一种便携式天气雷达双通道中频信号处理单元设计

徐 瑾

（安徽四创电子股份有限公司，合肥 230088）

1 引言

随着天气雷达市场的不断扩大，低成本、小型化、便携式天气雷达正成为众多行业用户的新宠。这种轻小型天气雷达通常仅靠三角架支撑，体积小、重量轻、电子设备的集成高是这类便携式天气雷达的典型特征。为了达到对数字处理分系统的“瘦身”，将常规系统构成中的双通道中频数字接收机、双通道信号处理器、雷达监控单元这三部分进行合并设计是该类型雷达的技术关键之一。本文介绍的是一款针对便携式天气雷达设计的，以一片大容量FPGA芯片和一片DSP芯片为核心处理平台，集成双路高速AD采样、千兆光口、百兆网口、若干GPIO及大容量运算存储器的综合型雷达数字处理单元。以下将对该中频信号处理单元的设计原理及工作性能做进一步阐述。

2 双通道中频信号处理单元设计

便携式天气雷达的“小身材”并不代表着性能上的“打折扣”。换句话说，气象目标的多普勒处理是仍需具备的，只是采用的是中频相参处理的手段：需要一个额外接收通道来采集和跟踪识别发射主波样本的中频频率及相位，并以此来对回波进行修正。双通道接收便是基于这一目的而引出的设计要求。

为了实现双通道的中频数字接收，双通道高速AD采样是必备的功能，该单元选用16bit/130MSPS 的AD9461双通道ADC来实现模数变换，从而确保了具有较高的采集处理动态及灵敏度。

该处理单元的主要设计目的之一便是对中频信号进行采集并实现下变频功能，这一数字混频处理过程必须满足实时处理要求。因此，配置一片高速FPGA 芯片作为中频数字接收的处理器是非常必要的。在该处理单元中选用的是ALTERA的EP4CGX150，该芯片属cyclone系列的4代产品，拥有极高的性价比。非常适合气象信号处理的运算要求。

由于该处理单元不仅要完成中频数字接收功能，还要实现气象目标的基本参数估计运算。在这方面，DSP芯片有着极佳的运算优势和软件开发优势。因此，在该处理单元中选用了ADI的TS101作为信号处理器，用以实现强度、速度及谱宽的参数提取。

为了确保数据流能在FPGA及DSP这两个处理器间进行高速传输，在该处理单元的设计中为这两个处理器建立了两个高速数据通道，一个是DSP的link口，一个是DSP的32位并行总线。这种并行数据传输模式可有效提高系统的实时处理能力。为此，在FPGA的设计中特别加入的TS101的link口的协议转换模块。

信号与数据处理在整个运算过程中需要有多个大容量存储器做为中间临时数据的缓存，设计中除在DSP总线上配置了一片大容量动态RAM 外，还为FPGA配置了两片读写通道各自独立的SSRAM，这样的设计主要是为了给FPGA构造乒乓结构的读写体系，从而解决FPGA与DSP之间的异步运算处理问题。

该处理单元除具备信号与数据处理的各种运算能力以外，还应具有雷达系统的监控能力。为此，需要配置若干GPIO口以实现对外部系统的监测与控制。以太网是当今已被广泛接受的数据互通形式，该处理单元设计了光纤及水晶头两种形式的以太网接口。其中光纤的传输速率可达1.25Gbps，水晶头为百兆网口，两种形式均可为信号处理器提供数据输出接口。

该处理单元的原理框图如图1所示。

通过以上描述可以看出，该数字处理单元是一个具备双路中频信号接收能力的、有利于进行各种高速信号与数据处理运算的通用化处理单元，这种通用、开放式的平台设计可以满足多种应用场合的需要。以下将以中频相参信号处理应用说明该中频信号处理单元的软件设计方法。

3 典型的中频信号处理软件设计

中频相参处理的价值在于：通过增加一路接收通道，以最小的代价，即以数字处理的手段将常规体制的天气雷达改造为了多普勒体制的天气雷达。这对于低成本的便携式天气雷达而言是一种极佳的技术实现手段。

中频相参处理的软件算法流程图如图2所示。

图2 中频相参处理的软件算法流程图

实际上，中频相参体制的雷达所使用的发射管为普通的常规的磁控管，其发射频率是不稳定的。样本通道采集的目的正是为了实时跟踪并获取发射频率，用以对混频用的NCO进行修正，从而达到对回波进行相干处理的作用。同时，为了达到进一步的修正，还需要根据样本初相对回波进行共轭处理，这样才能进一步消除发射频率“漂移”所带来的对多普勒测速的影响。经这一处理后，输出的便是可以进行相参信号处理的I/Q信号了。

典型的气象信号处理软件流程如图3所示。

图3 气象信号处理软件流程

其中，杂波抑制主要是针对地杂波进行的滤波处理，通常采用IIR（无限冲击响应）滤波器。

DVIP（数字视频积分处理）用于对气象回波功率进行估算，通常采用平方律平均的方式进行估算。PPP（脉冲对处理）用于在时域上对气象回波速度及速度谱宽进行估算，其核心算法是计算相邻脉冲的自相关函数的统计值，再以此计算出气象回波的多普勒速度和速度谱宽。其最大的特点是处理算法较简单，无需较多的脉冲样本数。FFT（快速傅里叶变换）则是在频域上对气象回波速度及速度谱宽进行估算，采取的是通过计算多普勒功率谱的零阶矩、一阶矩和二阶矩来分别求得气象回波的功率、平均多普勒速度和速度谱宽。其运算估计精度较高，单需要较多的的脉冲样本数。此外，该处理单元通常会附带完成雷达系统的监控功能。典型的监控软件功能框图如图4所示。

图4 气象信号处理软件流程

监控系统的主要作用有以下几点：一是实现故障、状态的主动监测与上报；二是对各种故障及状态超标现象进行主动连锁性保护控制，以确保系统设备免二次损坏；三是响应各种人为控制指令，并输出相应的控制信号。

上述的中频相参处理及监控功能由FPGA来完成，而整个气象信号处理的运算则由DSP来承担。这样的处理分配可以最大化地发挥这两种处理器各自的优势。

4 中频信号处理单元的应用价值

作为一个通用化的中频信号与数据处理平台，该单元凭借其较为完整的输入输出接口、双路16位高速ADC、两颗优势互补的高性能处理芯片（FPGA+DSP）、内部多条高速互联总线、可独立定义读写结构的大容量SSRAM及百兆/千兆双网口的配置，可满足大多数嵌入式雷达数字信号处理的运算要求。这一开放式设计搭建过程其实是在遵循着“硬件通用化，软件实例化”的设计原则。“互联网+”的概念告诉我们，只有将自己的产品接入通用网络，才能融入这个时代，才能成为整个大的“产品生态链”中的一员。高速网络接口显然预示着该数字处理单元已具备了网络接入的能力，我们利用网络口为上级用户建立起了一个标准化的双向数据传输通道，也就是说，借助为该中频信号处理单元配套的SDK软件包，上级组网探测系统的开发者可以轻松操控该雷达并获取气象基数据，以便进行气象产品的二次开发利用。

天气雷达的数据化处理无外乎是中频数字采样、数字滤波、去载频、数字杂波抑制及气象估计要素的提取及输出这一系列过程。该处理单元无论在接口还是运算能力上都已具备了通用化的嵌入式天气雷达信号与数据处理的要求。通过研制和加载两个处理器的不同软件，该通用化数字处理单元已在各种气象及空管雷达中得到了较为广泛的应用。

该中频信号处理单元的实物照片如图5所示。

图5 中频信号处理单元实物图

该处理单元的紧凑型硬件设计以及延伸到中频的信号处理能力已为各类嵌入式数字应用提供了一个性价比极高的开放式处理平台，通过网络进行软件加载升级更为各类嵌入式数字应用处理系统提供了一个便捷的“软件化”算法定义及实现手段。

随着便携式天气雷达的迅速普及，这类“软件化”定义的高集成型嵌入式数字处理单元将会持续地发挥着更为重要的作用。

[1] 吴继华，蔡海宁，王诚.Altera FPGA/CPLD设计（高级篇）.北京：人民邮电出版社，2011.