基于DSP+FPGA的通用SSR信号处理机设计

0 引言

二次雷达(Secondary Surveillance Radar,SSR)目标识别系统能够通过发射特定的射频脉冲序列对装有应答机的目标进行“一问一答”式的询问，由应答机的应答脉冲码获得目标的高度、编号等信息。航管二次雷达常用的基本工作模式为传统的A/C模式和新近的S模式。

A模式提供飞机的代码，C模式提供飞机的高度码。但是，传统的A/C 模式存在一些技术缺陷，如多目标代码交织、重叠、多径反射，同步窜扰，异步干扰等。这在大型航空港等飞机非常密集的地方，时间不同步和混淆信号已经越来越严重，同时单脉冲二次雷达无法提供数据链路的服务。

针对上述情况出现了一种新式的二次雷达--S模式二次雷达。S模式是一种先进的雷达询问系统，它建立在独立编址和选择性询问的基础上，能够解决在模式A/C中具有的信号干扰、有限的信息编码、幻影(garble)和异步应答(fruit)等问题，同时在数据链路方面也具有巨大的潜力。

本文采用通行的FPGA+DSP 结构，结构简单清晰，功能强大，成本相对较低，实现了3/A、C、二级S模式码发射;接收并处理三路射频信号，检测并正确提取AC码、S码及相应参数，;输出航管的A模式，C模式和S模式编码信号，并有较强的抗干扰能力。

1 二次雷达处理机基本性能要求

二次雷达指标为：工作模式3/A、二级S模式功能，处理能力≥10 000 点/帧，同时≥900 批/帧。抗异步串扰密度10 000 fruits/s;检测概率≥99%,虚警率1个/帧，解码有效率≥99%;具有接收旁瓣抑制和询问旁瓣抑制能力，可自适应反串扰和他站应答干扰;具有抑制反射假目标的能力。

根据上面基本要求，二次雷达可以按任务分解为：

解码、发射时序、点迹处理、通信四种功能。相对而言，FPGA易于处理大数据量的流水数据，不适于复杂算法的事务处理，开发调试困难。DSP功能强大、运算速度快、寻址灵活、通信能力强，易于开发;但有些功能仅DSP 无法完成，必须有FPGA 配合。这就要在FPGA 和DSP 之间合理分配任务。因此这里除了点迹由DSP 处理外，其他都由FPGA来完成。系统结构如图1所示。

FPGA完成三通道采样、下变频、AC码、S码检测提取，两片DSP 分别完成AC 码、S 码点迹处理。FPGA 同时完成与航迹管理机双向通信，及控制发射机的发射时序。

系统接口一般有FIFO和双口RAM,前者适于顺序事务处理，但速度慢，而且需要加同步头，不适于DMA处理。这里全部采用FPGA内部的双口RAM,并且置为乒乓结构，这样可利用DMA 高速处理大量数据。同时为了加快处理速度，DSP外总线全部采用同步方式。

根据性能要求，为了同时装配4路AC码，专门设计了接口同时捕获4路信号，并顺序处理捕获的信号。

2 系统软件流程及功能

从系统的性能及硬件结构可以看出，FPGA的任务相当复杂，要完成解码、发射及相应的通信功能。解码框图如图2所示，基本过程是下变频，幅度、相位校正，门限处理，再分别AC通道和S通道处理。

FPGA除了完成解码、还要完成编码和时序控制功能，编码框图如3所示。由于航迹管理机有空中飞机的历史航迹，因此发射模式是由航迹管理机来配置的。航迹管理机根据历史航迹来确定某一方位的询问是全呼叫还是点名，并确定回答概率等参数。然后并将这些参数传入发射模式表。编解码根据方位读取相应参数，并产生相应编码脉冲。

2.1 编码主要系统软件流程及功能

2.1.1 下变频模块

二次雷达要求和、差、控制三通道同步，因此系统中频放到了信号处理机，这样便于同步。系统中频是60 MHz,采样80 MHz,采样后，必须滤波并抽取。下变频一般用DDS模块，但DDS占用资源较大，这里I,Q通道各自只用了4个预置值。一般预置值I通道采用[1,0,-1,0],Q通道采用[0,1,0,-1].但这样遇到采样值是[1,0,-1,0]或[0,1,0,-1]时，一个通道输出是0.因此这里采用[ 2 2, - 2 2, - 2 2, 2 2],[ 2 2,2 2, - 2 2, - 2 2],这样保证每一个通道都有输出值。但这样做会扩大了数据位数，直接截位会影响小信号检测。为了不影响小信号处理，必须在抽取滤波时加大数据位数，最后再截位处理。

2.1.2 求模与相角

求模与相角采用cordic核，这样将I,Q数据转化为模与相角。表1 是cordic 核数据范围表，输入的I,Q的范围是[-1,1].在cordic 核中模与相角分别采用1QN、2QN 表示形式，例如在幅度是用1QN 表示的。假设cordic 核的数据长度是10 位，即幅度用1Q8 表示中，因此1和-1表示为：

同时来自AD的I,Q数据也是用补码表示的。假定AD 数据长度也是10 位，那么正数最大是29-1,即0111111111.这样就超过了cordic核的表示范围，因此cordic核的位数必须正确设置