1、南京青厚電子科技有限公司2010年9月WRP900系列數(shù)字接收機(jī)和信號(hào)處理器產(chǎn)品簡(jiǎn)介1 發(fā)展歷史南京青厚電子科技有限公司憑借著在天氣雷達(dá)領(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)積累和創(chuàng)新精神，并結(jié)合現(xiàn)代IT技術(shù)的飛速發(fā)展，先后推出了多款劃時(shí)代的產(chǎn)品：年份型號(hào)主要技術(shù)特點(diǎn)2009WRP700國(guó)內(nèi)第一個(gè)基于全軟件化的多普勒雷達(dá)處理器。系統(tǒng)采用16bit 高精度A/D完成中頻數(shù)字化，通過(guò)千兆以太網(wǎng)將采樣結(jié)果傳給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件完成多普勒信號(hào)處理、實(shí)時(shí)顯示、二次產(chǎn)品生成。2010WRP500國(guó)內(nèi)第一次在常規(guī)磁控管導(dǎo)航雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字中頻接收機(jī)和多普勒處理。信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)了發(fā)射頻率精確測(cè)量、數(shù)字相位校正、基于統(tǒng)計(jì)原理的雙重

2、頻退速度模糊等功能，從而能廣泛適用于磁控管雷達(dá)的多普勒改造。2010WRP900采用5通道16bit 100MHz高精度A/D轉(zhuǎn)換器和超大規(guī)模FPGA完成中頻的數(shù)字化處理，通過(guò)千兆以太網(wǎng)將I、Q數(shù)據(jù)傳給高性能計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。與總線(xiàn)無(wú)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)允許用戶(hù)選擇最先進(jìn)的PC機(jī)作為信號(hào)處理器，從而可實(shí)現(xiàn)更多的實(shí)時(shí)信號(hào)處理功能。完全具備雙極化、脈沖壓縮、超寬動(dòng)態(tài)范圍等全新功能，全面滿(mǎn)足新一代天氣雷達(dá)的需求。今后，南京青厚電子科技有限公司將繼續(xù)致力于新一代雷達(dá)核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。將完成能用于寬帶高分辨、多波束、相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)字中頻接收機(jī)和信號(hào)處理器，并致力于將信號(hào)處理軟件開(kāi)源化，并正在研發(fā)業(yè)內(nèi)第一款基

3、于GPU并行計(jì)算、運(yùn)算能力達(dá)到萬(wàn)億次的純軟件化雷達(dá)信號(hào)處理器。2 產(chǎn)品簡(jiǎn)介WRP900系列包括兩款產(chǎn)品：1. WRP901 數(shù)字中頻接收機(jī)這是一個(gè)單獨(dú)密封的盒子，以提高抗電磁干擾的能力，并滿(mǎn)足苛刻的環(huán)境條件，它通常安裝在接收機(jī)柜內(nèi)，通過(guò)CAT5E 以太網(wǎng)線(xiàn)或光纖與PC機(jī)相連。WRP901的主要輸入是接收機(jī)給出的中頻信號(hào)，具有5路16位 A/D轉(zhuǎn)換器，用于采樣發(fā)射脈沖與最多4路接收通道。一個(gè)外部時(shí)鐘輸入用于同步A/D轉(zhuǎn)換器（在磁控管雷達(dá)中不需要）。WRP901也設(shè)計(jì)有高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，可以作為整個(gè)雷達(dá)的相參時(shí)鐘。WRP901也能輸出兩路中頻發(fā)射信號(hào)，能對(duì)其相位、頻率、幅度進(jìn)行精細(xì)的控制。在一

4、般情況下，中頻發(fā)射信號(hào)與雷達(dá)的相參本振信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，再經(jīng)過(guò)真空管發(fā)射機(jī)或固態(tài)發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生用于發(fā)射的大功率射頻信號(hào)。更多新的應(yīng)用包括脈沖壓縮和頻率捷變掃描等功能。WRP901也提供了各種數(shù)字I/O接口，例如觸發(fā)脈沖、極化開(kāi)關(guān)控制、脈沖寬度控制等。這些I/O接口都與FPGA 直接相連，在應(yīng)用層軟件中進(jìn)行定義。還提供了6通道輔助A/D轉(zhuǎn)換器、4通道輔助D/A轉(zhuǎn)換器，可對(duì)雷達(dá)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)和控制。圖表 1 WRP901數(shù)字中頻接收機(jī) 實(shí)物照片圖表 2 WRP901數(shù)字中頻接收機(jī)內(nèi)部電路照片圖表 3 WRP901數(shù)字中頻接收機(jī)功能框圖2. WRP902 信號(hào)處理軟件這是一個(gè)運(yùn)行在PC機(jī)上的

5、軟件系統(tǒng)，軟件基于Microsoft的.NET平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的兼容性，并采用了Intel公司的高性能IPP函數(shù)庫(kù)，以提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力。PC機(jī)由用戶(hù)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的不同需求而自行采購(gòu)。PC機(jī)可選用筆記本電腦、工控機(jī)或者工作站，建議選擇雙路四核至強(qiáng)處理器的1U工作站。圖表 4 WRP902 信號(hào)處理軟件主界面南京青厚電子科技有限公司提供了從數(shù)字中頻接收機(jī)、信號(hào)處理，一直到終端實(shí)時(shí)顯示、操控，以及氣象產(chǎn)品生成等一整套產(chǎn)品線(xiàn)。用戶(hù)也可以選擇只購(gòu)買(mǎi)其中的部分產(chǎn)品，例如可以只購(gòu)買(mǎi)WRP901數(shù)字接收機(jī)，利用其輸出的I、Q數(shù)據(jù)進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，這樣的話(huà)，用戶(hù)就可以在其開(kāi)發(fā)的信號(hào)處理軟件上打上他們自己

6、的標(biāo)記了。3 產(chǎn)品特色3.1 強(qiáng)大的性能有史以來(lái)最快的處理器WRP901數(shù)字接收機(jī)的硬件FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）處理芯片每秒能執(zhí)行1280億次乘-加運(yùn)算（具有640個(gè)高精度DSP單元，每個(gè)可工作在200MHz以上），因此整個(gè)的運(yùn)算能力比業(yè)內(nèi)其他公司最新的產(chǎn)品快了2倍以上。這就意味著可以運(yùn)用多種先進(jìn)的處理算法，改善輸出數(shù)據(jù)的質(zhì)量。WRP900系列產(chǎn)品提供了提供了全新的天氣雷達(dá)處理能力，甚至其中有些功能，直到現(xiàn)在仍只在研究領(lǐng)域和某些軍用領(lǐng)域中得到應(yīng)用（在業(yè)務(wù)中還沒(méi)得到正式的應(yīng)用）。其中的一個(gè)先進(jìn)的功能就是：雙載頻接收功能。由于WRP901的中頻數(shù)字接收機(jī)能實(shí)現(xiàn)每秒1280億次/的乘-加運(yùn)算。因

7、此每個(gè)接收通道都實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立的雙通道并行FIR濾波器，從而允許同時(shí)接收兩個(gè)載頻的信號(hào)。與先進(jìn)的DDS（數(shù)字波形合成）功能相配合，這就為新一代的處理技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。例如在兩個(gè)載頻上交替發(fā)射脈沖實(shí)現(xiàn)解模糊，或者在脈沖壓縮體制的系統(tǒng)中，采用寬/窄兩種不同載頻的脈沖，進(jìn)行近距離補(bǔ)盲。憑借著其強(qiáng)大的運(yùn)算能力和優(yōu)秀的算法，WRP900在主要技術(shù)指標(biāo)方面，有了突破性的進(jìn)展，如：線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120dB以上、可將脈寬達(dá)1000s的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮至1s以?xún)?nèi)、地雜波抑制能力可達(dá)60dB以上等，全面滿(mǎn)足新一代天氣雷達(dá)的需求。3.2 開(kāi)放和開(kāi)源硬件開(kāi)放和軟件開(kāi)源與以前那些基于特定的專(zhuān)用DSP芯片和PCI卡的信號(hào)處理

8、器相比，WRP900最顯著的創(chuàng)新之處就在于其采用了單片F(xiàn)PGA的設(shè)計(jì)方法，并將其作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過(guò)CAT5E千兆以太網(wǎng)線(xiàn)，將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)。由于不再要求PC機(jī)具備多個(gè)PCI擴(kuò)展槽了，這樣就可以有更快的CPU、更大的內(nèi)存、更低的價(jià)格的PC機(jī)可供選擇。隨著CPU的快速發(fā)展，處理能力就能水漲船高。WRP901數(shù)字中頻接收機(jī)輸出數(shù)字I、Q數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)進(jìn)行各種處理，包括：PPP、FFT、隨機(jī)相位算法、自適應(yīng)地物雜波抑制算法等。由于數(shù)字中頻接收機(jī)只是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此數(shù)字的I、Q數(shù)據(jù)能被多臺(tái)并行的信號(hào)處理器實(shí)時(shí)接收和處理。這種硬件架構(gòu)具有很多的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于研究而言。除了采用了開(kāi)放的硬件架

9、構(gòu)，WRP900也采用了開(kāi)源的軟件架構(gòu)。WRP902信號(hào)處理軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，信號(hào)處理算法庫(kù)以類(lèi)庫(kù)的形式提供，包含了各種API函數(shù)。研究人員可以修改或者替換現(xiàn)有的算法，或者直接使用WRP901輸出的I、Q數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)他們自己的信號(hào)處理軟件。開(kāi)放的硬件和開(kāi)源的軟件架構(gòu)不但保證了算法的正確性，而且大大降低了用戶(hù)的維護(hù)、升級(jí)成本。通過(guò)采購(gòu)更高性?xún)r(jià)比的PC機(jī)，可以很容易的在將來(lái)進(jìn)行升級(jí)或擴(kuò)展。3.3 超小的體積所有的只在一個(gè)盒子里WRP901將雷達(dá)信號(hào)高精度采集、數(shù)字中頻處理、寬帶信號(hào)產(chǎn)生、相參時(shí)鐘合成器、定時(shí)器等硬件和功能集中到了一個(gè)非常小巧的模塊中，極大的減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度，從而提

10、高了雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的可靠性，降低了維護(hù)成本。機(jī)械尺寸只有240mm160mm45mm，可以很容易的安裝在雷達(dá)接收機(jī)柜中，并通過(guò)最長(zhǎng)可達(dá)50m的CAT5E 以太網(wǎng)線(xiàn)，與運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)相連。對(duì)于需要傳送更遠(yuǎn)距離的情況，則提供了光纖接口，可傳送300m（采用多模光纖）至10km（采用單模光纖）。4 主要技術(shù)指標(biāo)4.1 WRP901數(shù)字中頻接收機(jī)l 中頻信號(hào)輸入通道數(shù)量：5個(gè)l 中頻范圍：5120MHzl 飽和電平： +14.0dBm50l 動(dòng)態(tài)范圍（與匹配濾波器有關(guān)）：90105dBl 超寬動(dòng)態(tài)范圍模式：120dBl A/D轉(zhuǎn)換器分辨率：16bitl 采樣率：50100MHzl 最

11、大運(yùn)算能力：每秒能執(zhí)行1280億次乘-加運(yùn)算l 脈沖重復(fù)頻率：50Hz20kHzl 最小距離分辨率：15m（精度為1.5m）l 最大量程：1024kml 最大距離單元數(shù)：4096l 相位穩(wěn)定度：優(yōu)于0.1度l 中頻波形產(chǎn)生：雙通道16bit D/A轉(zhuǎn)換器輸出頻率范圍：1090MHzSNR：65dB輸出功率：+14dBm50l DDS時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生：輸出頻率范圍：10120MHzSNR：65dB輸出功率：+14dBm50l 輔助I/ORS422接口：20對(duì)差分TTL/CMOS接口：20根模擬輸入接口：6個(gè)通道，電壓范圍是10V，輸入阻抗是10k模擬輸出接口：4個(gè)通道，電壓范圍是10V，能提供5mA

12、的電流RS232串行接口：2對(duì)l 供電：12V10%、4Al 體積：240mm160mm45mm （不含風(fēng)扇） 240mm160mm70mm （含風(fēng)扇）l 溫度范圍：-1050 （工作） -4070 （存儲(chǔ)）4.2 WRP902信號(hào)處理器l 主要處理功能：PPP、DFT、GMAP（自適應(yīng)雜波抑制）、基于隨機(jī)相位的二次回波消除及恢復(fù)l 數(shù)據(jù)輸出（8或16bit）：Z、V、W、SQI、ZDR、LDR、RHOHV、PHIDP以及KDP、I/Q、特定距離單元的多普勒功率譜l 雙極化方式：交織方式、同時(shí)方式、單一水平方式l 方位平均數(shù)目：21024個(gè)相關(guān)脈沖l 雙重頻速度解模糊：2:3、3:4或4:5，

13、可得到2、3或4倍的速度擴(kuò)展l 雜波濾波器：IIR、固定和自適應(yīng)寬度濾波器、GMAP（自適應(yīng)雜波抑制算法，抑制度60dB）5 典型應(yīng)用5.1 系統(tǒng)架構(gòu)整個(gè)WRP900的系統(tǒng)架構(gòu)如下：圖表 5 WRP900的系統(tǒng)架構(gòu)圖5.2 磁控管雷達(dá)的多普勒升級(jí)改造磁控管雷達(dá)的升級(jí)改造示意圖如下所示：圖表 6 WRP900用于磁控管雷達(dá)的多普勒升級(jí)改造示意圖WRP901 數(shù)字中頻接收機(jī)安裝在雷達(dá)接收機(jī)柜中。WRP901通過(guò)數(shù)字或模擬方式控制的微波本振信號(hào)輸出給混頻器，將LNA輸出的射頻信號(hào)變換為中頻信號(hào)。WRP901將發(fā)射耦合的中頻波形和從天線(xiàn)接收到的中頻信號(hào)進(jìn)行高速、高精度采樣后，在FPGA內(nèi)完成數(shù)字下變頻

14、處理，得到I、Q數(shù)據(jù)，再通過(guò)以太網(wǎng)傳給WRP902。WRP902信號(hào)處理軟件可以運(yùn)行在普通PC機(jī)或者筆記本電腦上，通過(guò)先進(jìn)的脈沖測(cè)頻算法，可以精確測(cè)定磁控管的發(fā)射頻率，從而可以完全補(bǔ)償磁控管的頻率漂移，補(bǔ)償方式采用全數(shù)字方式。并通過(guò)對(duì)發(fā)射初相和幅度的測(cè)量，通過(guò)數(shù)字相位校正算法，可以基本上消除磁控管的發(fā)射相位抖動(dòng)，相位誤差可控制在0.5度以?xún)?nèi)，對(duì)地物雜波的抑制能力可達(dá)40dB。5.3 用于高性能的全相參雙偏振雷達(dá)系統(tǒng)將WRP900產(chǎn)品用于全相參雙偏振雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖如下所示：圖表 7 WRP900用于雙偏振雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖在這個(gè)系統(tǒng)中，WRP901接收雷達(dá)系統(tǒng)提供的一路相參時(shí)鐘，這就確保整個(gè)系統(tǒng)

15、是相參的。WRP901同時(shí)提供了發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生功能，能產(chǎn)生1090MHz 高質(zhì)量的中頻信號(hào)。WRP901需要雙通道接收，兩個(gè)接收通道的中心頻率是一樣的，每個(gè)通道都有自己的16位 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相參采集。從圖中可以看出，從常規(guī)雷達(dá)升級(jí)成雙偏振雷達(dá)，無(wú)需增加額外的數(shù)字中頻接收機(jī)和信號(hào)處理硬件設(shè)備，從而大大降低了用戶(hù)的升級(jí)成本。WRP900能提供完整的雙偏振處理結(jié)果，包括：ZDR、KDP、LDR等。雷達(dá)雙偏振的工作體制（單發(fā)單收、單發(fā)雙收、雙發(fā)雙收）決定了到底能輸出哪些有效參數(shù)。由于處理的數(shù)據(jù)量增加了一倍以上，因此運(yùn)行WRP902的計(jì)算機(jī)需選用高性能的工作站。5.4 用于超寬動(dòng)態(tài)、脈沖壓縮、頻率捷變等研究型雷達(dá)系統(tǒng)WRP900產(chǎn)品具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般數(shù)字中頻接收機(jī)和信號(hào)處理器的技術(shù)指標(biāo)，可應(yīng)用于超寬動(dòng)態(tài)、脈沖壓縮、頻率捷變、高分辨等用于科學(xué)研究的雷達(dá)之中。應(yīng)用示意圖如下：圖表 8 WRP900用于研究型雷達(dá)系統(tǒng)的示意圖在這個(gè)系統(tǒng)中，WRP901需要5路16位 A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作。其中4路用于接收水平、垂直