WRP900 天气雷达数字接收机和信号处理器_产品简介.doc

南京青厚电子科技有限公司2010年9月WRP900系列数字接收机和信号处理器产品简介1 发展历史南京青厚电子科技有限公司凭借着在天气雷达领域多年的经验积累和创新精神，并结合现代IT技术的飞速发展，先后推出了多款划时代的产品：年份型号主要技术特点2009WRP700国内第一个基于全软件化的多普勒雷达处理器。系统采用16bit 高精度A/D完成中频数字化，通过千兆以太网将采样结果传给计算机，由计算机软件完成多普勒信号处理、实时显示、二次产品生成。2010WRP500国内第一次在常规磁控管导航雷达上实现了数字中频接收机和多普勒处理。信号处理算法实现了发射频率精确测量、数字相位校正、基于统计原理的双重频退速度模糊等功能，从而能广泛适用于磁控管雷达的多普勒改造。2010WRP900采用5通道16bit 100MHz高精度A/D转换器和超大规模FPGA完成中频的数字化处理，通过千兆以太网将I、Q数据传给高性能计算机进行后续处理。与总线无关的系统架构允许用户选择最先进的PC机作为信号处理器，从而可实现更多的实时信号处理功能。完全具备双极化、脉冲压缩、超宽动态范围等全新功能，全面满足新一代天气雷达的需求。今后，南京青厚电子科技有限公司将继续致力于新一代雷达核心关键技术的研发。将完成能用于宽带高分辨、多波束、相控阵雷达的数字中频接收机和信号处理器，并致力于将信号处理软件开源化，并正在研发业内第一款基于GPU并行计算、运算能力达到万亿次的纯软件化雷达信号处理器。2 产品简介WRP900系列包括两款产品：1. WRP901 数字中频接收机这是一个单独密封的盒子，以提高抗电磁干扰的能力，并满足苛刻的环境条件，它通常安装在接收机柜内，通过CAT5E 以太网线或光纤与PC机相连。WRP901的主要输入是接收机给出的中频信号，具有5路16位 A/D转换器，用于采样发射脉冲与最多4路接收通道。一个外部时钟输入用于同步A/D转换器（在磁控管雷达中不需要）。WRP901也设计有高稳定度的晶体振荡器，可以作为整个雷达的相参时钟。WRP901也能输出两路中频发射信号，能对其相位、频率、幅度进行精细的控制。在一般情况下，中频发射信号与雷达的相参本振信号进行混频、滤波，再经过真空管发射机或固态发射机，产生用于发射的大功率射频信号。更多新的应用包括脉冲压缩和频率捷变扫描等功能。WRP901也提供了各种数字I/O接口，例如触发脉冲、极化开关控制、脉冲宽度控制等。这些I/O接口都与FPGA 直接相连，在应用层软件中进行定义。还提供了6通道辅助A/D转换器、4通道辅助D/A转换器，可对雷达各个系统进行全面的监测和控制。图表 1 WRP901数字中频接收机 实物照片图表 2 WRP901数字中频接收机内部电路照片图表 3 WRP901数字中频接收机功能框图2. WRP902 信号处理软件这是一个运行在PC机上的软件系统，软件基于Microsoft的.NET平台进行开发，实现了跨平台的兼容性，并采用了Intel公司的高性能IPP函数库，以提供强大的运算能力。PC机由用户根据雷达系统的不同需求而自行采购。PC机可选用笔记本电脑、工控机或者工作站，建议选择双路四核至强处理器的1U工作站。图表 4 WRP902 信号处理软件主界面南京青厚电子科技有限公司提供了从数字中频接收机、信号处理，一直到终端实时显示、操控，以及气象产品生成等一整套产品线。用户也可以选择只购买其中的部分产品，例如可以只购买WRP901数字接收机，利用其输出的I、Q数据进行自主开发，这样的话，用户就可以在其开发的信号处理软件上打上他们自己的标记了。3 产品特色3.1 强大的性能有史以来最快的处理器WRP901数字接收机的硬件FPGA（现场可编程门阵列）处理芯片每秒能执行1280亿次乘-加运算（具有640个高精度DSP单元，每个可工作在200MHz以上），因此整个的运算能力比业内其他公司最新的产品快了2倍以上。这就意味着可以运用多种先进的处理算法，改善输出数据的质量。WRP900系列产品提供了提供了全新的天气雷达处理能力，甚至其中有些功能，直到现在仍只在研究领域和某些军用领域中得到应用（在业务中还没得到正式的应用）。其中的一个先进的功能就是：双载频接收功能。由于WRP901的中频数字接收机能实现每秒1280亿次/的乘-加运算。因此每个接收通道都实现了独立的双通道并行FIR滤波器，从而允许同时接收两个载频的信号。与先进的DDS（数字波形合成）功能相配合，这就为新一代的处理技术奠定了基础。例如在两个载频上交替发射脉冲实现解模糊，或者在脉冲压缩体制的系统中，采用宽/窄两种不同载频的脉冲，进行近距离补盲。凭借着其强大的运算能力和优秀的算法，WRP900在主要技术指标方面，有了突破性的进展，如：线性动态范围可达120dB以上、可将脉宽达1000s的信号进行脉冲压缩至1s以内、地杂波抑制能力可达60dB以上等，全面满足新一代天气雷达的需求。3.2 开放和开源硬件开放和软件开源与以前那些基于特定的专用DSP芯片和PCI卡的信号处理器相比，WRP900最显著的创新之处就在于其采用了单片FPGA的设计方法，并将其作为一个网络设备，通过CAT5E千兆以太网线，将数据传给PC机。由于不再要求PC机具备多个PCI扩展槽了，这样就可以有更快的CPU、更大的内存、更低的价格的PC机可供选择。随着CPU的快速发展，处理能力就能水涨船高。WRP901数字中频接收机输出数字I、Q数据，该数据传给PC机进行各种处理，包括：PPP、FFT、随机相位算法、自适应地物杂波抑制算法等。由于数字中频接收机只是一个网络设备，因此数字的I、Q数据能被多台并行的信号处理器实时接收和处理。这种硬件架构具有很多的优势，特别是对于研究而言。除了采用了开放的硬件架构，WRP900也采用了开源的软件架构。WRP902信号处理软件运行在Windows操作系统上，信号处理算法库以类库的形式提供，包含了各种API函数。研究人员可以修改或者替换现有的算法，或者直接使用WRP901输出的I、Q数据，开发他们自己的信号处理软件。开放的硬件和开源的软件架构不但保证了算法的正确性，而且大大降低了用户的维护、升级成本。通过采购更高性价比的PC机，可以很容易的在将来进行升级或扩展。3.3 超小的体积所有的只在一个盒子里WRP901将雷达信号高精度采集、数字中频处理、宽带信号产生、相参时钟合成器、定时器等硬件和功能集中到了一个非常小巧的模块中，极大的减少了系统的复杂度，从而提高了雷达整机系统的可靠性，降低了维护成本。机械尺寸只有240mm160mm45mm，可以很容易的安装在雷达接收机柜中，并通过最长可达50m的CAT5E 以太网线，与运行Windows操作系统的PC机相连。对于需要传送更远距离的情况，则提供了光纤接口，可传送300m（采用多模光纤）至10km（采用单模光纤）。4 主要技术指标4.1 WRP901数字中频接收机l 中频信号输入通道数量：5个l 中频范围：5120MHzl 饱和电平： +14.0dBm50l 动态范围（与匹配滤波器有关）：90105dBl 超宽动态范围模式：120dBl A/D转换器分辨率：16bitl 采样率：50100MHzl 最大运算能力：每秒能执行1280亿次乘-加运算l 脉冲重复频率：50Hz20kHzl 最小距离分辨率：15m（精度为1.5m）l 最大量程：1024kml 最大距离单元数：4096l 相位稳定度：优于0.1度l 中频波形产生：双通道16bit D/A转换器输出频率范围：1090MHzSNR：65dB输出功率：+14dBm50l DDS时钟信号产生：输出频率范围：10120MHzSNR：65dB输出功率：+14dBm50l 辅助I/ORS422接口：20对差分TTL/CMOS接口：20根模拟输入接口：6个通道，电压范围是10V，输入阻抗是10k模拟输出接口：4个通道，电压范围是10V，能提供5mA的电流RS232串行接口：2对l 供电：12V10%、4Al 体积：240mm160mm45mm （不含风扇） 240mm160mm70mm （含风扇）l 温度范围：-1050 （工作） -4070 （存储）4.2 WRP902信号处理器l 主要处理功能：PPP、DFT、GMAP（自适应杂波抑制）、基于随机相位的二次回波消除及恢复l 数据输出（8或16bit）：Z、V、W、SQI、ZDR、LDR、RHOHV、PHIDP以及KDP、I/Q、特定距离单元的多普勒功率谱l 双极化方式：交织方式、同时方式、单一水平方式l 方位平均数目：21024个相关脉冲l 双重频速度解模糊：2:3、3:4或4:5，可得到2、3或4倍的速度扩展l 杂波滤波器：IIR、固定和自适应宽度滤波器、GMAP（自适应杂波抑制算法，抑制度60dB）5 典型应用5.1 系统架构整个WRP900的系统架构如下：图表 5 WRP900的系统架构图5.2 磁控管雷达的多普勒升级改造磁控管雷达的升级改造示意图如下所示：图表 6 WRP900用于磁控管雷达的多普勒升级改造示意图WRP901 数字中频接收机安装在雷达接收机柜中。WRP901通过数字或模拟方式控制的微波本振信号输出给混频器，将LNA输出的射频信号变换为中频信号。WRP901将发射耦合的中频波形和从天线接收到的中频信号进行高速、高精度采样后，在FPGA内完成数字下变频处理，得到I、Q数据，再通过以太网传给WRP902。WRP902信号处理软件可以运行在普通PC机或者笔记本电脑上，通过先进的脉冲测频算法，可以精确测定磁控管的发射频率，从而可以完全补偿磁控管的频率漂移，补偿方式采用全数字方式。并通过对发射初相和幅度的测量，通过数字相位校正算法，可以基本上消除磁控管的发射相位抖动，相位误差可控制在0.5度以内，对地物杂波的抑制能力可达40dB。5.3 用于高性能的全相参双偏振雷达系统将WRP900产品用于全相参双偏振雷达系统的示意图如下所示：图表 7 WRP900用于双偏振雷达系统的示意图在这个系统中，WRP901接收雷达系统提供的一路相参时钟，这就确保整个系统是相参的。WRP901同时提供了发射信号产生功能，能产生1090MHz 高质量的中频信号。WRP901需要双通道接收，两个接收通道的中心频率是一样的，每个通道都有自己的16位 A/D转换器进行相参采集。从图中可以看出，从常规雷达升级成双偏振雷达，无需增加额外的数字中频接收机和信号处理硬件设备，从而大大降低了用户的升级成本。WRP900能提供完整的双偏振处理结果，包括：ZDR、KDP、LDR等。雷达双偏振的工作体制（单发单收、单发双收、双发双收）决定了到底能输出哪些有效参数。由于处理的数据量增加了一倍以上，因此运行WRP902的计算机需选用高性能的工作站。5.4 用于超宽动态、脉冲压缩、频率捷变等研究型雷达系统WRP900产品具有远远超出一般数字中频接收机和信号处理器的技术指标，可应用于超宽动态、脉冲压缩、频率捷变、高分辨等用于科学研究的雷达之中。应用示意图如下：图表 8 WRP900用于研究型雷达系统的示意图在这个系统中，WRP901需要5路16位 A/D转换器同时工作。其中4路用于接收水平、垂直两