT-CA的各項優(yōu)點，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、更緊湊的結構和相對較低的系統(tǒng)成本，所以采用MicroT-CA架構的機箱是一個好的選擇。

　　MicroTCA是一個完全模塊化的系統(tǒng)平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機箱和風扇等，其結構如圖2所示。

　　AMC是MicroTCA的基本功能模塊，他有6種標準尺寸，這里采用148.8 mm*13.88 mm*181.5 mm的標準。用AMC可以實現(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在結構、功能、性能、互連方式和擴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MCH可以對12個AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個系統(tǒng)最多可有4個MCH通過更新通道互連實現(xiàn)多達48個AMC的數(shù)據(jù)交換和管理。每個AMC最多有21個可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個MCH最多有60個可配置的高速數(shù)據(jù)接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

　　MicroTCA擁有標準化的功能模塊、可配置的業(yè)務類型、可擴展的背板傳輸帶寬、緊湊的物理結構、靈活的應用方式、梯級化的可靠性設計、較低的開發(fā)和應用成本、較少的產(chǎn)品開發(fā)時間、更長的產(chǎn)品生命周期?；谶@些先進特性，MicroTCA必將得到廣泛的應用。

　　綜合上述優(yōu)點，我們采用具有MicroTCA架構的提供標準PCI Express總線的工控機。ELMA公司的MicroTCA 7U系統(tǒng)平臺符合PICMG規(guī)范，提供標準的PCI Express插槽，支持單寬、雙寬，半高、全高的AMC模塊，采用風冷的冷卻方式，具有高級的EMC屏蔽和靈活的組合方式，是我們雷達成像處理系統(tǒng)所需標準機箱的一個不錯的選擇。機箱的底板采用ELMA公司的14槽MicroTCA背板，他符合MicroTCA.0 R1.0標準規(guī)范，具有12個AMC模塊、1個電源模塊、1個MCH模塊，單槽數(shù)據(jù)帶寬可達40 Gb／s，具有高速串行連接器，支持6.25 Gb／s的傳輸率，此外還有標準的系統(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準的PCI Express插槽，給板卡供電的同時可以實現(xiàn)主機與板卡間的通信以及板卡間的相互通信。