一种可配置的雷达信息处理平台实现方法

蒋迺倜,付 林,姜小祥,张玉喜

(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153;2.南京信息工程大学,南京 210044)

一种可配置的雷达信息处理平台实现方法

蒋迺倜1,2,付 林1,姜小祥1,张玉喜1

(1.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153;2.南京信息工程大学,南京 210044)

介绍了一种可配置的雷达信息处理平台实现方法。描述了该平台的硬件组成、工作原理及体系架构,重点阐述构成平台的关键功能模块的特性、工作流程。信息处理平台通过配置管理模块的统一调度实现了数据路由的重配置、功能任务的重分配以及模块故障的在线修复,为多功能雷达系统提供了一种有效的信息处理平台的实现方法。

雷达;信息处理平台;可配置

0 引 言

高速实时的信息处理平台是雷达获取目标特征、对抗环境干扰的核心部件之一。它接收雷达前端预处理后的中频信号,并实时完成雷达信号处理和数据处理的功能,实现在复杂的电磁背景和动态的对抗环境下,利用各种先进的信号处理技术和手段,来完成对干扰和杂波的抑制、对环境特性的估计和认知,以及对感兴趣信号的有效提取和识别,从而获取目标和信号的空间和时间、属性等信息,为雷达系统发挥功能、性能、以及作战效能提供重要保证。

传统信息处理平台目前受限于设计水平和体系架构,无法实时、动态地调度计算资源和硬件资源。首先,在关键路径出现故障时易导致整个系统瘫痪,大大降低了系统的可靠性;其次,无法合理使用计算资源,不能实现计算资源在多种功能间的动态负载平衡,常常导致计算资源的不合理分配,出现部分功能计算资源浪费、紧张且互相之间又无法补充的现象。

针对上述问题,本文提出一种可配制信息处理平台的实现方法。该方法提供了一个快速、低成本的利用各种不同类型和功能模块的设计方案,使硬件具有可“编译”能力,能够以硬件参数可重构适配各种不同类型的应用,以较高的计算效能完成各种不同的任务。同时,该方法还能够有效减小信息处理平台体积、重量和功耗,提高硬件资源共享率和任务响应实时性。而且,该方法构建的高效动态配制信息处理平台,既结合功能模块的特点,又兼顾到模块的可配置软硬件的特性,从而使得处理平台在具备模块化设计的同时其开放性、扩展性能大大增强。

1 平台实现方法

雷达信息处理平台针对多种功能需求进行分析,对其处理流程进行全局规划,并合理配置信号链路各环节处理参数,实现系统多任务间的高速调度与实时切换,保证平台资源的高效利用。通过对平台故障情况的实时监控,调整和执行故障恢复配置策略,提高平台的可靠性,提升平台无故障运行时间。

1.1 平台框架

信息平台框架示意图见图1。

本平台采用了配制管理模块、信号中枢模块、多功能信号处理FPGA模块、数据处理PowerPC模块、FC适配模块等功能模块。各模块之间利用FC数据网络、SRIO数据网络、千兆以太网以及自定义传输协议的光纤网络等高速数据网络实现数据的实时交互。所有功能模块采用6U VPX板卡设计,均符合VITA46规范。各功能模块分布于不同的雷达系统的各VPX信息处理插箱内。配制管理模块产生功能配置命令与信号路由命令。信号中枢模块根据调度指令将不同类型的数据分发到不同的多功能信号处理模块。多功能信号处理模块依据雷达工作模式进行相应的信号处理工作。信号处理结果通过FC适配模块传递到对应的PowerPC数据处理模块,完成雷达信息处理功能。

图1 信息处理平台框架示意图

1.2 平台高速数据网络

雷达可重配置信息处理平台利用FC数据网络、SRIO数据网络、千兆以太网以及自定义传输协议光纤网络等4种不同的数据传输途径实现了高速数据在多功能雷达信号处理子系统与数据处理子系统内部的交换与输入输出功能。自定义传输协议光纤网主要用于雷达设备分系统之间强实时高速数据传输。发送、接收双方约定好传输数据格式,按照数据流的方式处理数据。FC数据网路用于雷达设备分系统之间或VPX插箱之间的数据交换。SRIO数据网路用于VPX插箱内部的数据交换。千兆以太网主要传输控制命令或对数据时延没有很高要求的数据包。平台各功能模块采用的数据网络配置如下:

(a) 信号中枢模块的输入输出均为自定义传输协议光纤网络,接收雷达前端预处理系统输出的多路光纤数据,并根据控制命令将相应数据送往对应的多功能信号处理模块;

(b) 多功能信号处理模块与FC适配模块相连,FC适配模块将接收到的信号处理结果协议转换后送往FC交换机,FC交换机负责将FC数据交换至规定的FC端口;

(c) 位于同一VPX插箱内部的数据处理模块使用Serial RapidIO(SRIO)总线进行数据交换,SRIO交换机实现了插箱内部任意数据处理模块之间的SRIO数据全交换;

(d) 配制管理模块、数据处理模块都与以太网交换机相连,实现了以太网数据的交换和控制命令的传递。

1.3 平台关键模块功能及实现方法

1.3.1 配置管理模块

配制管理模块由PowerPC处理板与FPGA处理板构成。两者位于同一插箱内部,通过RapidIO总线交互数据。配制管理模块产生功能配置命令,调整通信路径与应用算法适应不同功能,同时可收集管理各处理节点的状态信息,根据节点的故障状态信息,调整和执行故障修复策略。PowerPC处理板通过千兆以太网向数据处理PowerPC模块发送软件配置指令。FPGA处理板具有多路光纤发送通道,通过光纤向信号中枢模块和FC适配模块发送数据调度指令,实现系统动态配置。

1.3.2 信号中枢模块

信号中枢模块采用通用FPGA处理板,实现对预处理下行结果的简单处理和分发功能。信息中枢模块接受资源调度设备的管理。根据配置管理模块分配的信号处理模块路由配置表,将数据路由至相应的多功能信号处理模块。同时,信号中枢模块可以完成数据合并与简单数据预处理功能,以降低后端处理的压力。信号中枢模块包含16路高速光纤数据输入、1路控制光纤信号输入和32路光纤数据输出，见图2。

图2 信号中枢模块原理框图

1.3.3 多功能信号处理模块

多功能信号处理模块实现雷达信号处理功能,采用高性能FPGA处理板设计。板卡搭载两颗Xilinx Virtex-6 FPGA (LX550T)芯片,每片FPGA外挂高速DDR3缓存以及高带宽、低延迟的QDR。两片FPGA通过100对LVDS实现互联,采用SerDes技术,线速可达1.25Gbps。每片FPGA提供一个×4 RapidIO高速串行通道,通过插箱内部交换板实现板间高速互联。同时,板卡具有48对光纤接口,能够应对主动、被动、协同、电子对抗等信号处理的需求。多功能信号处理模块的输入来自信号中枢模块,并将信号处理结果输出至数据处理模块。本文中每个信号处理模块接收4路光纤数据,具有同时处理4个接收通道数据的能力。

1.3.4 数据处理模块

数据处理模块实现雷达数据处理功能,采用商用货架PowerPC处理板,具有4个MPC8640D处理器,工作主频1.0GHz,运行嵌入式VxWorks操作系统。它具有如下功能:(1)雷达资源调度,(2)主动雷达目标检测、跟踪、成像、识别,(3)被动雷达信号分选、参数估计、辐射源识别,(4)通信编解码,等等。PowerPC处理板提供4路×4 RapidIO互联通道与4路千兆以太网接口,满足大带宽低延时的传输需求。

2 动态配制设计

配置管理模块管控所有的可配置节点,控制指令由配置管理PowerPC处理器统一下发,实现数据流路径和处理算法的实时调整。该动态配置方法具有通用性好、扩展性强、各功能单元分工明确、易替换修复、既具有独立性又相互联系等特点，见图3。

图3 动态配置流程

2.1 数据路由动态配置方法

信号中枢模块与FC适配模块在配置管理模块的统一调度下共同完成数据路由关系的动态配置。配置管理模块通过光纤将路由控制命令传递给信号中枢模块。路由控制命令包括信号中枢输出选择控制字与信号处理方式控制字。信号中枢模块的每一路光纤输出内容由输出选择控制字决定。同时,将信号处理方式控制字封装在待输出数据中,由光纤送往多功能信号处理模块。伴随路由控制命令的实时切换,多功能信号处理模块的输入数据和处理方式得以实时改变。本文设计的信号中枢模块内部产生30路不同数据流,包括输入的原始数据(16路)、合并后的数据(4路)、简单数据预处理后的数据(10路)。将其按0～29编号,配置管理模块按照编号控制每一路信号中枢模块的输出。

FC光纤网络的引入大大提升了数据传输的灵活度,为任务的动态配置提供了更简单的方法。FC适配模块配合多功能信号处理模块或数据处理PowerPC模块使用,通过自定义光纤接收配置管理模块下发的数据调度指令;实时修改FC节点的发送目的地址(DID)与接收源地址(SID);可在ms量级即可更新FC数据路由关系。FC适配模块通过高速串行自定义光纤协议与多功能信号处理模块互联,通过SRIO总线与数据处理模块互联。

2.2 功能、任务动态配置方法

功能性重构着眼于雷达软件化与模块化的特点,使用同一套硬件设备完成多种功能雷达信息处理任务。可重构信息处理模块通过事先规划,对不同功能软件进行组合,以适应不同任务类型,实现硬件资源复用。将信号处理与数据处理任务在中等粒度上进行划分,全部功能模块都驻留所有需要的代码,根据软件配置指令按顺序执行相应的程序。这种方法能够使重构时间最小化。图4为功能性重构原理框图。

图4 功能性重构原理

对于多功能信号处理模块,按照信号处理任务形成10余种不同的软件功能模块。每个模块的输入、输出数据格式固定。信号处理方式控制字决定了信号处理的流程。假设信号处理模块包含旁瓣对消、脉冲压缩、MTI、MTD、CFAR、积累、脉冲参数提取、通信解调等软件模块,并将其按0～n编号。信号处理方式控制字就是若干编号的排列组合,将其对应的软件模块输入输出首尾相连。以典型主动雷达信号处理流程为例,将旁瓣对消、脉冲压缩、MTD/MTI、CFAR等功能模块串联起来,形成输出结果，将最终处理结果送往FC适配模块。对于数据处理模块,软件配置指令由以太网传送。当新的软件配置指令下发后,数据处理模块停止当前运行一个应用,调用另一个指定的应用程序,同时将处理结果通过SRIO总线发往FC适配模块。多块数据处理模块在配置管理模块的统一调度下切换各自的应用软件,实现功能、任务的动态配置。

功能、任务动态配置时间是由配置指令下发时间(μs级)、数据链路重构时间(μs级)、应用程序切换(μs级)、功能重构确认(μs级)共同决定的。功能、任务动态配置总时间在μs量级。

2.3 故障恢复配置方法

故障恢复配置方法是指信息处理平台中某一个处理模块出现故障,或其运行状态异常,配置管理模块自动将其运行的任务调度到该层插箱的备份模块上运行。因此,故障恢复配置方法是采用冗余模块实现对关键路径中故障模块的备份,实现系统故障的在线修复。图5为灾难性重构原理图。

图5 灾难性重构原理

在配置过程中,配置管理模块获得故障模块位置信息,通过位置信息可得到故障模块的任务信息、数据收发节点以及前端模块位置。配置管理模块下达控制指令,向故障模块的前端提供新的发送数据的目的节点,同时向备份模块提供节点任务和发送数据的目的节点。故障模块的前端模块获得新的发送数据目的节点后进行收发数据地址关联。备份模块获得任务节点和发送数据目的节点后运行相关任务,并进行收发数据地址关联。在相应配置完成后,数据流切换到备份模块。备份模块替换故障模块进行数据处理。故障模块故障排除后可重新进入插箱,作为备份模块。

信号中枢模块设置有备份发送通道,与多功能信号处理备份模块相连。每个数据处理插箱内部有冗余的数据处理PowerPC模块作为备份。当一块多功能信号处理模块发生故障时,信号中枢备份通道选择相应数据发往多功能信号处理备份模块。配置管理模块生成新的FC路由关系表,使多功能信号处理备份模块的输出数据能够正常到达相应的数据处理模块。当数据处理PowerPC模块发生故障时,同一插箱内部的冗余备份数据处理模块将代替故障模块,实现修复故障。

故障恢复配置时间是由故障监控间隔(ms级)、故障确认时间(ms级)、故障隔离与重构指令下发时间(μs级)、数据链路重构时间(μs级)、应用程序切换(μs级)、故障现场恢复(ms级)共同决定的,修复故障总时间在1 s以内。

3 结束语

本文设计一种体系架构开放、资源动态集成的可重构信息处理平台。通过分析多功能雷达的信息处理流程,进行共用流程设计,实现信号兼容设计和资源共享设计,形成面向任务的统一处理平台。通过系统资源综合调度分配策略,实现信息处理平台的动态配置。

[1] 张明友.雷达-电子战-通信一体化概论[M].北京:国防工业出版社,2010:29-33

[2] 陈春甫.基于DDS的数据分发系统的设计与实现[D].复旦大学,2008:3-6

[3] 许骏,晏渭川,等.基于模块的动态可重构系统设计[J].计算机工程与设计,2008,29(6):1367-1369.

[4] 李兰英,王峰.可重构系统的调度算法研究[J].计算机工程与设计,2014,50(22):54-58.

[5] 刘小君.实时中间件研究及实现[D].广东工业大学,2004:10-14.

[6] 施海锋.基于光纤通道多网融合系统的设计与实现[J].现代雷达,2014,36(4):42-45.

[7] 胡俊,樊晓桠,等.光纤通道交换机体系结构的设计[J].计算机工程与设计,2008,29(22):5688-5690.

An implementation method of configurable radarinformation processing platform

JIANG Nai-ti1,2, FU Lin1, JIANG Xiao-xiang1, ZHANG Yu-xi1

(1. No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153;2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

An implementation method of the configurable radar information processing platform is introduced. The hardware composition, the working principle and the architecture of the platform are described with emphasis on the characteristics and working process of the key functional modules of the platform. The reconfiguration of data routing, the redistribution of the functions and tasks and the online repair of the module faults are realized through the unified scheduling of the configuration management module for the information processing platform, which provides an effective implementation method of the information processing platform for the multi-functional radars.

radar; information processing platform; configurability

2016-12-09;

2016-12-20

蒋廼倜(1984-),男,工程师,硕士,研究方向:信号处理;付 林(1975-),男,研究员,博士,研究方向:光学、雷达目标识别;姜小祥(1984-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;张玉喜(1979-),男,高级工程师,硕士,研究方向:信号与信息系统。

TN957.51

A

1009-0401(2017)01-0017-04