基于PCI Express總線(xiàn)的R-D算法實(shí)時(shí)成像系統設計

　　R-D算法是SAR成像中應用最廣的一種算法，因其具有原理直觀(guān)、實(shí)現方便等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際中有廣泛的應用。R-D算法的基本特點(diǎn)是運動(dòng)補償、參數估計比較靈活，距離向處理和方位向處理分開(kāi)，運算既是并發(fā)的、又是流水的，同時(shí)他又具有SAR成像本身的大運算量、大存儲量等特點(diǎn)，故R-D SAR信號處理機在系統結構上有其自身的特點(diǎn)。本文在分析R-D SAR信號處理特點(diǎn)的基礎上探討R-D SAR成像系統的設計，整個(gè)系統利用當前流行的PCI Express總線(xiàn)進(jìn)行數據通信，提高了數據傳輸能力。

　　1 R-D算法流程及特點(diǎn)

　　距離-多普勒成像雷達雖然有多種參數估計方法，各自的成像算法又有很大的差異，但基本運算和算法流程差別不大，如圖1所示。

　　其中，(2)～(6)表示成像處理。在(2)中一般采用dechirp或者匹配濾波的方法。如果采用dechirp方法，要生成一幅8 192×8 192點(diǎn)的圖像，需要在距離向處理中進(jìn)行8 192次8 192點(diǎn)FFT運算；而同樣大小的圖像如果采用匹配濾波的方法則需要16 383×8 192點(diǎn)FFT運算，這還沒(méi)有包括運動(dòng)補償和乘以解調頻函數(dechirp方法)或乘以脈壓匹配函數(匹配濾波方法)中的乘法運算。圖中(3)就是專(zhuān)門(mén)進(jìn)行距離向處理所必需的參數估計、運動(dòng)補償因子計算以及解調頻函數或脈壓匹配函數的計算。這個(gè)過(guò)程往往需要用到預處理完成后的部分數據甚至全部數據，有時(shí)還要用到中間結果的部分數據甚至全部數據。完成距離向處理后，為了在方位向處理時(shí)數據能夠在存儲器中按方位向連續存放以加快存取速度，要將數據轉置(4)(這里原始數據按距離向連續存放)。方位向處理與距離向處理類(lèi)似，但方位壓縮(5)一般采用匹配濾波的方法，因為方位回波的帶寬比較寬。而這期間也要由(6)來(lái)專(zhuān)門(mén)估計方位向參數，計算相位校正函數和方位向脈壓匹配函數。

　　由此總結R-D SAR成像雷達信號處理的特點(diǎn)如下：

　　巨大的存儲量 顯然，僅存一幅8 192×8 192點(diǎn)復圖像所需要的存儲量約為512 MB，如果乒乓工作，那么處理器的存儲能力需要超過(guò)1 GB，顯然應該用SDRAM。

　　巨大的運算量因距離向和方位向都要進(jìn)行脈沖壓縮，故運算量非常大。以8 192×8 192點(diǎn)圖像為例，若兩個(gè)方向都采用匹配濾波方法，一共需要進(jìn)行32 768次8 192點(diǎn)FFT運算；若采用基2方法，僅FFT運算就需要1 280萬(wàn)次復數乘法，3 432萬(wàn)次復數加法。設合成孔徑時(shí)間是5 s，則在一個(gè)合成孔徑時(shí)間內算出一幅圖像要求處理器的有效運算能力在10億FLOPS以上，因此必須采用多處理器結構。

　　處理的并發(fā)性和流水性 原始數據一般是以回波到達順序進(jìn)入信號處理機，這樣在距離向處理時(shí)可采用流水方式進(jìn)行，流水線(xiàn)以子孔徑為單位分級。方位向的參數估計往往需要整個(gè)孔徑長(cháng)度的方位回波，所以方位向處理要等到在整個(gè)孔徑上完成距離向處理后才開(kāi)始并發(fā)執行。因此不僅要考慮整體的流水操作，還要考慮距離向處理和方位向處理的差異。 巨大的通信數據率 在進(jìn)行參數估計和計算校正函數以及匹配函數時(shí)往往要用到數據的部分或全部樣本，由于運算集中在計算FFT上，處理器能夠花費在參數估計上的時(shí)間已非常有限，讀取數據的時(shí)間就更少了，這就要求在處理器的各模塊之間有良好的拓撲結構和很高的數據傳輸速率。

　　2 PCI Express總線(xiàn)技術(shù)

　　2.1 PCI Express總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　在基于PCI總線(xiàn)的PC世界或工控領(lǐng)域里，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )流量的不斷提高，PCI和PCI-X的多點(diǎn)并行架構的瓶頸越來(lái)越突出，而PCI Express架構具有更高的性能，可以突破此類(lèi)瓶頸的限制。PCI Express架構采用串行輸入／輸出結構，每條通道在每個(gè)方向上的發(fā)送和接收數據速率高達2.5 Gb／s，最新的PCI Express 2.0的數據速率更是高達5 Gb／s，具有更好的可擴展性，可提供更高的帶寬。由于PCI和PCI-X總線(xiàn)采用共享多點(diǎn)并行總線(xiàn)架構，所以當總線(xiàn)中的插槽和設備數量增加時(shí)，有限的總線(xiàn)資源會(huì )被多個(gè)設備共享，于是帶寬就會(huì )相應的下降。PCI和PCI-X采用平行的、多點(diǎn)下傳的連接架構，很容易產(chǎn)生串擾現象，此外所有的信號線(xiàn)必須完全等長(cháng)，否則無(wú)法將信號同步傳到另一端，而會(huì )產(chǎn)生信號扭曲。這些問(wèn)題讓PCI的時(shí)鐘頻率難以提升，電壓也難以下降，造成速度提升上的發(fā)展限制。而PCI Express采用序列的、點(diǎn)對點(diǎn)的連接架構，收發(fā)數據差分傳輸，可以避免信號不同步并且減少干擾。PCIExpress帶寬隨著(zhù)通道數的增加而增加，如表1所示。

　　PCI Express是全新第三代I／O串行總線(xiàn)標準，其性能超越了以前的PCI標準。但是PCI、PCI-X與PCI Express仍將在未來(lái)的一段時(shí)間內共存。PCI Express可提供專(zhuān)用的、高性能的、可擴展的帶寬總線(xiàn)和卓越的以太網(wǎng)性能，其功能遠遠超越了PCI和PCI-X的共享多點(diǎn)架構。從軟件上看，采用PCI-Express架構可以兼容所有為PCI設備編寫(xiě)的軟件。

　　在雷達信號處理系統設計中，要突破帶寬的限制，PCIExpress總線(xiàn)是一個(gè)不錯的選擇。在PCI Express點(diǎn)到點(diǎn)的結構中，每個(gè)設備都有一個(gè)專(zhuān)用連接而不必共享帶寬。一種典型的通過(guò)PCI Express互連的信號處理架構就是每個(gè)設備都與一個(gè)系統控制模塊相連。值得注意的足，系統控制模塊必須具備對串行數據進(jìn)行交換的能力。

　　2.2 支持PCI Express總線(xiàn)的MicroTCA機箱

　　在工控機箱領(lǐng)域，MicroTCA充分采納和沿用了AT-CA的各項優(yōu)點(diǎn)，把ATCA的AMC模塊(Advanced Mez-zanine Card)作為系統的基本配置單元，具有更小的體積、更緊湊的結構和相對較低的系統成本，所以采用MicroT-CA架構的機箱是一個(gè)好的選擇。

　　MicroTCA是一個(gè)完全模塊化的系統平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機箱和風(fēng)扇等，其結構如圖2所示。

　　AMC是MicroTCA的基本功能模塊，他有6種標準尺寸，這里采用148.8 mm*13.88 mm*181.5 mm的標準。用AMC可以實(shí)現數據處理、數據存儲、數據通信和數據I／O功能。與CPCI系統的PMC模塊相比，AMC在結構、功能、性能、互連方式和擴展能力等方面都有很大優(yōu)勢。MCH(MicroTCA Controller & Hub)是MicroTCA的系統控制、管理和數據交換模塊。每個(gè)MCH可以對12個(gè)AMC提供數據交換和管理功能，每個(gè)系統最多可有4個(gè)MCH通過(guò)更新通道互連實(shí)現多達48個(gè)AMC的數據交換和管理。每個(gè)AMC最多有21個(gè)可配置的高速數據接口，每個(gè)MCH最多有60個(gè)可配置的高速數據接口，這些接口通過(guò)MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡(luò )實(shí)現高速數據通信。

　　MicroTCA擁有標準化的功能模塊、可配置的業(yè)務(wù)類(lèi)型、可擴展的背板傳輸帶寬、緊湊的物理結構、靈活的應用方式、梯級化的可靠性設計、較低的開(kāi)發(fā)和應用成本、較少的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、更長(cháng)的產(chǎn)品生命周期?；谶@些先進(jìn)特性，MicroTCA必將得到廣泛的應用。

　　綜合上述優(yōu)點(diǎn)，我們采用具有MicroTCA架構的提供標準PCI Express總線(xiàn)的工控機。ELMA公司的MicroTCA 7U系統平臺符合PICMG規范，提供標準的PCI Express插槽，支持單寬、雙寬，半高、全高的AMC模塊，采用風(fēng)冷的冷卻方式，具有高級的EMC屏蔽和靈活的組合方式，是我們雷達成像處理系統所需標準機箱的一個(gè)不錯的選擇。機箱的底板采用ELMA公司的14槽MicroTCA背板，他符合MicroTCA.0 R1.0標準規范，具有12個(gè)AMC模塊、1個(gè)電源模塊、1個(gè)MCH模塊，單槽數據帶寬可達40 Gb／s，具有高速串行連接器，支持6.25 Gb／s的傳輸率，此外還有標準的系統管理接口。底板的主要功能是給采集／存儲板卡及信號處理板卡提供標準的PCI Express插槽，給板卡供電的同時(shí)可以實(shí)現主機與板卡間的通信以及板卡間的相互通信。