一体化装备中信号处理的模块化设计方法

孟航，任圣君，王顺利，曹凌霄

电子信息控制重点实验室，成都，610036

0 引言

随着电磁频谱在现代战争中的作用和地位日益重要和突出，以及电子战技术和信息工业技术的迅速发展，为了解决传统电子作战装备体积重量大、能耗多、因电磁兼容而严重影响作战性能等问题，对一体化电子作战设备的需求越来越紧迫。对于综合设计电子对抗、雷达、通信、导航、敌我识别的一体化平台，国内外都有大量研究。如美军在20世纪80年代提出的“宝石柱”计划以及90年代提出的“宝石台”计划，就研发了一种采用新基线作为标准的航空电子设备系统，并进行增强和扩展，这是一种统一开放的、模块化的、具有良好容错性和高度灵活性的设计规范。除此之外，美军用于舰载的先进多功能射频概念（AMRFC）计划实现了舰载射频功能的集成，包括宽带阵列天线一体化、信号与数据处理一体化、信号产生与显示硬件一体化。相比国外，国内在一体化系统的研究和开发起步较晚，主要集中在宽带共用孔径天线、接收机发射机设计以及一体化波形设计，而对于信号处理和数据处理的流程框架则研究较少。

模块化设计是在运用系统工程的原理对产品进行功能分析的基础上，将复杂的工程产品分解成层次合理的、系列化、标准化、相对简单的单元模块，再将功能、用途不同的各模块的互联组合实现基型产品和变型产品。模块化设计的思想和方法在传统电子作战设备中已经比较成熟，一般分解为电源模块、参考模块、射频模块、IO模块、处理模块、计算机模块等，基本可以实现模块化在结构上与功能上大致匹配。但对于一体化设备，由于其必须具备更高的集成度以及更紧密的专业融合，才能实现灵活的动态可重构能力，因此传统电子战设备的模块划分显得捉襟见肘。

本文以传统电子战设备为基础，将模块化的方法进一步下沉，以“低耦合、高内聚”的原则，提出对信号数据处理进行模块化设计的方法，以提高开发效率，增加系统可靠性，同时便于后期维护和拓展升级。

1 单一功能电子装备

侦察、干扰、探测、通信等设备由于实现的功能不同，所以在信号处理方面的侧重也有所不同。随着数字信息技术和大规模集成电路的发展，高性能AD、DA、频综、处理器芯片的应用，可变采样率、可调谐滤波、软件无线电技术的成熟，一体化信号处理机的硬件实现已经不是难题。

基于软件无线电的思想，构建一个具备开放性、标准化、模块化的通用平台，将多种功能用软件方式完成，并使高速宽带AD/DA变换器尽可能地靠近接收前端和发射机。而在信号处理和数据处理部分，利用FPGA、DSP、微处理器强大且各自互补的处理能力，搭建出功能全面、适应广泛的综合处理架构，其对于侦干探通导每一项单独功能都是完全足够的。

不同电子设备的处理部分，一般都分为高速的信号处理、较低速的数据处理、管控和人机交互部分。对于直接处理中频或基带数据样本，且对实时性有较高要求的部分，一般采用具备大规模运算逻辑阵列和高速并行运算特性的FPGA作为载体；对于带有较多逻辑判断流程的处理，则一般利用具有指令算法和更高级的分支逻辑判断，以及擅长处理浮点运算的DSP作为载体；对于计算量较小，但灵活性、可拓展性要求较高的部分，因此采用通用功能较为完善的通用处理器终端或嵌入式处理器芯片[1]。

1.1 雷达

基于软件无线电的雷达处理流程框图如图1所示。

图1 雷达处理流程框图

数字下变频将中频信号降采样为低采样率的正交基带数据，以便于后续利用DSP进行匹配滤波、MTD/MTI、检测、参数测量等处理。数字上变频将DSP产生的任意波形数据转换为中频实信号样本作为发射激励。频率合成器则产生用于下变频上变频处理的本振数据。终端将目标信息与情报，经加工后展示给操作人员，包括目标数据录取、数据处理以及目标状态显示。

1.2 侦察

基于被动宽带数字接收机的侦察系统框图如图2所示。

图2 接收机处理流程框图

其中加窗处理、FFT、检测等处理部分由于非常强调处理数据量以及处理实时性，因此普遍采用FPGA作为载体。参数测量部分则涉及较多非线性运算和逻辑判断，且对处理数据量和实时性要求较小，因此适宜采用DSP载体。管控部分包括目标识别、目标管理、目标跟踪以及综合控制等，最终完成电子支援和侦察的功能[2]。

1.3 干扰

对抗脉冲压缩雷达一般采用DRFM处理架构。为保证对目标进行全时、全带宽、全概率对抗，选择FPGA作为处理载体，以满足较大的数据流量和实时性。

对抗通信系统以及各种链路的干扰，一般采取以数字接收机进行参数测量和威胁评估，引导频率合成以及幅相调制的干扰源体制。

2 一体化装备处理框架

2.1 FPGA处理模块化设计

模块化设计应该解决的一个重要问题是如何有效、科学地划分系统整体功能。FPGA通过面积换速度的原则，以消耗逻辑门资源和运算资源为代价获得处理速度。FPGA的功能实现是通过对实体进行例化实现的，每次例化直接对应为片内物理资源的消耗，因此在设计时采用模块化的方法，定义基础功能的模块并通过模块组合完成复杂功能，可以提高设计效率，增加设计可靠性，通过分时复用的方式合并部分功能，节省FPGA的片内资源，能显著增强可靠性，并提高开发效率[3]。

通过对探、侦、干等各种系统的信号处理部分进行分析和归纳，其中有些处理部分可以做成通用模块的形式。比如如果采用信道化体制的数字接收机，则信道化接收模块是必需的，而在雷达处理、通信处理中，只要对基带处理带宽进行合理设计，那么数字下变频部分都可以直接使用信道化接收模块输出的正交抽取数据。同理，雷达处理和通信处理的数字上变频部分也可合并到DRFM体制干扰源中的信道化发射模块中。另外，对任意波形发生模块进行一定的设计，则可以涵盖雷达处理波形产生与匹配滤波、通信处理的调制解调以及DDS体制干扰源的压制干扰信号产生等多种应用需求。除了对同一通用模块进行多次调用实现不同更高层次的功能以外，还可以对FPGA程序架构进行设计，通过功能模块复用的方式，在不影响一体化功能性能的同时，降低处理资源损耗[4]。

图3所示为一种简化的一体化设备FPGA处理流程框图，可以适应侦、干、探、通等应用方式。以这种架构对系统进行划分，基本符合“低耦合、高内聚”原则。以信道化接收至DRFM处理为例，两个模块之间只有信道化的降采样率IQ数据，因此属于数据耦合，而无其他类型耦合。每一个模块都是一个可以独立开发并进行调用移植的功能块，因此属于功能内聚的范畴[5]。

图3 FPGA处理框图

按照系统可靠性模型，降低每个功能模块的失效率或采用更少的功能模块能够提高可靠性。本文提出的处理架构，所用到的功能模块相对于其所实现的功能，是远小于单一功能系统的。其次，在功能模块之间尽量采用单输入单输出的结构，使数据流和控制流尽量简单，将缺陷束缚在单一模块内。再次，消耗较少资源的设计也符合降额设计的原则，节约出来的FPGA资源可用以进行恢复块、自检程序等容错设计。综上所述，这种架构对于提高系统可靠性有较大好处[6]。

2.2 DSP处理模块化设计

DSP芯片采用程序和数据分开的哈佛结构以及指令算法，一般使用C++语言编程工具进行开发，其处理算法通过取指、执指完成，其对资源的占用并非一直存在，而是具备生命周期管理，模块间的调用通过进程或者事件。因此，DSP的模块化设计方法不同于FPGA。

在面向对象编程语言中实现模块化设计时，可以使用类（Class）。DSP功能模块模型如图4所示。模型通过输入数据、处理算法、输出数据的路径完成信号处理流程，处理参数来自外部接口和内部变量；采用事件触发的方式实现功能模块的调用与被调用；根据不同类型的处理方法，采取不同的控制流程，由执行控制表对处理过程进行逻辑判断和控制[7]。

图4 DSP处理模块化

接收干扰信号处理中的统计门限生成、参测、识别以及雷达处理中的MTD、CFAR门限生成、目标检测、参测、点迹航迹融合都可以使用类的方式进行实现。其中部分具有相似性的功能则可以通过类的继承特性进一步提升设计效率，如统计门限生成和CAFR门限生成、参测（接收机）和参测（雷达）。对软件的维护升级可以只对某模块内部进行修改或更新，不对接口和其他模块造成影响[8]。

2.3 通用处理器模块化设计

通用处理器具备较好的通用性和标准化的行业规范，在操作系统、接口以及通用组件方面能方便地获得技术支持，而对于人机交互、综合控制、目标管理等功能，其定制性和可拓展性要求更高，同时对计算量的要求相对较小，因此这部分功能适合采用通用处理器作为载体。除此之外，对于数据融合、态势感知这种一体化设备的增量功能，也适合采用通用处理器作为载体。

随着相关功能软件的规模变得更为庞大，且需具备灵活动态重构和持续迭代升级的能力，因此需进一步改进模块化设计，建立开放式、标准化和松耦合的软件架构。以某航空平台软件产品线为基线所提出的架构模型如图5所示。

图5 通用处理框架模型

在具体设计时，通过对装备席位设计、装备功能定义，选择并管理相关功能组件，基于架构标准接口，设计并验证不同功能和不同功能组件之间的数据流、控制流，最终生成满足系统需求的工作单元。

一体化装备的催生是基于体积、重量、功耗等急需解决的问题，而它的产生又带来额外的好处，如功能协同增效、数据融合、态势感知等。以JDL模型（Joint Directors of Laboratories）为例，它将数据融合过程分为信源处理、目标提取、态势提取、威胁提取、过程提取以及数据库，以此处理贯穿信息源到用户界面，中间涉及复杂的传输接口、进程、事件以及组件，使用上述所提出的模块化软件架构可以更加方便实现相应功能，并具备较高的可靠性，以及更方便的可维护性可拓展性。

3 结语

文章对一体化电子作战装备在信号处理方面的问题和需求进行了分析，以一种能够实现灵活动态可重构能力的FPGA+DSP通用处理器的信号处理硬件平台作为讨论基础，提出了一种模块化的设计方法。采用该信号处理架构，相比于传统的单一电子战装备简单组合的方式，可有效提高开发效率、增加装备可靠性、增强可维护性和可拓展性，能够满足未来电子作战装备开发需求。本文依据处理数据量、实时性、调用类型等特点，对处理功能按照处理器类型进行了划分，并分别针对FPGA、DSP和通用处理器的处理方式提出了相应的模块化设计思想和方法，为未来装备的系统研制提供了理论支撑和方法参考。