一种基于CPCI总线的雷达图传设备

安徽四创电子股份有限公司 高启学 杨宇红

引言

情报雷达图传设备是情报雷达的重要附属设备之一，能够实时、准确地将雷达图像信号、情报数据及各种勤务信息传输到远端,并在录取显示器上完整再现雷达图像信号等信息[1]。随着雷达技术快速发展，所需要传输数据量越来越大，传统的图传设备已经难以满足需求，因此开发适合新体制雷达的高带宽、高可靠性图传设备十分必要。而CPCI总线因具有高速、高可靠性、可热插拔等出色性能，在计算机、通信、测试等领域得到了越来越广泛的应用，鉴于此，本文结合某项目需求，设计并实现了一种基于CPCI数据总线的雷达图传设备。

1.设计思路

CPCI（Compact Peripheral Component Interconnect）总线是在桌面型的PCI 总线的基础上发展和改进而来的。相比于PCI 总线，CPCI 连接器的结构设计为加固型规范模块，具有更高的可靠性和环境适应性[2]。图传设备充分利用CPCI总线结构的优点，一是能够实现各功能业务模块之间的实时高速数据交换；二是可实现带电热插拔，提高设备可维修性；三是有较强的耐振动和冲击等能力，以提升图传设备的可靠性和稳定性。

图1 图传设备CPCI总线结构图

在传输带宽方面，根据目前雷达实际需求和未来一段时间的发展趋势，在成熟通信技术基础上，将图传设备总传输带宽设计为155Mbps，具有丰富和完善的接口，可以传输雷达图像、网络、串口、话音等数据，以适应不同型号的雷达使用。传输信道以无线微波方式传输为主，射频频率选择X波段，该波段频率较高，干扰较少；采用抛物面板状天线，设备在视距无阻挡的条件下最大传输距离可达50km。设计中考虑兼容光缆ITU-T规定SDH标准，以提高设备传输灵活性。

2.设计原理

2.1 电讯设计

雷达图传设备由发端和收端两部分组成，其中发端安装在雷达站电子方舱内，收端一般放在指挥所或情报中心，两端设备通过微波信道连接。图传设备信号传输框图如下所示：

图2 图传设备信号传输框图

图传发端首先将所要传输的雷达图像进行压缩，压缩后的数据和目标方位信息、点迹数据、航迹数据、PCM话音数据、网络数据、串口数据等进行复接处理，这些多路的同步、异步数据被复接成一路155Mbps基带码流，通过微波信道传输到收端；收端将接收到信号恢复出155Mbps基带码流，再分接出雷达图像压缩数据、目标方位信息、点迹数据、航迹数据、PCM话音数据、网络数据、串口数据；解压后的雷达图像数据和目标方位信号、点迹数据、航迹数据一并送入光栅显示器，重现雷达显示器画面。

微波信道由中频调制解调、射频收发单元、天馈组成。中频调制解调将基带信号进行差分编码、QPSK调制，调制成中频信号后送至射频收发单元的发信部分，经上变频、滤波、功率放大后由天馈发射出去。收端天馈接收到的射频信号送入射频收发单元的收信部分，经放大、滤波后与收信本振混频产生中频信号，再经滤波及AGC放大后送到中频解调单元，进行QPSK解调、解码，恢复出155Mbps基带码流。图传发端和收端的射频收发单元、天馈属于室外设备，安装在室外，和室内设备通过一根中频电缆连接，该电缆既可传输中频信号，同时又为射频收发单元提供电源。

雷达图像中占画面绝大部分的背景是静止的,利用这一特点可以大幅度压缩[3]。这些背景包括气象杂波、固定地物回波等，相对于雷达探测目标来说是无用的，可通过游程长度编码进行有效压缩，降低数据率，有利于传输。游程长度编码的主要思想是将一个相同值的连续串用其值和串长（重复的个数）的数用二元组来替代[4]。经过采样量化过的雷达回波总是由“0”电平和“1”电平组成。其中“0”为白游程，“1”为黑游程。连“0”的个数为白游程长度，连“1”的个数为黑游程长度，对游程长度进行适当的编码可以达到回波压缩的效果。游程长度编码方法很多，设计中结合雷达回波图像的特点选用相加码编码方法，代表长度的码字为10个，代表字首的码字为5个，具体编码时游程长度由长度码和字首码组合表示，例如游程长度59的编码为1100，1011，1000。

雷达图像显示是图传设备的核心之一，能够将所接收到的雷达信号进行图像还原，实现雷达回波的实时显示，同步完成目标点迹、航迹信息的及时显示[5]，比如目标的三座标位置、航向、速度、批号、敌我性质等标志。雷达图像显示对雷达图像处理后以像素为单位存储在存储器中，在行、场同步信号控制下依次读出，并与雷达目标数据混合，R、G、B三色信号以VGA接口方式送至显示器，实现雷达画面的显示功能。雷达图像显示基本原理如下：

图3 雷达图像显示基本原理框图

2.2 结构设计

结构设计是图传设备设计中的一项重点工作，良好的设计能够充分发挥CPCI欧洲卡可靠性强的特点，在满足电性能基础上使得设备抗振、散热能力和电磁兼容性达到要求。

图4 雷达图传设备实物图

在尺寸方面，图传设备发端设计为标准19英寸宽、6U高分机，该尺寸和雷达总体结构要求保持一致，方便安装在雷达电子方舱设备机柜内。收端分机也为标准19英寸宽、6U高形式，相对于发端，收端增加了一块计算机显卡，并且在正面集成了一台加固型液晶显示器，配置了可翻式防水键盘、鼠标，做到了信号接收、处理和显示、操作一体化。图传发、收端功能模块均按照CPCI总线标准设计，两端可以共用，减少了品种，提高设备可靠性和维修性。收端分机结构紧凑，为了保障有效散热，分机采用高性能风冷散热和金属机箱自然导热相结合方式。

考虑到图传设备架设时需要将两端的室外天线对准，比较耗费人力和时间。为了提升效率，使设备具有一定的机动架设能力，在天馈结构设计方面，一方面选用电动升降杆，实现快速升降；同时，在天线底座增加电子罗盘、GPS/北斗定位设备和伺服机构。GPS/北斗定位设备可以获得所处位置的经纬度和高度信息，电子罗盘能够采集图传天线的俯仰和方位角度，两端自动计算即可获得相对的方位和俯仰角度，通过步进电机驱动天线实现定向[6]，避免以往靠人工操作调整天线，从而实现天线快速对准。

3.应用验证

基于CPCI总线结构的图传设备研制完成后，经过实验室测试、环境试验以及与雷达整机的联调及试用，过程中工作稳定可靠，主要功能、性能指标均达到设计要求，能够满足使用要求。

4.结束语

根据新体制雷达需求，利用成熟的CPCI总线技术、微波通信技术和计算机显示技术，设计了新型图传设备，特别是收端集数据接收、信号处理和显示一体化结构设计，具有传输容量大、传输能力强，传输方式多样化、兼容性好，机动性能高，使用方便等特点，可以满足不同型号雷达数据远程传输的多种需求。

[1]李冰,樊秋景,田明宏.雷达图像传输系统的研制[J].电讯技术,2005,(6):49-52.

[2]任群.基于CPCI总线的嵌入式计算机通用接口设计研究[J].西安文理学院学报(自然科学版),2016,(1):20-22.

[3]刘吉,嵇碧波.数字视频压缩技术在雷达图像远程传输中的应用[J].电子测量技术,2006,(12):155-156.

[4]刘冰.游程长度编码算法的研究[J].天津理工学院学报,2001,(12):77-81.

[5]孙高俊,丁岐娟.基于CPCI总线的雷达数据处理平台设计[J].中国人民解放军电子工程学报,2015,(4):19-22.

[6]黄少锋,张尊泉,邓斌.雷达图像传输天线自动控制系统的设计[J].电子技术应用,2007,(5):86-88.