实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法及装置与流程

1.本发明属于波形产生领域，具体涉及一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法及装置。


背景技术：

2.当今随着作战场景的复杂化，全数字化雷达的设计改进更加迫切。全数字化雷达需要将更多功能放入数字可控器件来完成，其中波形产生器的部分混频滤波都需要由fpga来实现。
3.而传统设计波形产生器的fpga功能模块时，大量使用fpga的ip核来简化设计，特别是数字滤波器，多种不同数字滤波器都有自身对应的ip核。但使用fpga的ip核简化设计数字滤波器时，由于滤波器ip核生成时一般需要预置matlab生成的滤波器系数coe文件，一旦数字滤波器设计完成最终配置到fpga后，数字滤波器的参数无法修改。而如果采用数字滤波器组方式来切换滤波器通道的设计方法，fpga内部的资源又常常不够用。
4.采用传统数字滤波器设计方法时，当波形产生器内部的数字滤波器设计完成最终配置到fpga并交付使用后，如果想要修改数字滤波器，只能拆卸波形产生器并重新烧录包含新数字滤波器参数的fpga程序。这种方法既费时又繁琐，还影响正常使用，因此，研究一种不中断工作实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法是非常有必要的。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法及装置。本发明在波形产生器中使用2个fpga：其中一个作为主控fpga，执行数据编码解码、控制指令操作、数据读写、监测上报、数据选择和加载另一个工作波形fpga的更新程序，并且还完成临时波形的产生；另一个作为工作波形fpga，只负责工作波形的产生。本发明实现了在工作时不中断工作实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的功能。
6.本发明的技术方案是：一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法，包含以下步骤：
7.步骤1：将雷达波形产生器中的工作波形模块单独存放于波形产生器的一块工作波形fpga，预先根据工作波形模块工作时所需不同波形对应的滤波器参数生成不同的fpga滤波器ip核，并与整个工作波形模块的fpga工程一起生成多个程序配置文件，存放于波控分机；
8.步骤11：预先根据工作时所需的多种波形计算出对应的滤波器参数，并使用matlab根据这些滤波器参数生成对应的滤波器系数coe文件；
9.步骤12：将步骤11生成的coe文件导入fpga设计软件的ip核设置工具内生成滤波器ip核，并使用fpga设计软件将ip核与整个fpga工程一起综合实现后得到程序配置文件；
10.步骤13：将步骤13生成的程序配置文件按照对应的不同波形存放于波控分机；
11.步骤2：根据需要切换的波形，波控分机下发滤波器重构指令，并发送该滤波器对
应的程序配置文件给主控fpga的ddr3；
12.步骤3：根据滤波器重构指令，主控fpga用自身的临时波形模块替换工作波形模块以使雷达波形不产生中断，并校正不同通道的时延参数，再读取ddr3中的工作波形模块程序配置数据，进行工作波形fpga程序的更新；
13.步骤4：在工作波形fpga程序更新完成并重新产生工作波形后，主控fpga用工作波形替换临时波形完成滤波器重构。
14.本发明还公开了一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的装置，其特征在于：包括波控分机和波形产生器，其中波形产生器包括光电转换模块、主控fpga、工作波形fpga、ddr3、flash和d/a转换模块，波控分机包括有人机交互界面的电脑和光电转接板，光电转换模块用来收发波控光信号，进行波控分机和主控fpga的数据传输，
15.主控fpga用来接收和处理波控分机的数据，并控制工作波形fpga的配置，同时产生临时波形；
16.工作波形fpga用来生成工作波形；ddr3用来存储波控分机发送过来经过解调的波形数据和程序配置数据；flash用来存储主控fpga和工作波形fpga的程序配置数据；
17.主控fpga包含数据处理模块、临时波形模块和数据选择模块；
18.临时波形模块内部包括nco混频、fir与cic滤波器以及波形形式控制；nco混频通过数控振荡器ip核生成点频数据与波形进行混频完成频率调整；fir与cic滤波器对混频数据进行插值滤波，滤除混频产生的镜像频率，并使混频数据的数据率调整到与临时波形dac数据一致；
19.工作波形fpga内部装载的工作波形模块与临时波形模块一致，工作波形fpga中的fir与cic滤波器根据不同的混频过程，设置滤波器阶数、插入损耗、采样率、截止频率和截止频率处的幅值衰减，matlab软件中根据这些参数生成滤波器系数coe文件，将该文件导入fpga设计软件的ip核设置工具内生成滤波器ip核，并使用fpga设计软件将ip核与整个fpga工程一起综合实现后得到程序配置文件，最终烧录到工作波形fpga中实现这些参数的设置。
20.根据如上所述的一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的装置，其特征在于：数据处理模块包含数据编码解码模块、控制指令操作模块、数据读写模块、程序加载模块、监测上报模块；数据编码解码模块包含编码和解码功能，解码时根据自定义通信协议通过帧头和命令控制字来解码出波形数据、波形形式参数、程序配置数据、时延数据和控制信息，编码时将上报状态和上报参数打包上传；控制指令操作模块根据解码出来的控制信息完成各种要求的任务；数据读写模块将解码出来的数据缓存到ddr3和主控fpga内部，在输出波形时将波形数据从外部ddr3中读取出来与控制信息一起发送给临时波形模块和工作波形模块，在重新配置工作波形fpga时从外部ddr3中读取程序配置数据发送给程序加载模块；程序加载模块用来操作工作波形fpga的程序加载过程；监测上报模块用来检测波形产生器状态，并上报状态和反馈部分参数；
21.根据如上所述的一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的装置，其特征在于：数据选择模块包含通道时延校正模块和波形通道切换模块；通道时延校正模块完成临时波形通道和工作波形通道的时延校正；波形通道切换模块完成通道的切换；
22.根据如上所述的一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的装置，其特征在
于：波形产生器上电启动时，主控fpga从flash中读取自身的程序配置数据完成上电程序加载，加载完成后，从flash中读取工作波形fpga的程序配置数据完成工作波形fpga的程序加载；波形产生器完成程序加载后，接收波控分机下发后的终端波形数据、波形形式参数和控制信息，生成工作波形。
23.本发明的有益效果是：一是通过将工作波形模块单独放置在另一块工作波形fpga，并在线加载工作波形fpga程序配置文件，解决了原来无法实时在线更新波形产生器内部数字滤波器的功能。二是通过更新工作fpga程序来重构工作波形模块时添加了临时波形来代替工作波形，并通过时延校正，补偿了不同通道的时延差，以使在工作时能不影响雷达的正常使用，达到边工作边实时在线重构数字滤波器的功能。三是使用光纤在线加载，以使数据和程序的加载过程全部在线高速完成，避免了调试和使用过程中拆卸设备烧录fpga程序的麻烦，提高了可靠性，节省了时间，还便于在户外恶劣条件下使用。四是能实现重构数字混频后续的处理模块的功能，使设计人员在设计时不需要考虑数字混频后续处理数字结构，可以让设计更加灵活多变。
附图说明
24.图1为系统原理框图。
25.图2为数据处理模块的结构示意图。
26.图3为临时波形模块的结构示意图。
27.图4为数据选择模块的结构示意图。
28.图5为工作波形fpga的结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
30.如图1所示，本发明的硬件包括波控分机和波形产生器，其中波形产生器包括光电转换模块、主控fpga、工作波形fpga、ddr3、flash和d/a转换模块，波控分机包括有人机交互界面的电脑和光电转接板。光电转换模块用来收发波控光信号，进行波控分机和主控fpga的数据传输，为保证传输速率，一般选用2.5gb/s以上的设备。主控fpga用来接收和处理波控分机的数据，并控制工作波形fpga的配置，同时产生临时波形。工作波形fpga用来生成工作波形。ddr3用来存储波控分机发送过来经过解调的波形数据和程序配置数据。flash由多片组成，用来存储主控fpga和工作波形fpga的程序配置数据。d/a转换模块一般选用高速dac芯片，采样速率超过4gsps，以实现高频段和大带宽。
31.主控fpga包含数据处理模块、临时波形模块和数据选择模块这3个数字模块。主控fpga的主要功能是在线接收工作波形fpga的程序配置数据并重新配置工作波形fpga，同时在重配置的工程中提供临时波形以避免雷达无法工作。
32.如图2所示，数据处理模块为软件模块，包含数据编码解码模块、控制指令操作模块、数据读写模块、程序加载模块、监测上报模块。数据编码解码模块包含编码和解码功能，解码时根据自定义通信协议通过帧头和命令控制字来解码出波形数据、波形形式参数、程序配置数据、时延数据和控制信息，编码时将上报状态和上报参数打包上传。控制指令操作模块根据解码出来的控制信息完成各种要求的任务。数据读写模块将解码出来的数据缓存
到ddr3和主控fpga内部，在输出波形时将波形数据从外部ddr3中读取出来与控制信息一起发送给临时波形模块和工作波形模块，在重新配置工作波形fpga时从外部ddr3中读取程序配置数据发送给程序加载模块。程序加载模块用来操作工作波形fpga的程序加载过程。监测上报模块用来检测波形产生器状态，并上报状态和反馈部分参数。
33.如图3所示，临时波形模块内部包括nco混频、fir与cic滤波器以及波形形式控制。nco混频通过数控振荡器ip核生成点频数据与波形进行混频完成频率调整。fir与cic滤波器对混频数据进行插值滤波，滤除混频产生的镜像频率，并使混频数据的数据率调整到与临时波形dac数据一致。波形形式控制完成一些波形带宽、脉宽、周期和脉冲数量等参数的调整。
34.如图4所示，数据选择模块包含通道时延校正模块和波形通道切换模块。通道时延校正模块完成临时波形通道和工作波形通道的时延校正。波形通道切换模块完成通道的切换。
35.如图5所示，工作波形fpga内部主要装载工作波形模块，整体软件结构与临时波形模块一致，但工作波形模块所在的fpga能在线实时重配置，可以完成内部参数的修改。
36.工作波形fpga中的fir与cic滤波器根据不同的混频过程，需要设置滤波器阶数、插入损耗、采样率、截止频率和截止频率处的幅值衰减等参数。matlab软件中根据这些参数生成滤波器系数coe文件，将该文件导入fpga设计软件的ip核设置工具内生成滤波器ip核，并使用fpga设计软件将ip核与整个fpga工程一起综合实现后得到程序配置文件，最终烧录到工作波形fpga中实现这些参数的设置。
37.波形产生器上电启动时，主控fpga从flash中读取自身的程序配置数据完成上电程序加载，加载完成后，从flash中读取工作波形fpga的程序配置数据完成工作波形fpga的程序加载。波形产生器完成程序加载后，接收波控分机下发后的终端波形数据、波形形式参数和控制信息，生成工作波形。
38.当需要修改工作波形fpga中的fir与cic滤波器的滤波器阶数、插入损耗、采样率、截止频率和截止频率处的幅值衰减等参数时，由于滤波器设计时使用了fpga的ip核且在ip核设置时这些参数是在设计时预置的，只能通过整体修改工作波形模块来实现，这就必须重配置工作波形fpga。波控分机发送包含新波形参数的工作波形fpga程序配置数据给主控fpga，主控fpga的数据处理模块解码通过程序加载模块完成工作波形fpga的重配置过程。同时，波控分机发送指令控制数据选择模块切换到临时波形dac数据通道替换工作波形dac数据，并下发时延数据校正工作波形通道的时延参数。主控fpga等待工作波形fpga重配置完成并正常生成工作波形后，上报当前状态给波控分机，经确认并反馈指令后，再控制数据选择模块切换到工作波形dac数据通道，完成波形模块重构。其中2个通道的时延数据需要通过波形分机下发，并在数据选择模块的通道时延校正模块中完成时延校正。
39.本发明的一种实时在线重构波形产生器内部数字滤波器的方法,包含以下步骤：
40.步骤1：将雷达波形产生器中的工作波形模块单独存放于波形产生器的一块工作波形fpga，其他功能模块由另一块主控fpga实现，预先根据工作波形模块工作时所需不同波形对应的滤波器参数生成不同的fpga滤波器ip核，并与整个工作波形模块的fpga工程一起生成多个程序配置文件，存放于波控分机；
41.步骤11：预先根据工作时所需的多种波形计算出对应的滤波器参数，并使用
matlab根据这些滤波器参数生成对应的滤波器系数coe文件；
42.步骤12：将步骤11生成的coe文件导入fpga设计软件的ip核设置工具内生成滤波器ip核，并使用fpga设计软件将ip核与整个fpga工程一起综合实现后得到程序配置文件；
43.步骤13：将步骤13生成的程序配置文件按照对应的不同波形存放于波控分机；
44.步骤2：根据需要切换的波形，波控分机下发滤波器重构指令，并发送该滤波器对应的程序配置文件给主控fpga的ddr3；
45.步骤3：根据滤波器重构指令，主控fpga用自身的临时波形模块替换工作波形模块以使雷达波形不产生中断，并校正不同通道的时延参数，再读取ddr3中的工作波形模块程序配置数据，进行工作波形fpga程序的更新；
46.步骤4：在工作波形fpga程序更新完成并重新产生工作波形后，主控fpga用工作波形替换临时波形完成滤波器重构。
47.本发明使用主控fpga接收波控分机下的发滤波器重构指令和该滤波器对应的工作波形fpga程序配置文件。本发明在在线加载工作波形fpga程序配置文件时使用主控fpga产生临时波形代替工作波形，加载完成后再切换到工作波形，以实现不中断工作完成波形产生器内部数字滤波器的重构。本发明在切换波形时，会将不同fpga输出的波形校正到时延一致，以使切换通道不影响工作。本发明在加载程序时，也会将程序配置数据存储在flash芯片中，以实现上电时的自动加载。