Реализация цифровой системы приёма и обработки радиосигналов пассивной моноимпульсной радиолокационной станции

Введение

Одним из основных качеств современных комплексов обнаружения источников радиоизлучения (ИРИ) воздушного, наземного и морского базирования, обеспечивающих скрытность работы и повышение живучести, является отсутствие их главного демаскирующего признака – собственного излучения. В связи с этим разработка пассивных комплексов обнаружения ИРИ, работающих исключительно по излучению бортовых РЭС, является актуальной задачей.

В данной статье предлагается реализация системы цифрового приёма и обработки радиосигналов для работы в составе комплекса пассивной моноимпульсной радиолокационной станции.

Назначение и функции системы

Система предназначена для работы в составе комплекса пассивной моноимпульсной радиолокационной станции с целью обнаружения и определения местоположения, курса и параметров движения источников радиоизлучения воздушного, наземного и морского базирования.

Система имеет централизованную архитектуру, управляемую от центрального компьютера, на котором реализуются обработка радиолокационной информации, взаимодействие с рабочим местом оператора, получение данных и управление режимами функционирования комплекса, а также сопряжение с внешними системами.

Разработанная система обеспечивает:

• обнаружение непрерывных и квазинепрерывных радиосигналов на промежуточной частоте (до четырёх одновременно с неперекрывающимися полосами в полосе 40 МГц) с уровнем от минус 15 дБ до плюс 40 дБ относительно уровня собственных шумов;

• определение параметров обнаруженных радиосигналов (центральной частоты, эффективной полосы, мощности, спектра, длительности, времени обнаружения, периода следования импульсов, закона внутриимпульсной модуляции);

• определение координат источников обнаруженных радиосигналов;

• документирование и архивацию информации;

• самоконтроль.

Выполнение указанных задач производится в режиме реального времени.

Состав системы и обзор возможных вариантов её реализации

Технические характеристики сигнала на выходе модуля промежуточной частоты, являющегося составной частью комплекса, приведены в табл. 1. Эти характеристики позволили сформировать критерии для выбора модулей цифрового приёма и обработки сигналов.

Исходя из основной задачи реализации данной системы с целью проверки разработанных технических решений (алгоритмов и программного обеспечения), выбор устройств для построения её аппаратной части был произведён среди готовых модулей, представленных на рынке такими фирмами, как Nallatech, Xilinx, «Инструментальные системы», Signatec. Наилучшее соотношение технических характеристик и стоимости было представлено компанией Signatec.

Компания Signatec специализируется на разработке IBM РС совместимых плат и систем высокоскоростного ввода-вывода для таких приложений, как радарные системы, неразрушающий контроль, спектроскопия и других, требующих обработки большого объёма данных в реальном времени. Согласно анонсированным компанией Signatec данным, пропускная способность плат серии PDA достигает 500 Мбайт/с и рассматривается возможность достижения значения 1 Гбайт/с, а параллельное применение нескольких таких плат позволяет получить ещё более впечатляющие значения интегральной производительности. Кроме плат, которые могут быть установлены в любой IBM РС совместимый компьютер, компания Signatec поставляет измерительные комплексы IC1000D с массивом памяти для хранения до 18 терабайт данных. Основанные на специализированной шине SAB, эти системы могут в реальном времени обрабатывать потоки данных и телеметрии объёмом до 2 гигабайт в секунду.

На основе проведённого анализа модулей цифрового приёма и обработки компании Signatec был скомпонован блок (крейт), ключевыми компонентами которого стали:

• корпус IPC-611 MB-00X/PS-400 ATX-ZB фирмы Advantech;

• кросс-плата PCE-7B13-64B1E (4´PCI, 6´PCI-X 64 бит/66 МГц) фирмы Advantech – 1 шт.;

• одноплатный компьютер PCE-5120 (PICMG 1.3, Intel 945G) фирмы Advantech с центральным процессором Intel® Core™ 2 Duo E6400 (2,13 ГГц) – 1 шт.;

• платы ввода данных (аналого-цифрового преобразования) PDA16-60-120-MS компании Signatec – 2 шт.;

• платы цифровой обработки сигналов PMP1000-2 компании Signatec – 2 шт.

Приведённый состав аппаратной части разрабатываемой системы по оценкам разработчиков позволял реализовать масштабируемую, гибкую и стабильную систему обработки.

Далее представлены основные технические характеристики платы аналого-цифрового преобразования PDA16-60-120-MS (рис. 1) и платы цифровой обработки сигналов PMP1000-2 (рис. 2).

PDA16-60-120-MS

• Тип разъёмов входных сигналов, сигналов запуска, тактового и выходного сигналов: SMA.

• Шкала напряжений входных сигналов: 2,50 В; 1,67 В; 1,00 В; 667 мВ; 400 мВ; 267 мВ.

• Входное сопротивление: 50 Ом.

• Разрядность: 16 бит.

• Частота оцифровки: до 160 МГц.

• Пользовательская ПЛИС: Virtex-4 FX60 или FX35 (зависит от модификации платы).

• Ширина полосы входного сигнала: 50 МГц.

• Частота сигнала внешнего тактирования: 10–160 МГц.

• Высокоскоростная параллельная шина SAB: 500 Мбайт/с, в зависимости от области применения возможно до 1 Гбайт/с (64 бит/125 МГц).

• Внешняя шина: 64-разрядная шина PCI-X (до 100 МГц).

• Потребляемая мощность: +12 В, 400 мА; +5 В, 1,5 A; +3,3 В, 2,3 A.

PMP1000-2

• Количество процессоров: 9 Texas Instruments 320С6414.

• Тактовая частота процессоров: 1 ГГц.

• Объём внутренней памяти: 576 Мбайт (64 Мбайт SDRAM на каждый процессор).

• Пропускная способность шины SAB: 500 Мбайт/с, в зависимости от области применения возможно до 1 Гбайт/с (64 бит/125 МГц).

• Внешняя шина: 64-разрядная шина PCI-X (до 100 МГц).

Распределение аппаратных ресурсов и структура системы

Исходя из поставленных при разработке системы задач, распределение аппаратных ресурсов целесообразно выполнить следующим образом:

• PDA16-60-120-MS (2 шт.) – формирование цифрового потока данных с четырёх каналов моноимпульсной РЛС, спектральный анализ, преобразование частоты, фильтрация, измерение амплитуды во временно́й области, определение закона модуляции сигналов;

• PMP1000-2 (2 шт.) – измерение параметров сигналов во временно́й области, буферизация данных, формирование кодограмм обнаруженных сигналов;

• управляющий компьютер на базе платы PCE-5120 (1 шт.) – управление модулями обработки сигналов PDA16-60-120-MS и PMP1000-2, решение задачи местоопределения источников сигналов, запись формуляров обнаруженных сигналов, интерфейс с оператором, передача/приём данных между блоками комплекса.

Структурная схема рассматриваемой системы представлена на рис. 3.

Условное обозначение: МШУ – малошумящий усилитель.

Приведённое распределение аппаратных ресурсов позволяет получить высокопроизводительную систему обработки сигналов и чёткую синхронизацию работы всех её модулей.

С целью предварительной оценки возможностей выполнения системой функциональных задач проведено моделирование с использованием пакетов MatLab 6.5, Microsoft Visual C++ 6.0, Code Composer Studio 6000 следующих алгоритмов цифровой обработки сигналов:

• калибровки АЧХ приёмно-усилительного тракта (для обеспечения требуемой точности определения координат ИРИ);

• измерения параметров сигналов (центральной частоты, ширины спектра, времени прихода, амплитуды сигнала, длительности импульсов, периода следования импульсов, законов модуляции и параметров внутриимпульсной модуляции, числа скачков фазы) – на основании полученных данных выполняется расчёт местоположения, курса и скорости ИРИ;

• регистрации, документирования и архивации информации, а также алгоритмов сопряжения с внешним потребителем (приём команд управления и выдачи формуляров, определяющих ИРИ).

Структура и описание алгоритмов цифровой обработки сигналов

Структурная схема цифровой обработки приведена на рис. 4.

Алгоритмы цифровой обработки сигналов, реализованные в рассматриваемой системе, можно разделить на две части.

1. Линейная обработка. В этой части производятся преобразование частоты, а также определение спектральных характеристик, закона модуляции, уровня сигнала, временны́х характеристик поступающих сигналов. Для корректной линейной обработки уровень сигнала должен быть не менее плюс 15 дБ относительно собственного шума.

2. Корреляционная обработка. Используется для обнаружения, измерения уровня и временны́х характеристик сигналов. Уровень сигнала должен быть до минус 15 дБ относительно собственного шума.

Линейная обработка. Первоначальное обнаружение сигналов производится в спектральной области. БПФ на 1024 точки в связке со сложным адаптивным порогом позволяет получить динамический диапазон обнаружения до 60 дБ. Также по БПФ производятся оценка частоты настройки цифрового преобразователя частоты и оценка необходимой полосы пропускания цифрового перестраиваемого фильтра. Далее для сигнала, полученного с выхода преобразователя частоты и цифрового фильтра, производятся необходимые измерения. Измеряемыми параметрами сигнала являются уровень, эффективная ширина спектра, центральная частота спектра, длительность, период повторения импульсов, закон модуляции и связанные с ним параметры – девиация фазы (при фазовой модуляции), глубина амплитудной модуляции, девиация частоты (при частотной модуляции), скважность и длительность импульсов при импульсной модуляции. Для более надёжного обнаружения сигналов, а также более точного определения временны́х параметров в схему введён адаптивный порог во временной области.

Корреляционная обработка. Обнаружение сигналов корреляционным методом имеет значительные преимущества, так как позволяет скомпенсировать часть внутренних шумов каждого из каналов, а также использовать длительное накопление сигнала, что в конечном итоге создаёт условия для расширения динамического диапазона обнаруживаемых сигналов. Динамический диапазон зависит непосредственно от размера временно́го окна, в котором производится накопление сигнала, при этом верхний предел размера окна устанавливается, исходя из требований к полосе пропускания корреляционного обнаружителя, и может динамически изменяться в процессе работы.

Программные коды для двух каналов приёмника размещены в ПЛИС, занимая при этом около 70% общей логики и 100% умножителей (XtremeDSP Slices).

Результаты обработки сигналов (формуляры, содержащие полную информацию об обнаруженных сигналах) передаются из плат PDA16-60-120-MS по шине на процессорные платы PMP1000-2, где реализованы алгоритмы, извлекающие информацию о периодических сигналах, вторичная обработка радиолокационной информации, а также хранение и буферизация выходной информации перед передачей на рабочую станцию.

Для отладки программного обеспечения (ПО) ПЛИС использовался пакет Xilinx ISE совместно с ChipScope Pro, позволяющий вести диагностику ПО непосредственно в процессе работы устройства. Создание блоков БПФ, а также тригонометрических преобразований выполнено с помощью встроенной в Xilinx ISE утилиты Core Generator.

Оборудование рабочего места в процессе проведения испытаний системы показано на рис. 5.

Внешний вид аппаратной части разработанной системы цифрового приёма и обработки радиосигналов пассивной моноимпульсной радиолокационной станции приведён на рис. 6.

Некоторые особенности плат PDA16-60-120-MS и PMP1000-2 и соответствующие технические решения

В процессе устранения проблем совместимости различных частей аппаратного комплекса и достижения требуемой производительности системы были выявлены некоторые особенности плат PDA16-60-120-MS и PMP1000-2 и выработаны соответствующие технические решения, оптимизирующие их применение.

1. При первом включении комплекса обнаружилось, что совместная работа плат ввода данных PDA16-60-120-MS и плат обработки данных PMP1000-2 не обеспечивалась на одном контроллере PCI-X. Смена режимов работы PCI-X, частот, прерываний к положительному результату не привела. Для решения данной проблемы разделили платы PDA16-60-120-MS и PMP1000-2, подключив платы ввода данных на один контроллер, а платы обработки данных – на два других контроллера.

2. Серьёзные трудности возникли при расчёте взаимных корреляционных функций (ВКФ) сигналов в каналах, находящихся на разных платах ввода данных. Для реализации ВКФ необходимо объединение в одном вычислительном модуле сигналов со всех четырёх каналов АЦП. Однако реализовать это не удалось. Основная причина этого в том, что в настоящее время в платах PMP1000-2 не реализована возможность приёма данных по высокоскоростной шине SAB одновременно от двух плат ввода данных. Целесообразность обеспечения такой возможности в ближайшем будущем разработчиками Signatec не вызывает сомнений. Нам же пришлось искать своё решение, и оно было найдено на основе использования непосредственно шины SAB и физических уровней сигналов на ней с разработанным нашей фирмой протоколом передачи данных.

3. Ряд особенностей рассматриваемых модулей связан с их быстродействием и пропускной способностью шин передачи данных. В условиях нашего применения значения 1 Гбайт/с для скорости обмена данными по шине SAB достичь не удалось и на практике было получено только паспортное значение порядка 500 Мбайт/с. Кроме того, при приёме и обработке сигналов в реальном времени было выявлено, что плата PMP1000-2 не справляется с приёмом и обработкой потока отсчётов входного сигнала на уровне 380 Мбайт/с. Архитектура этой платы подразумевает, что управляющий процессор коммутирует потоки данных и распределяет задачи между остальными 8 процессорами, однако именно управляющий процессор и является слабым звеном данной архитектуры. С целью снижения потока данных, то есть передачи готовых формуляров, а не временны́х отсчётов сигнала, часть обработки перенесена в ПЛИС.

4. Интересным решением при разработке системы стала реализация синхронного непрерывного запуска АЦП на плате PDA16-60-120-MS.

Следует отметить, что запуск АЦП на плате PDA16-60-120-MS реализован тремя способами: по внешнему сигналу запуска, от импульса компаратора, настраиваемого по уровню входного сигнала, или программно (установкой бита запуска в регистре). В связи с отсутствием источника внешнего сигнала запуска рассматривались второй и третий способы синхронного запуска АЦП на двух платах PDA16-60-120-MS.

При решении задач обнаружения сигналов при отношении сигнал/шум << 1 и необходимости обеспечения широкого амплитудного динамического диапазона (то есть в условиях, когда усиление входного тракта нельзя устанавливать высоким для исключения его перегрузки) в случае реализации второго способа осуществить синхронный запуск АЦП на двух платах PDA16-60-120-MS не представляется возможным по причине преобладания шумовой компоненты в сигналах различных каналов.

Использование программного запуска АЦП (третий способ) в чистом виде на двух платах PDA16-60-120-MS не позволяло добиться единовременного начала их работы, что определялось временной задержкой выполнения программного кода. Кроме того, программный запуск АЦП реализован для получения ограниченного пакета данных и не позволяет получать данные непрерывно.

Для решения данной проблемы была разработана следующая схема запуска. Сигнал внешнего запуска первой платы соединён с цифровым выходом триггера запуска второй платы. Первая плата ввода после инициализации входит в режим ожидания сигнала внешнего запуска. После инициализации второй платы на ввод данных и получения импульса запуска от компаратора, настроенного на нулевой уровень входного сигнала, вторая плата переключается в режим приёма и одновременно по внешнему сигналу переключает в режим приёма первую. Для повышения надёжности принимаемых данных тактовые сигналы всех АЦП засинхронизированы, для чего у плат PDA16-60-120-MS присутствуют внутренние и внешние входы/выходы синхронизации.

При анализе работы АЦП также отмечен повышенный уровень помех (сигналов с частотами 33,3; 25 МГц и уровнем до минус 65 дБ относительно максимума шкалы), изменяющийся при переключении шкалы АЦП.

5. Особенностью рассматриваемых плат является и то, что в них не предусмотрена возможность прошивки через шину PCI. Реализация такой возможности позволила бы отказаться от использования внешних программаторов и частых переключений программатора от одной платы к другой, что значительно сократило бы время прошивки и сделало бы отладку системы более удобной.

Также хотелось бы отметить целесообразность реализации на всех платах высокоскоростной цифровой шины, например Ethernet, и универсальной низкоскоростной шины, например EIA-485 или EIA-422, что позволило бы управлять внешней аппаратурой с плат цифровой обработки сигналов, минуя все проблемы и задержки, связанные с операционной системой компьютера.

В целом стоит отметить высокую производительность и универсальность рассмотренных плат компании Signatec, а также хорошо продуманные, с точки зрения программиста, драйверы. На основе подобных высокоинтегрированных плат легко наращивать мощность вычислительной системы для достижения более высоких результатов.

Вывод

Итак, при реализации системы цифрового приёма и обработки радиосигналов и в процессе её работы в составе комплекса пассивной моноимпульсной радиолокационной станции подтверждены корректность и высокая эффективность разработанных технических решений и алгоритмов, а также целесообразность применения серийных цифровых модулей на этапе разработки макетов сложных радиотехнических систем для минимизации временны́х и финансовых затрат. ●

E-mail: dsp@inbox.ru

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!