（信息与通信工程专业论文）机载sar系统通信控制卡设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 采用合成孔径雷达( s a r ) 可获得远距离高分辨率的雷达图像，并具有全天时、 全天候的特性，可以大大提高雷达的信息获取能力，已经在地球遥感、海洋研究、 资源勘测及军事侦察等方面得到广泛应用 i 】【2 】。为满足机载合成孔径雷达实时成像中 图像实时下传，系统运动补偿和实时控制的要求，本文重点研究了机载s a r 实时成 像系统中通信控制卡的设计与实现，为图像数据传输和系统控制构建了高性能的、 高可靠性的信息处理平台。 机载s a r 图像具有数据量大，数据率高的特点，成像结果直接传输给遥测系统 会给数据下传造成很大的压力，通信控制卡需将图像数据进行压缩后再传输以大大 减小下传的数据量，这对通信控制卡的实时信号处理能力提出了很高的要求。此外， 机载s a r 系统在实时成像过程中需要进行运动补偿，各种运动参数测量设备以及雷 达系统的设备都采用串口进行数据传输，给通信控制卡带来了很大的通信压力，需 要解决这一通信瓶颈问题。 本文主要针对以上两个问题研究了通信控制卡的设计实现。首先，为提高通信 控制卡的实时处理能力，采用了a d i 公司的高性能d s p 芯片a d s pt s 2 0 1 s 来实现 高速信号处理，并以两片d s p 组成分布式并行系统的方式进一步提高板卡的性能； 其次，为解决多低速串口与板卡高速处理器的数据通信瓶颈问题，选择专用串口芯 片s c l 6 c 5 5 4 ，基于f i f o 工作模式有效地实现了高速d s p 与多路低速串口的高效 率数据通信；此外，基于c p c i 总线设计了多d s p 的通信控制卡，开发了板卡的驱 动程序，研究了板卡热插拔功能的设计实现，提出了一种c p c i 板卡电源管理的方 法；最后实现了机载s a r 系统通信控制卡，并对电路的各部分功能进行了调试和测 试，验证了该设计的有效性。 主题词：机载s a r 系统d s p 多串口通信c p c i热插拔 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t s a ri sak i n do f i m a g i n gr a d a r ，w h i c hc a na c q u i r eh i g hr e s o l u t i o ni nb o t hr a n g ea n d a z i m u t hd i r e c t i o n i tc a ng r e a t l ye n h a n c et h ea b i l i t yo fi n f o r m a t i o na c q u i r e m e n tf o ri t sa l l t i m ea n da l lw e a t h e rc h a r a c t e r ，s oi ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so f g l o b a lr e m o t es e n s i n g o c e a nr e s e a r c ha n dr e s o u r c ee x p l o r a t i o n t om e e tt h en e e d so fi m a g ed a t a sr e a l t i m e t r a n s f e r , a n dr e a l t i m ec o n t r o l ，ac o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc a r di si n t r o d u c e di n t h i s d i s s e r t a t i o n , w h i c hb u i l da1 1 i 曲p e r f o r m a n c ea n dh i 曲r e l i a b i l i t yp l a t f o r mf o ri m a g ed a t a t r a n s f o r ma n ds y s t e mc o n t r 0 1 a i r b o r n es a ri m a g ed a t a ，w i t ht h ec h a r a c t e ro fl a r g ec a p a c i t ya n dh i g hd a t ar a t e ， w h e ni ti st r a n s m i t t e dd i r e c t l yt ot h et e l e m e t r ys y s t e m , w i l lb r i n gg r e a tp r e s s u r et ot h e t r a n s m i s s i o nc h a n n e l a f t e rt h ec o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc a r dc o m p r e s s e st h ei m a g e d a t h ed a t ac a p a c i t yw i l lr e d u c ei nl a r g es c a l e ，b u ti t r e q u i r e sh i 曲p e r f o r m a n c e p r o c e s s o ri nt h es y s t e mt op r o c e s si m a g ed a t a b e s i d e s ，o nt h ep r o c e s so fi m a g i n g ，m o t i o n c o m p e n s a t i o ni sn e e d e d b u ta l ls o r t so fp a r a m e t e rm e a s u r e m e n td e v i c e sa n dr a d a rs y s t e m d e v i c e st r a n s m i td a t ab ys e r i a lp o r t ，w h i c hw i l lb r i n gb i g p r e s s u r et ot h ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 砜sd i s s e r t a t i o ni s m a i n l yr e l a t e dt ot h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lc a r d f i r s t l y ，a d ic o m p a n y sh i 曲p e r f o r m a n c ed s pa d s p t s 2 01si su s e di nt h ed e s i g nt oi m p r o v et h e s y s t e m sp r o c e s s i n gp e r f o r r n e n c e t w o d s p sw h i c hf o r map a r a l l e ls y s t e ma r eu s e dt om a k et h es y s t e mf a s t e r s e c o n d l y , t o s o l v et h ep r o b l e mo ft h ec o m m u n i c a t i o nb o t t l e n e c kb e t w e e nl o w - s p e e du a r ta n dh i g h s p e e dp r o c e s s o r s ，s c16 c 5 5 4i su s e di nt h ed e s i g na n di t sf i f oo p e r a t i o nm o d es u p p o r t ag o o dw a yt os o l v et h i sp r o b l e m b e s i d e s ，t h ec a r d sd r i v e ra n dh o ts w a pf u n c t i o ni s d e v e l o p e dm t h i se s s a y ，ap o w e rm a n a g e m e n tw a yi sb r i n gf o r w a r di nt h ee n do ft h e e s s a y a f t e rt e s t i n ga n dd e b u g g i n gt h ew h o l es y s t e m ，t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e c a r di se 伍c i e n ta n dr e l i a b l e k e y w o r d s ：a i r b o r n es a r s y s t e m ，d s p ，m u l t i p l ep o r t s s e r i a ld a t a t r a n s m i s s i o n ，c p c i ，h o ts w a p 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 图3 图3 图3 图目录 机载s a r 实时成像处理机结构图6 通信控制卡外围接口9 l y d s 信号传输过程1 2 小波提升模型2 0 a d s pt s 2 0 1 s 内部结构框图2 4 两种多d s p 并行结构图2 5 分布式双d s p 并行系统电路框图2 6 a d s pt s 2 0 1 s 与f l a s h 接口电路。2 7 v i s u a ld s p + + 4 5 中的f l a s h 加载界面3 l f l a s h 程序烧写界面31 a d s pt s 2 0 1s 与s d r a m 的接口电路3 3 图3 1 0a d s pt s 2 0 1 s 链路口连接电路3 4 图3 1 1 链路口接收控制寄存器位定义3 5 图3 1 2a d s pt s 2 0 1 s 复位电路图3 6 图4 1 s c l 6 c 5 5 4 内部结构框图3 9 图4 2串口时钟电路的两种模式4 0 图4 3四路串行接口电路图4 1 图4 4 中断丢失的情况4 2 图4 5 中断没有丢失的情况4 2 图4 6 ( a )多串口接收数据主程序流程4 3 图4 6 ( b )中断服务程序流程4 4 图5 1p c i 9 6 5 6 结构框图4 7 图5 2 直接主模式下读写时序图4 9 图5 3 直接从模式下读写时序图4 9 图5 4d m a 模式下数据传输时序图5 0 图5 5d s p 与p c i 9 6 5 6 的接口连接电路5 0 图5 6 系统检测到新的p c i 设备视图5 5 图5 7 主机硬件设备信息5 5 图5 8 i n f 文件产生5 6 图5 9 板卡设备资源5 6 图5 1 0 安装驱动程序后设备管理器界面5 7 图5 1l 热插拔过程5 8 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1 2 热插拔原理图5 9 图5 13 放电条设计6 1 图6 1 基于c p c i 总线的双d s p 通信控制卡原理框图6 6 图6 2 通信控制卡实物图6 7 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 表2 1 表2 2 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表4 1 表5 1 表5 2 表6 1 表目录 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 电气参数比较1 6 各种总线性能比较1 8 目前主流d s p 及p o w e r p c 技术性能比较2 2 6 0 0 m h z 运行时通用算法性能( a d s pt s 2 0 1s ) 2 3 s s t3 9 v f 0 4 0 的控制命令序列表3 0 a d s pt s 2 0 1 s 差分链路口引脚定义3 4 s c l 6 c 5 5 4 部分引脚描述3 8 p c i 9 6 5 6 与p c i 9 0 5 4 、p c i 9 0 5 6 特性的对比4 8 a d s pt s 2 0 1 s 电源电压范围6 3 串口性能测试结果7 0 第1 i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题日：，空喊塑垦歪缝亟篷建鱼主i 垒生复塞遛 一 学位论文作者鳓： 曼盔曼堑一 日期一山。年，1 月7 妒日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目一垫氩篮垒歪燧幽主麴量亟迪 学位论文作者签名： 丢垒3 鏖军日期：a 形年，j 月，日 作者指导教师签名：= 凄毫玺l 日期：加衫年j f 月尹日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r 简称s a r ) 是一种主动式的对地观测系 统，可安装在飞机、卫星、宇宙飞船等飞行平台上，全天时、全天候对地实施观测， 并具有定的地表穿透能力。它以合成孔径原理和脉冲压缩技术为理论基础，以高 速数字处理为实现手段，通过雷达发射机向成像目标发射脉冲信号，由雷达接收机 接收地物目标反射的回波；再通过对雷达回波信号的数字信号处理，形成高分辨率 的雷达图像。 合成孔径雷达利用目标雷达相对运动形成的轨迹来构成一个合成孔径以取 代庞大的阵列实孔径，而能保持优异的角分辨力，且从潜在意义上说，其方位分辨 力与波长和斜距无关，是雷达成像技术的一个飞跃，因而具有巨大的吸引力。特别 是对于军事应用来说，合成孔径雷达的优势更为显著。因此，合成孔径雷达一直是 雷达成像技术的主流方向例。 1 1 机载s a r 实时信号处理系统的研究现状 s a r 根据运动载体的不同，分为星载s a r 和机载s a r ，星载s a r 比较稳定， 适合长期，大面积成像。相对于星载平台来说，机载s a r 具有更好的机动性、更强 的针对性以及更高的分辨率等优点，然而机载平台相对于星载平台最大的优点是实 时性强，基于机载平台的s a r 系统可以实时监控战场环境、对战场进行实时成像等， 具有重要的军事价值。 美国n a s m p l 实验室于t 9 8 8 年研制的a 瓜s a r ，功能齐全，有p ，l ，c 三 个波段。具有全极化能力，能同时产生1 2 个数据通道的分辨率为1 0 x 1 0 米的s a r 图像。美国密执安环境研究所的p 3 s a r 系统工作在x ，c ，l 三个波段，全极化。 在带宽为1 2 0 m h z 的情况下，测绘带宽4 9 公里，分辨率为1 2 x 2 1 米。 德国宇航局于8 0 年代中期开发机载合成孔径雷达，并于1 9 8 8 年和1 9 8 9 年先后 研制成功线性极化c 波段和x 波段s a p , 系统，1 9 9 0 年又扩展到l 波段。该雷达系 统具有全极化方式，分辨率为2 4 x 4 米，测绘带宽为4 公里。 丹麦于1 9 8 9 年研制成功c 波段机载合成孔径雷达，该系统具有灵活的性能指 标，其分辨率、测绘带宽、和成像几何布局均可调节。测绘带宽分别为1 2 ，2 4 ，4 8 公里，距离向和方位分辨率分别为2 ，4 ，8 米，最大作用距离为8 0 公里，该系统的 性能指标接近于美国的j - s t a r s 。 美国s a n d i a 国家实验室和通用原子公司联合研制的l y n xs a r 系统，工作于条 带模式时，作用距离可达8 7 公里，斜视角达4 5 度，分辨率可达o 3 米，工作于聚 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 束模式时，分辨率可达0 1 米，现已开始装备1 - g a n t 无人机。 德国d l r 公司成功研制的机载s a r 实时处理系统e s a r ，可工作在l 、c 、x 波段，最高方位分辨率3 米。德国a e r o s e n s i n g 机载s a r 系统具有o 3 米的分辨率， 其三维干涉具有1 0 c m 的测高精度。在2 0 0 m h z 线性调频时的分辨率为0 7 5 米， 8 0 0 m h z 频域跳频时的分辨率为0 1 7 米。 以色列飞机制造公司下属的艾尔塔电子分公司研制的e l m 2 0 6 0 是一种战术性 能优越的新型合成孔径雷达，目前已装备以空军的f 1 6 战斗机。其条带模式分辨率 为3 米，在聚束模式下_ 分辨率为l 米。轻型s a r 系统e u m 2 0 5 5 用于装备“鹰 式无人机1 4 1 。 国内中科院电子所是国内最早开始从事机载合成孔径雷达研究的单位，首先于 1 9 7 9 年研制成功了第一部单极化x s a r ，于1 9 8 0 年研制成功了其改进型的s a r 系 统，并于1 9 8 3 年首次获得了连续大面积成像。自8 0 年代中期以后，国内的一些高 校如西电、成电、北航、南航、南理和哈工大等，以及中国电子科技集团下属的1 4 所、3 8 所和航天工业集团下属的6 0 7 所、2 3 所等也相继开展了s a r 系统的研究工 作，取得了一些可喜的进展。 机载s a r 系统要做到实时成像，并将图像传输给地面系统，以达到实时监控的 目的，必须解决几个方面的问题。 首先，对接收的雷达回波数据进行处理，实时成像。实时成像的技术难点主要 是回波数据的数据量大，雷达成像算法复杂，数据吞吐量大，对处理器的要求很高。 其次，将图像数据实时地传输给地面系统。这一过程的技术难点主要是：完成 成像后的图像数据量依然很大，而图像数据要通过速度较慢的同步串口下传，很难 做到实时传输，因此必须将图像数据进行压缩处理之后再下传。同样数据压缩也面 临数据量大，运算复杂，数据吞吐量大等问题，对处理器性能的要求也很高。 再次，由于成像复杂度的原因，按照当前的技术，机载s a r 成像不可能实现在 一块处理板内完成所有的工作，因此就涉及到大量成像数据在板间传输的问题。采 用合理的传输方式来实现图像数据的板间传输，并达到高速、高可靠性的要求，是 实现板间大容量数据高速通信的关键。 第四，实时控制。机载s a r 成像过程中需要实时运动补偿，因此通信控制卡需 要接收各种运动和姿态参数，以进行运动补偿。这一过程的技术难点主要是：各种 运动参数测量设备( 主要是导航设备) 以及其他雷达系统的设备( 包括飞控机、稳定平 台和雷达信号源等) 都采用串口方式进行数据传输，而且串口众多，给通信控制卡带 来了很大的通信压力，需要解决这一通信瓶颈问题。 针对以上几个问题及其技术难点，国内外已经进行了一定的研究，下面主要介 绍国内外的一些研究现状。 笫2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 实时成像 实时成像的关键是提高系统处理器的处理能力。当前，d s p 技术发展迅速，单 片d s p 的主频已经突破1 g h z ，a d i ，t i 公司的高端d s p 产品层出不穷。a d i 公司 的t i g e r s h a r c 系列、b l a c h f i n e 系列，t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ，t m s 3 2 0 c 8 0 0 0 以及o m a p 系列，都有很高的主频，通过片内倍频等其它技术，使得其运算速度可 以达到上亿m i p s 。同时芯片内部结构上采用哈佛、超级哈佛结构、v l i w 甚长指令 字等多种并行处理技术，通过d s p 片内并行、片间并行，提高其性能指标。 d s p 技术已经广泛应用于雷达成像系统，大大提高了雷达系统的处理能力。目 前，国内外有很多厂商和研究机构研制了各种类型的基于标准总线的多d s p 并行处 理模板。如s p e c t r u ms i g n a lp r o c e s s i n g 公司生产的单板运算能力达9 6 0 m f l o p s 的 c v 8o c t a l 处理器板，该板配置了8 片t ic 4 x ，d s p 之间通过p c i 总线( 次级总线) 连接；另外还有运算能力达7 2 0 0 m f l o p s 的m o d e n a - v m e 处理器板，该板配置1 2 片a d s p 2 11 6 0s h a r c ，每四片d s p 共享p c i 6 4 总线，然后通过v m e 6 4 到p c i 6 4 桥接芯片连到v m e 总线上；b i t t w a r e 公司生产的t i g e r - 6 u c p c i 持续运算能力可以 达到1 2 g f l o p s ，i o 传输带宽达到5 g b s ，8 片a d i 公司生产的t i g e rs h a r cd s p ( 核 时钟，频率为2 5 0 m h z ) 通过6 4 位6 6 m h z 的c p c i 总线连接，板上集成了1 g b 的 s d r a m ，板卡可以插入工业控制机箱中，组成大规模的并行处理系统。在国内， 也有不少公司、研究机构及院校开发了此类并行处理模板，如镭航世纪有限公司开 发的l h c t s 2 8 n x 2 0 1d s p 处理板采用8 片a d i 公司的a d s pt s 2 0 1s 处理器，可 提供2 8 8 g 的f l o p s 峰值处理能力，板上集成了2 g b 的s d r a m ，支持板间高达 1 2 g b s 的l v d s 数据通信能力；中科院研究所研制的基于v m e 总线的s h a r c 阵 列处理机；哈尔滨工程大学研制的四片c 4 0 的v m e 处理机等等。 图像压缩 虽然s a r 图像数据压缩的运算量和复杂度相比s a r 实时成像要小，但是为保 证整个系统的实时性，不在图像压缩上浪费系统时间，也必须考虑压缩速率的问题， 因此完成图像压缩也需要采用高性能的处理器。 机载s a r 成像数据压缩同样也需要高性能的处理器。目前，在这方面中国科学 院电子学研究所采用了a d i 公司的t i g e r s h a r c 处理器t s l 0 1 实现；天津大学的李 晓彤研究了基于a d i 公司a d s p2 1 8 9 m 处理器的静态图像处理系统的设计与实现； 西南交大的于巍波的论文“基于d s p 图像压缩系统的硬件设计与实现 研究了采用 t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 芯片为系统处理器进行图像压缩；电子科技大学的 祁艳杰基于t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 研究了图像的压缩和增强技术；重庆大 学的王永恒研究了基于t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 2 1 1d s p 芯片实现红外图像的实时压 缩；此外还有电子科技大学的何凡佳研究了基于f p g a 的图像压缩卡的设计。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图像数据的板间通信 在数掘的通信能力方面，当前高速数据通信的技术主要有u s b 、i e e e l 3 9 4 、 l v d s 以及光纤通信等技术。u s b 可以达到1 2 m b s ( 与一个标准的串行端口相比， 大约快出1 0 0 倍，与一个标准的并行端口相比，也快出近1 0 倍) ，i e e e l 3 9 4 的传输 速率更快，最高可以达到3 6 0 4 0 0 m b s 。l v d s 传输支持速率一般在1 5 5 m b s 以上， 最大速率可达6 5 5 m b s ，理论极限速率为1 9 2 3 g b s 。 实时控制 机载s a r 系统包括信号处理机、飞控系统、稳定平台、雷达信号源以及导航系 统等部分，几个部分有机结合，协同工作的。信号处理机为系统的核心，它必须接 收导航数据，并根据导航数据实时调整天线的方位角及俯仰角、雷达信号源参数等， 实现实时控制。 实现实时控制需要解决两个方面的问题：数据处理和数据通信。数据处理部分 的任务主要是对导航数据的处理，这部分处理的数据量和运算量都较小，采用一般 的处理器就可以处理过来。 其次就是数据通信的问题，实时控制中数据通信的数据量不大，传输速率不高， 但是接口众多。在机载s a r 系统中，常用的实时控制接口主要包括r s 2 3 2 、r s 4 2 2 接口、a r i n c 4 2 9 接口和m i l s t d 1 5 5 3 b 接口等。由于系统中导航设备、飞控机、 稳定平台和信号源的外接接口均为r s 4 2 2 串口，因此受系统限制，本设计通信控制 卡的接口均采用r s 4 2 2 串行接口的形式。针对多串口的实现方式，目前主要有两种 实现方式：即专用接口芯片实现和可编程逻辑器件实现。国防科学技术大学的夏辉 在论文“基于d s p 导航计算机硬件设计中采用了e x a r 公司的s t l 6 c 6 5 4 d 扩展 四路串口方法；西安电子科技大学的米月琴在论文“t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 串口扩展中 研究了采用t l l 6 c 5 5 4 a 扩展多路串口的方法；北京交通大学曹豪英的论文“基于 r s - 4 8 5 串行通信标准的数控系统运动控制器的设计”研究设计了在f p g a 内部集成 串口控制器的方法实现串行通信；合肥工业大学的马友花在论文“串行通信接口i p 软核设计与验证技术的研究”中研究了一种在可编程逻辑器件内开发串口通信i p 核 的串行通信实现方法。 通信控制卡主要针对解决后三个问题而设计，为完成s a r 图像数据的实时压 缩，板卡采用a d i 公司的新一代高性能d s p 芯片a d s pt s 2 0 1 s 实现；采用l v d s 技术进行板间传输，解决了大容量图像数据的板间高速通信的问题；针对多串口通 信问题，采用专门的串行接口芯片实现，较好解决了通信瓶颈问题。 1 2 论文组织结构 论文以机载s a r 实时成像系统为背景，研究了一种基于c p c i 总线和 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 t i g e r s h a r cd s p 的通信控制卡的设计实现。文章主要包含以下章节。 第一章：介绍了国内外机载s a r 实时成像系统的研究背景和研究现状，指出了 实时成像的几个技术难点，并分析了在当前对这几个技术研究的现状。 第二章：提出了机载s a r 实时成像处理机的整体结构，阐述了各个部分的功能， 根据系统要求分析了通信控制卡的设计任务，重点研究了为完成任务所采取的各种 技术手段。 第三章：主要研究数字信号处理模块的设计，包括d s p 选型以及并行结构的选 择，外部存储器设计、上电加载过程、链路口设计、复位电路设计等。 第四章：通过对几种串口扩展实现方法的比较，选择采用专用串口芯片实现四 路串行通信的方案，给出了串行接口电路并编程实现了串行通信过程。 第五章：主要完成了c p c i 模块设计，首先给出了接口模块的设计电路，其次 介绍了几种设备驱动程序开发方法并采用w i n d r i v e r 开发了系统的驱动程序，最后 设计了板卡的热插拔功能。 第六章：本章为板卡的硬件实现和测试结果分析。提出了板卡的整体结构，完 成了板卡的p c b 设计，最后对板卡进行了测试，重点给出链路口通信和多串口通信 的测试性能。 最后，总结了我所作的工作，指出其中不足和需要改进的地方以及对今后工作 的展望。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章通信控制卡的工作原理和技术思路 2 1 机载s a r 实时成像处理机概述 随着合成孔径雷达技术的快速发展，s a r 已经成功应用与机载、星载平台。机 载s a r 的理论早于星载s a r ，但机载s a r 的成功却比星载s a r 迟。机载平台比 星载平台具有更大的扰动，实现比较困难。但与星载s a r 相比，具有更大的机动性、 更强针对性和更高的分辨率，而且机载s a r 成像处理的数据量比星载s a r 小，可 做到实时成像，因此在军事应用上受到高度重视。 机载s a r 实时成像系统在飞机飞行的过程中，可以实时获得高分辨率的s a r 图像，对于实时监测、战场侦查和武器制导等非常重要。整个机载s a r 系统包含几 个分系统，它们分别是：发射机、接收机、实时成像处理机、天线、雷达信号源等。 论文所研究的通信控制卡为实时成像处理机的一部分，图2 1 是机载s a r 实时成像 处理机结构图。 图像f 传 图2 a 机载s a r 实时成像处理机结构图 图中各个组成部分及其功能如下： a 仍板 a d 板的功能是将模拟的回波信号进行模数转换并进行量化，将雷达接收机输 出的模拟回波信号转换成数字信号。a d 板内有缓存f i f o ，将每次采样的数据先存 储起来，等存储的数据量达到后续处理一次的所需数据量时，将其一并传输给处理 板进行处理。 a d 板是实时成像系统的最前端，它的性能是十分关键的，因为它是整个实时 成像系统的信号输入接口，其输入信号的质量将直接影响成像质量。 处理板l 处理板l 的主要功能是进行距离向的处理，由于需要处理的数据量大，实时性 要求很高，因此在处理板内集成多片d s p 芯片进行距离向处理。其中一片d s p 专 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 门进行距离向预处理，其余d s p 进行三次相位滤波、非线性c s 操作、距离压缩等 等。 转置卡 在完成距离向处理之后，数据将会按照距离向进行排列，加入转置卡将数据进 行转置，于是，经过转置卡后的数据将按照方位向进行排列，便于处理板2 的方位 向处理。如果没有转置卡的存在，实时成像系统原则上可以正确成像，但是处理板 2 在进行方位向处理时，需要对已经完成距离向处理的数据进行跳跃取数，这种读 取数据的方式将在很大程度上影响方位向的处理速度，因此也会影响整个成像过程 的实时性。 处理板2 处理板2 的主要功能是进行方位向处理，同处理板l 一样，在板上集成了多片 d s p 以提高运算速度。其中一片d s p 进行最后的图像合成的工作，其余d s p 均进 行方位向的处理。 通信控制卡 通信控制卡的主要功能是对已经成像完成的图像数据进行压缩并将其下传到地 面系统。同时，通信控制卡还必须接收导航数据，进行实时运动补偿等信号处理工 作，此外，通信控制卡还与飞控计算机、稳定平台通信，并完成对信号源的模式控 制。 本文主要介绍通信控制卡的设计实现。通信控制卡的主要工作是数据压缩、实 时通信控制和实时运动补偿。 首先，在数据压缩方面，处理板2 完成方位向处理之后，成像过程已经结束， 但是生成图像的数据量相当大，如果不经过压缩直接传输给地面系统，那么传输一 幅图像的时间是相当长的，这样势必会影响整个成像系统的实时性。 其次，在实时通信控制和实时运补方面，通信控制卡发挥着举足轻重的作用。 通信控制卡上包含与导航设备、飞控机、稳定平台、雷达信号源的接口，是整个机 载s a r 成像系统的控制枢纽。它接收并处理导航数据，将其传输至飞控机、稳定平 台、信号源，各部分根据导航数据来调整自身的工作状态。同时通信控制板需要根 据导航数据进行实时运动补偿。 2 2 通信控制卡任务分析 机载s a r 实时成像系统信号处理机包括数据采集、数据处理、数据通信等众多 部分，而通信控制卡是整个机载s a r 系统的通信控制枢纽并负责图像数据的压缩处 理。如上节所作分析，它在整个系统中的任务主要包括以下几个方面： 首先，通信控制卡将信号处理板处理完的图像数据进行压缩后下传。事实上， 第7 页 国防科学技术大学石j f 究生院硕十学何论文 无论是机载( 包括无人机系统) 还是星载s a r 系统，都会产生大量的遥感数据，在进 行成像后，图像数据量依然很大。如一幅场景大小为4 k i n 4 k r n ，l m 分辨率的s a r 图像数据量约为6 4 m b ，若利用1 9 2 m b p s 的速率传输，约需4 4 4 分钟，根本不能 满足实时性的要求，因此进行图像数据的压缩是很必要的。而进行大容量图像数据 压缩，就需要采用高性能的d s p 芯片。 由机载s a r 实时成像系统信号处理机的结构可知，成像过程是由多块板卡协同 完成的，因此，过程中涉及到大容量图像数据在板卡间的传输。板卡间的数据通信 采用l v d s 技术，这种技术传输速率很高，噪声和功耗较低。a d i 公司的t i g e r s h a r c d s p 的链路口通信采用的是l v d s 技术，以t s 2 0 1 s 为例，当d s p 核时钟工作在6 0 0 m 时，单个链路口的双向吞吐率可达1 2 g b s ，能够实现大容量图像数据的高速传输。 其次，机载s a r 成像平台由于飞行姿态不理想，会引起图像的主瓣展宽，旁瓣 升高等现象，为了消除绝大部分机载运动误差对成像的影响，需要利用导航数据进 行运动补偿，而接收导航数据所采用的接口为r s 4 2 2 串口。 通信控制卡完成整个机载s a r 系统实时监测和实时控制的功能，因此除了与导 航系统的接口之外，通信控制卡还包含与稳定平台、飞控系统、信号源的通信接口， 这些接口所完成的功能如下：( 1 ) 通信控制卡接收导航数据，对其进行滤波等处理， 并将其传输到稳定平台，稳定平台根据导航参数调整天线的方位角、俯仰角等参数 进行姿态补偿；( 2 ) 通信控制卡需要将导航数据传输至飞控系统进而发给地面遥控系 统，以跟踪飞机的飞行状态；( 3 ) 通信控制卡根据导航设备所提供的运动状态调整信 号源的某些参数，如采样时间、重复频率等等，同时信号源反馈自己的状态参数给 通信控制卡，实现对信号源的实时监控。同样板卡与稳定平台、飞控机、信号源的 接口均采用r s 4 2 2 串行接口方式。 c p c i 总线可以实时监控板卡的运行结果。当检测到某个状态出错时，可以锁存 错误状态并通知系统重新处理；当检测到某些致命错误时，可以使系统复位等等。 综上所述，通信控制卡的外围接口示意图如图2 2 所示： 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 2 通信控制卡外围接1 2 1 2 3 关键技术 通信控制卡采用高速d s p 技术进行图像数据压缩，解决了下传图像数据量大， 下传时间过长的问题，保证了整个机载s a r 系统的实时性；采用l v d s 技术进行 板卡问图像数据的传输，解决了大容量数据的板间通信问题；采用4 个r s 4 2 2 接口 来实现板卡与其他各分系统的通信，实现了通信控制卡的实时通信控制功能；采用 c p c i 总线技术，不仅提高了处理机的整体性能，而且使得机载s a r 成像处理机的 稳定性和可靠性得到保证。 2 3 1 高速d s p 技术 机载s a r 图像压缩的特点是：数据量大、运算复杂、实时性要求很高。要完成 如此庞大的运算，需采用高性能的处理器。数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 相对于模拟信号处理有很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于 大规模集成等方面。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技 术的迅速发展，数字信号处理技术也发生着日新月异的变革。实时数字信号处理技 术的核心和标志是数字信号处理器。自第一个微处理器问世以来，微处理器技术水 平得到了十分迅速的提高，而快速傅立叶交换等实用算法的提出促进了专门实现数 字信号处理的一类微处理器的分化和发展。数字信号处理有别于普通的科学计算与 分析，它强调运算处理的实时性，因此d s p 除了具备普通微处理器所强调的高速运 算和控制功能外，针对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上 具有许多新的特征，其特点如下p j ： 算术单元 具有硬件乘法器和多功能运算单元，硬件乘法器可以在单个指令周期内完成乘 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 法操作，这是d s p 区别于通用的微处理器的一个重要标志。多功能运算单元可以完 成加减、逻辑、移位、数据传送等操作。新一代的d s p 内部甚至还包含多个并行的 运算单元。以提高其处理能力。 针对滤波、相关、矩阵运算等需要大量乘和累加运算的特点，d s p 的算术单元 的乘法器和加法器，可以在一个时钟周期内完成相乘、累加两个运算。近年出现的 某些d s p 如a d s p 2 1 0 6 x 、d s p 9 6 0 0 系列d s p 可以同时进行乘、加、减运算，大大 加快了f f t 的蝶形运算速度。 总线结构 传统的通用处理器采用统一的程序和数据空间、共享的程序和数据总线结构， 即所谓的冯诺依曼结构。d s p 普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构或者 改进的哈佛结构，极大的提高了指令执行速度。片内的多套总线可以同时进行取指 令和多个数据存取操作，许多d s p 片内嵌有d m a 控制器，配合片内多总线结构， 使数据块传送速度大大提高。 如t i 公司的c 6 0 0 0 系列的d s p 采用改进的哈佛结构，内部有一套2 5 6 位宽度 的程序总线、两套3 2 位的数据总线和一套3 2 位的d m a 总线。a d i 公司的s h a r c 系列d s p 采用超级哈佛结构( s u p e rh a r v a r e da r c h i t e c t u r ec o m p u t e r ) ，内部集成了三 套总线，即程序存储器总线、数据存储器总线和输入输出总线。 专用寻址单元 d s p 面向数据密集型应用，伴随着频繁的数据访问，数据地址的计算也需要大 量时间。d s p 内部配置了专用的寻址单元，用于地址的修改和更新，它们可以在寻 址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址。地址的修改和更新 与算术单元并行工作，不需要额外的时间。 d s p 的地址产生器支持直接寻址、间接寻址操作，大部分d s p 还支持位反转寻 址( 用于f f t 算法) 和循环寻址( 用于数字滤波算法) 。 片内存储器 针对数字信号处理的数据密集运算的需要，d s p 对程序和数据访问的时间要求 很高，为了减小指令和数据的传送时间，许多d s p 内部集成了高速程序存储器和数 据存储器，以提高程序和数据的访问存储器的速度。如t i 公司的c 6 0 0 0 系列的d s p 内部集成有1 m 7 m 位的程序和数据洲；a d i 公司的s h a r c 系列d s p 内部集 成有0 5 m 一- 2 m 位的程序和数据t l m v l ，t i g e rs h a r c 系列d s p 内部集成有6 m 位 的程序和数据r a m 。 流水处理技术 d s p 大多采用流水技术，即将一条指令的执行过程分解成取指、译码、取数、 执行等若干个阶段，每个阶段称为一级流水。每条指令都由片内多个功能单元分别 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 完成取指、译码、耿数、执行等操作，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条 指令的执行时间。 d s p 与其它处理器的差别 数字信号处理器( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 三者的 区别在于，d s p 面向高性能、重复性、数值运算密集型的实时处理；