Цифровая обработка спутниковых ЛЧМ-сигналов в реальном времени средствами ПЛИС Xilinx

Тутыгин Владимир Семенович; Южаков Андрей Васильевич

УДК 621.391:004.421

В.С. Тутыгин, А.В. Южаков

цифровая обработка спутниковых лчм-сигналов в реальном времени средствами плис \ilinx

Обнаружение и определение параметров спутниковых ЛЧМ-сигналов в реальном времени - задача весьма сложная в техническом отношении. Известный способ решения этой задачи заключается в преобразовании с помощью аку-стооптоэлектронного процессора, преобразующего поток ЛЧМ-сигналов в поток мгновенных спектров [1, 2]. Технические возможности современной аппаратуры позволяют получать мгновенный частотный спектр за 1-4 мкс при количестве разрешимых элементов до 128-256. В результате на аппаратуру цифровой обработки поступает поток мгновенных спектров с частотой следования элементов от 40 МГц (если каждый мгновенный спектр включает от 128 частотных линий). Основные задачи цифровой обработки - обнаружение в реальном времени ЛЧМ-сигналов в условиях шумов и помех и определение параметров ЛЧМ-сигнала, таких, как центральная частота, полуширина спектра и амплитуда. Способы решения этих задач в режиме off-line, рассмотрены в [5-8]. Для решения этих же задач в режиме

on-line необходимо применение аппаратных средств цифровой обработки на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Сведения о системах такого назначения, в которых быстрое преобразование Фурье, обнаружение, фильтрация узкополосных помех и определение параметров широкополосных сигналов в реальном времени реализованы полностью на ПЛИС, приведены в [3, 4]. Однако гибридные системы, одна из которых рассмотрена в данной статье, сочетающие возможности акустооптоэлектронных процессоров с возможностями средств цифровой обработки, реализованных на современных ПЛИС и быстродействующих сигнальных процессорах, в настоящее время по техническим характеристикам превосходят полностью цифровые системы, созданные на основе ПЛИС.

Структура системы регистрации и цифровой обработки данных (СРЦОД) приведена на рис. 1.

В состав аппаратной части СРЦОД входят промышленный компьютер IPC-6806WHB-20ZAS51 в специальной комплектации и модуль цифровой

Рис. 1. Структура СРЦОД

обработки сигналов ADP64ZAZ2PCI с субмодулем ввода аналоговых сигналов ADM212X100M.

Задачи и средства цифровой обработки

Для цифровой обработки сигналов использованы ресурсы ПЛИС, быстродействующего сигнального процессора TMS и компьютера.

В процессе цифровой обработки решается несколько задач:

1) фильтрация шумов и помех в потоке данных;

2) сжатие потока данных;

3) анализ потока данных с целью автоматического определения порога шума и диапазона частот «сильной» помехи (в режиме определения карты помех);

4) формирование команд на переключение частотных каналов и поляризации;

5) обнаружение информативных сигналов в потоке данных и идентификация параметров: центральной частоты, полуширины спектра и мощности;

6) анализ обнаруженных сигналов с целью исключения возможности ошибочного принятия сигнала помехи за информативный сигнал;

7) передача параметров информативных сигналов на другой компьютер;

8) регистрация сжатого потока данных;

9) реконструкция спектров и сигналов по сжатым данным.

Процедура обработки состоит из предварительной обработки входного потока мгновенных спектров (кадров) и расчетов, производимых в соответствии с выбранным режимом работы.

На этапе предварительной обработки производится выделение сигнала из шума (п. 1) и формирование 32-битных отсчетов, содержащих амплитуду сигнала, индекс в кадре и номер кадра для исключения из дальнейшей обработки неинформативных данных (п. 2). На практике не более пяти отсчетов в мгновенном спектре превышают уровень шума. В этом случае предварительная обработка уменьшает объем данных почти в 10 раз: размер кадра данных = 128*12 бит = 1536 бит; объем обработанных данных = 32 бит*5 = 160 бит. Предварительная обработка данных требует высокой скорости выполнения, поэтому реализована в ПЛИС.

Параметры фильтрации определяются в автоматическом режиме из анализа фона в отсутствие информативного сигнала и передаются в ПК для

визуального контроля и дальнейшего повторного использования (п. 3).

Известный способ обнаружения информативных сигналов в потоке спектров основан на детектировании превышения амплитудой дискретных значений порогового уровня - уровня шума. Установлено, что оптимальный уровень шума может быть определен автоматически при условии, что максимально возможная ширина полосы частот ЛЧМ-сигнала может быть предварительно оценена. Изучение большого количества реальных спектров, полученных с помощью комплекса аппаратуры приема и регистрации спутниковых сигналов, показали, что фоновый шум в любом из мгновенных спектров (кадров), независимо от того, присутствует или нет в нем ЛЧМ-сигнал или какая-либо помеха, занимает не менее 90 % от общего спектрального диапазона кадра.

Предлагаемая методика автоматического определения порога шума основана на регистрации шумового сигнала в секторе наблюдения до момента пролета спутника, в последующем построении амплитудной гистограммы Q кадров и определения порога шума как уровня отсечения 90 % площади амплитудной гистограммы. В общем случае уровень отсечения должен быть установлен на уровне (100-К) %, если ЛЧМ-сигнал в совокупности с сигналом помехи большой амплитуды, соизмеримой с амплитудой ЛЧМ-сигнала, занимает К % от общего спектрального диапазона кадра.

На рис. 2 приведен пример амплитудной гистограммы, построенной в результате статистической обработки 100 последовательных кадров, и показан определенный автоматически порог шума.

Удаление шумовых сигналов, превышающих автоматически установленный уровень шума, производится при последующей обработке. В процессе последующей обработки сжатого потока данных производится накопление 5" кадров, начиная с момента, когда входной сигнал превысит определенный автоматически установленный порог шума. В результате будет получен ЛЧМ-сигнал. В этом накопленном сигнале могут присутствовать не только ЛЧМ-сигнал, но и отдельные помехи, превышавшие уровень шума. В ходе цифровой обработки накопленного сигнала фрагменты кадра, имеющие ширину полосы частот меньшую, чем минимально возможная у обнаруживаемого ЛЧМ-сигнала, обнуляются. Этим обеспечивается исключение ложного обнаружения.

I

I i

Рис. 2. Пример амплитудной гистограммы 100 последовательных кадров Штрих-пунктирная линия показывает автоматически определенный порог шума

Программа ЦОС, выполняющаяся на процессоре модуля, осуществляет загрузку из ПК конфигурационных параметров модуля, режима работы и данных, необходимых для функционирования в заданном режиме.

В зависимости от режима работы осуществляется расчет параметров сигнала и выдача ПК уведомлений о соответствии параметров сигнала определенным критериям (п. 5), либо данные передаются в ПК где они сохраняются для последующего анализа(п. 8, 9).

Состав программной части СРЦОД

Программная часть СРЦОД состоит из четырех компонент.

1. Прошивка ПЛИС модуля. Предоставляет функции управления субмодулем и содержит алгоритмы предварительной обработки сигналов.

2. Программа процессора модуля. Управляет аппаратными средствами посредством библиотеки, поставляемой производителем, осуществляет обработку данных и передает результаты в ПК. Библиотеки для процессора ЦОС реализуют основные функции библиотеки С. При этом вызовы функций, работающие с потоками вывода и файлами, посредством системы сообщений, доставляются в управляющую программу ПК. Это позволяет осуществлять загрузку конфигурационных файлов из программы ЦОС с файловой системой ПК и выводить сообщения посредством обычного вызова рпП^ что делает очень удобным процесс отладки.

3. Драйвер модуля и библиотеки, предоставляющей средства управления модулем.

4. Программа пользователя, управляющая работой модуля.

Принцип функционирования СРЦОД

Выходной сигнал акустооптического приемника формируется в устройстве съема информации с ПЗС-фотоприемника и имеет вид аналогового сигнала в диапазоне от нуля до 2,048 В, развернутого во времени. Сигнал во времени представляет собой непрерывную последовательность кадров. Каждый кадр содержит 128 информативных значений сигнала, количество значений соответствует количеству элементов ПЗС-фотоприемника. Кроме аналогового сигнала устройство съема формирует импульсные синхросигналы сопровождения (кадровые и элементные синхроимпульсы), необходимые для работы системы обнаружения, запоминания и отображения сигналов акустооптического приемника DMA

Субмодуль ADM212X100M осуществляет преобразование аналогового сигнала в 12-битный код, проходящий предварительную обработку в ПЛИС. Если карта помех не определена, то все элементы спектра помещаются в FIFO, реализованное в стандартной прошивке ПЛИС ADM. В противном случае в FIFO попадают только информативные элементы спектра. Карта помех представляет собой набор регистров, хранящих уровни шума каждого канала и битовые массивы, индексируемые номером элемента спектра, определяющие информативность этого элемента.

Перед записью в FIFO данные преобразуются в 32 разрядные отсчеты, содержащие номер кадра, номер элемента в спектре и код АЦП. Мож-

но заметить, что в том случае, когда фильтрация не применяется, объем данных увеличивается почти в три раза. Но это не является проблемой, поскольку подобная ситуация возникает только в режиме определения параметров карты помех. Пропускная способность интерфейсов модуля и вычислительные возможности процессора модуля обеспечивают обработку данных такого объема. В ПК передаются только результаты обработки.

Предварительная обработка не требует вычислительных ресурсов процессора модуля.

Программа ЦОС модуля последовательно, в соответствии с заданной конфигурацией, переключает частотные каналы акустооптического приемника. Команды управления передаются через порт PIOX, обеспечивающий необходимо высокую (500 кБ/с) скорость обмена данными. После переключения канала производится запуск АЦП субмодуля, и данные из FIFO по каналу DMA передаются в память, доступную процессору модуля. В зависимости от установленного режима работы в программе ЦОС производятся следующие расчеты.

• Определение карты помех. Производится подсчет частоты появления в спектре амплитудных значений и на основе задаваемого квантиля

определяется уровень шума. Элементы спектра, превышающие уровень шума, отмечаются в карте помех. Карта помех передается в ПК для визуального анализа оператором и может быть сохранена для последующего использования.

• Определение параметров сигнала и принятие решения об обнаружении ЛЧМ-сигнала. Информация об обнаружении и характеристики сигнала передаются в ПК и могут транслироваться при необходимости на другой компьютер по протоколу syslog.

Режим работы и конфигурационные параметры программы ЦОС задаются программой ПК при запуске сеанса приема/обработки сигнала. Во всех режимах работы программы ЦОС оператор ПК может визуально наблюдать принимаемый сигнал. Пример представления информации в кадре, содержащем информативные сигналы и шумовой фон (без фильтрации помех), приведен на рис. 3.

Последовательность обработки информационного потока данных показана на рис. 4.

Загрузка ПЛИС модуля производится однократно, при загрузке операционной системы. Загрузка программы процессора ЦОС производится при запуске сеанса обнаружения.

Рис. 3. Пример представления информации в кадре

SDRAM

Рис. 4. Последовательность обработки информационного потока данных

Использование аппаратной цифровой обработки потоков данных акустооптического приемника с помощью модуля ADP64ZAZ2PCI позволяет обрабатывать информативную часть потока данных в течение всего сеанса связи без потерь информации и перерывов и в полном объеме.

Пропускная способность системы цифровой обработки зависит от степени сложности алгоритма обработки. При реализации упомянутого выше алгоритма пропускная способность составляет не менее 40 Мб/с.

Алгоритм цифровой обработки

Система регистрации и цифровой обработки данных (СРЦОД) проектировалась в расчете на прием и анализ сигналов в двух частотных диапазонах и двух поляризациях в каждом диапазоне. Признак поляризации (0 или 1) определялся через отношение амплитуд А шах// одного канала /, но разных поляризаций/, т. е. Ашах00/Ашах01 и Ашах10/4шах11. Если, например, 1 < Ашах00/ Ашах01 < 10, то считалось, что сигнал канала 0 не поляризован, иначе - поляризован. СРЦОД управляла в рельном времени подсистемой переключения каналов и поляризаций и подсистемой автоматической регулировки усиления (АРУ).

Алгоритм работы СРЦОД в режиме обнаружения, когда карта помех заполнена и установлен

порого шума в каждом канале, может быть описан следующим образом.

В ПЛИС ADM, входящей в состав СРЦОД, производится сканирование каналов 0-1 и поляризаций 0-1 по 4 мс* на канал до момента обнаружения информативной линии в кадре (выше уровня помех и не совпадающей с картой помех). Номер канала выводится в цифровой порт PIOX для передачи в контроллер приемника. Цифровая информация из ПЛИС в течение 1 мс после переключения канала и в течение 1 мс после обнаружения первой информативной линии в кадре в процессор СРЦОД не передается.

В момент обнаружения первой информативной линии через порт PIOX в контроллер приемника передается признак обнаружения, на 25 мс прекращается переключение каналов и на 4 мс (на время отработки АРУ) блокируется передача данных из ПЛИС в СРЦОД. После истечения 4 мс продолжится поиск информативных линий в кадрах и с момента обнаружения первой информативной линии в течение 1 мс (это время достаточное для приема одного ЛЧМ-сигнала,

* Время может устанавливаться и другое, в пределах от 1 до 10 мс. Код номера канала включает номер канала (0, 1) и номер поляризации (0, 1) в формате ЫК, ЫР Возможны значения 00, 01, 10, 11.

занимающего от 5 до 10 кадров) производится обнаружение кадров, содержащих информативные линии, и передача информации об обнаруженных линиях в блок цифровой обработки. Данные передаются в виде 32-разрядных слов, каждое слово содержит выходной код счетчика кадров (12 бит), выходной код счетчика данных в кадре (8 бит), выходной код АЦП (12 бит).

В режиме «Обнаружение» управляющая программа сигнального процессора реализует следующий алгоритм.

1. Ожидание появления на выходе ПЛИС информативного элемента в потоке сжатых данных.

2. Чтение текущего информативного элемента потока сжатых данных. Каждый элемент потока содержит номер кадра KN, номер информативного элемента в кадре EN и амплитуду А информативного элемента. Номер канала i и номер поляризации j для элемента потока формируются в ПЛИС. Если элемент с текущим номером отсутствует - переход к п. 1.

3. Чтение коэффициента усиления приемника.

4. Суммирование элементов потока сжатых данных, начиная с текущего до обнаружения признака конца пачки информативных сигналов. Признаком конца пачки является изменение номера кадра больше, чем на единицу, т. е. при KN.+1 - KN. > 1. (Учитывая, что емкость счетчика кадров равна 4096, при переходе от номера кадра 4095 к 0, получим KNi+1 - KN= -4095, поэтому ошибки в определении признака конца пачки не происходит).

5. Вычисление параметров пачки информационных сигналов и формирование массива PPL параметров пачки по i-му каналу j-й поляризации:

номера линии начала ENS;

номера линии конца ENF;

номера линии центра пачки S = (ENS + + ENF)/2;

максимальной амплитуды информативного сигнала в пачке;

коэффициента усиления приемника KP.

6. Проверка параметра 5" ширины пачки. Если 5" меньше ожидаемой минимальной ширины пачки, инкремент текущего номера элемента потока сжатых данных, затем - переход к п. 2. Это нужно, т. к. возможно, что в момент начала приема ЛЧМ-сигнал уже передавался, и он зарегистрировался не полностью.

7. Сохранение массива РР1. параметров пачки информативных линий по /-му каналу .-й поляризации.

8. Инкремент текущего номера элемента потока сжатых данных до момента изменения номера поляризации (с 0 на 1 или с 1 на 0).

9. Проверка текущего номера поляризации .. Через 4 мс после изменения номера поляризации с 0 на 1 (за 4 мс уже будет зарегистрирован информативный ЛЧМ-сигнал, если он есть) проверка наличия РР10 и РР1/Г Если РР1Й и РР1Я существуют, вычисление отношения амплитуд Атах0/ Атахя для определения параметра поляризации РР/ по /-му каналу. Параметр поляризации РР = 1,

если Атахп/Атах, < 0,1 или Атах/Атах, > 10,

/0 /1 ' /0 /1

иначе РР = 0. Если же РР10 или РР1Я не существуют РР = 0. Тип поляризации ТР = 0, если Атах0/

Атах, < 0,1, и ТР = 1, если Атахп/Атах, > 10.

/1 ' ' ' /0 /1

10. Формирование пакета данных с результатами обнаружения, содержащего центральную частоту, полуширину спектра, амплитуду и признак поляризации.

11. Проверка времени работы в режиме «Обнаружение». Если время больше заданного, например, 5 мин, выход из режима Обнаружение» иначе - переход к п. 2.

Технические данные системы цифровой обработки

Основные технические характеристики разработанной системы цифровой обработки потоков мгновенных спектров спутниковых сигналов приведены в таблице.

Примеры результатов регистрации реальных спутниковых сигналов приведены на рис. 5 и 6. На рис. 5 показан вид экрана монитора компьютера

Основные технические характеристики

Наименование Значение

Максимальная длительность во времени регистрируемого входного аналогового сигнала, мин 20

Максимально возможная частота дискретизации входного аналогового сигнала, Мб/с 40

Максимальный объем обрабатываемой за один сеанс информации, Гб 48

Разрядность слова данных потока преобразованных цифровых данных, бит 12

Количество программируемых каналов - источников данных в пакете заданий на регистрацию 4

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Время обнаружения и вычисления параметров информативного сигнала, не более, мс 25

Щ Kiwi Syslog Daemon (Version 8.3.40)

I File Edit View Help

| а Щ Q Display 00 (Default) v

Time Message