基于CAM關聯比較器的FPGA雷達脈沖預分選器設計

引言

現代電子戰環境日趨復雜，信號日趨密集，新體制雷達不斷出現，雷達信號的各個參數以各種規律變化，因而從密集復雜的信號環境中分選和識別各種新體制雷達信號就成了電子戰信號處理的一大難題。為了滿足電子支援措施(ESM)實時信號分選的需要，對處理器的處理時間提出了較高的要求：不僅要求處理器的硬件結構具有良好的設計和可不斷優化的空間，而且要求器件有較高的集成性，這些已成為不可忽視的因素。經過對相關器件的深入分析和研究，本文采用高速現場可編程門陣列器件(FPGA)替代中小規模集成芯片來設計三參數關聯比較器，從而實現預分選器設計。

1 基于關聯比較器的信號預分選原理

關聯比較器技術對高密度信號環境下的硬件預分選有著積極和重要的意義。關聯比較器用于信號預分選的思路源于傳統信號處理方法中的輻射源參數匹配方法。目前，電子戰系統中對雷達信號實時分選可利用的信息仍然是雷達信號的五大參數：載頻(RF)、脈寬(PW)、到達方位(DOA)、到達時間(TOA)、脈幅(PA)。其中RF一般集中在若干離散的頻率點上，聚斂性好，因此是偵察信號處理中最重要的特征之一；DOA取決于雷達和偵察機的相對方位角，當雷達與偵察機之間沒有相對運動時，DOA為常數，存在相對運動時，DOA變化緩慢，該參數不受雷達信號本身影響，也是偵察信號處理中最重要的特征之一；由于雷達信號PW本身比較穩定，數值分布較集中，具有很好的平穩性和聚斂性，因此也可以作為分選特征之一；由于影響PA的因素太多，使PA的平穩性較差，可信度不高，一般不作為分選依據；而TOA一般作為主處理器的主要分選、識別參數，一般也不作為預處理分選依據。因此從理論上講預處理可利用的有3個參數：RF，PW，DOA。

分選系統的框圖如圖1所示，脈沖分選分為預分選和主分選兩部分，預分選為RF，PW，DOA三參數聯合分選，由FPGA完成；主分選為重頻(PRI)分選，由DSP完成。

根據RF，PW，DOA構成的三參數關聯比較器原理如圖2所示。每部雷達信號在空間占據一個小盒，小盒的中心坐標可以認為是雷達參數，小盒的尺寸取決于參數容差，這與接收機的測量精確度有關。只要測量達到一定精確度，選取合適的容差范圍，就可以對此小盒內的脈沖進行去交錯，最后確定脈沖序列的存在。

2 關聯比較器的設計

由于輻射源特征的多樣性以及脈沖參數測量誤差的引入，使雷達截獲系統脈沖去交錯存在以下兩方面的問題：

(1)由于參數抖動或存在測量誤差，使得參數是一個由上下門限界定的一個范圍。

(2)由于存在參數捷變或參數分集，使得參數存在多值(如頻率捷變、分集等)。

傳統的關聯比較器的原理圖如圖3所示，這種方法是給每個參數設定一個容差，將每個脈沖的PDW與各參數容差進行比較，實際上就是與RF，DOA，PW的最大值與最小值做比較，如果都落在容差范圍內，則產生相應路數的單路匹配信號MATCH。這種方法能夠解決第一個問題，但是對于參數捷變雷達則不能進行分選。另外，由于每一路只能配置一組雷達參數，對于日益復雜的電磁環境，這種方法已不適應。

本文在傳統的關聯比較器上進行改進，設計了基于CAM(Content．Addressable Memory)的關聯比較器。CAM是一種專門為快速查找數據地址而設計的存儲器，通過把輸入數據與其內所存數據同時相比較，能快速確定輸入數據是否與其內部某個數據或幾個數據相匹配。CAM的數據尋址方式因不同應用要求而不同，最快方式下僅需要一個時鐘周期便可完成對所有數據的尋址。

與RAM一樣，CAM也是采取陣列式數據存儲，其數據的寫入方式與RAM相類似，但CAM的數據讀取方式卻不同。在RAM中，輸入的是數據地址，輸出的是數據，而在CAM中輸入的是所要查詢的數據，輸出的是數據地址和匹配標志。

在RAM中，RAM的存儲容量由地址線寬度所確定。例如，10b寬地址總線的RAM存儲容量為210=1024B，CAM卻沒有這個限制，因為它不是采用傳統的通過地址讀取數據的方式。如要從1024B中查詢某一數據，輸入數據寬度為8b，若數據存在，則輸出匹配標志和10b寬的數據地址。因為CAM不是采用傳統的地址線模式讀取數據，存儲空間可以很容易的擴展，輸入數據線寬度只由需查詢的數據位數決定。圖4為數據讀取模式下的RAM和CAM。

基于CAM的關聯比較器原理如圖5所示，三個CAM中分別存儲了多部雷達的RF，DOA，PW參數。當PDW進來時，如果CAM中有與之匹配的參數，則MATCH標志位輸出1，并輸出參數地址，根據輸出三個CAM輸出的地址和MATCH標志位判定輻射源編號。同傳統方法一樣，這種方法也可以進行多路組合，實現對PDw的高速處理。

3 基于CAM的關聯比較器的FPGA實現

本文使用的FPGA為Xilinx公司Virtex 4系列的XC4VSX55。ISE11．1為用戶提供了CAM版本為6．1的IP核，其配置界面如圖6所示。

3．1 地址匹配類型

CAM輸出地址匹配類型有三種配置，默認為binary encoded，也就是輸出匹配的地址信息。另外，也可以配置成single-match unencoded和multi-match unencoded，這兩種模式輸出的就是一個位數與CAM內數據個數相同的二進制編碼，與之匹配的位為1，其余為0。例如，CAM中有8個數據，輸入的數據與第3個數匹配，則輸出00100000。

3．2 三態模式

標準三態模式是指寫入CAM的內容可以為1，O和X，X是指不關心的位，任何值與X比較的結果都是認為是匹配的，比如與10X1匹配的內容為1011，1001。增強三態模式比標準模式多了一個U，U和X剛好相反，指的是任何值與U比較的結果都是認為是不匹配的。

經過對CAM核的分析，三態模式中X的引入可以實現一對多的匹配，這樣CAM中的一個值不但可以對應容差范圍內的多個值，也可以對應參數捷變雷達的中參數的多個值。例如，雷達的頻率參數范圍是01111100b≤RF≤01111111b，CAM中只要預存二進制數011111XX就可以實現。利用這個原理，本文使用Active-HDL 8．2軟件在FPGA中實現了預分選器的設計。

對CAM和RAM單元的初始化數據寫入既可預先初始化，也可在系統工作過程中實時更新。在雷達信號預分選應用中可將已知輻射源庫利用初始化內存文件對CAM和RAM進行初始化。對未知輻射源參數可在系統工作過程中實時動態寫入。

圖7為在Active-HDL8．2中的仿真圖，從輸入的PDW可以得到PW=101，DOA=162，RF=202，三個參數分別進入相應的CAM中得到匹配結果和匹配標志，最終得到與編號為18的雷達匹配。

4 結語

基于CAM的關聯比較器在雷達信號預分選中具有重要意義，能夠極大地提高信號分選的速度，為后端處理節省更多的時間。本系統在FPGA內設計了基于CAM的關聯比較器，實現了雷達信號的快速預分選，達到了實時性和可靠性的要求。