CPLD在近程侦察雷达中的应用?

　介绍了可编程逻辑器件（PLD）的发展和现状、主要类型、特点及其选用准则，并介绍了复杂可编程逻辑器件（CPLD）在近程侦察雷达多功能信号发生器及信号处理器中的应用。
     关键词：可编程逻辑器件，侦察雷达，信号处理
　　 
1引言
　　雷达技术的发展很大程度上依赖于元器件尤其是集成电路（IC）的发展。随着大规模、超大规模集成电路的发展，雷达的体积越来越小，重量越来越轻，功能越来越复杂。集成电路发展到今天，功能固定的IC已不能满足人们日益增长的设计需要，于是构造各种用途的通用芯片——可编程逻辑器件（Programmable Logic Device）便应运而生。PLD大大简化了系统设计，缩小了系统规模，提高了系统可靠性，能够适应各种应用需要，尤其适用于小批量、多品种的军品研制。本文介绍了PLD器件的发展和现状、主要类型、特点及其选用准则，并介绍了复杂可编程逻辑器件（CPLD）在车载／便携两用式近程战场侦察雷达中的应用。
2可编程逻辑器件的发展和现状〔1〕，〔2〕
　　PLD实际上是一种“与－或”两级结构器件，其最终逻辑结构和功能由用户编程决定，兼有标准逻辑器件和半定制逻辑器件的优点。早期的PLD器件包括PAL（Programmable Array Logic）、PLA（Programmable Logic Array）和GAL（GeneralArray Logic），这些PLD器件相对比较简单，由于工艺条件的限制仅能实现较小规模的电路，一般只有几百门。
　　八十年代后，出现了在PAL结构基础上扩展的EPLD（Erasable Programmable Logic Device）、CPLD（Complex Programmable Logic Device）和FPGA（Field Programmable Gate Array），它们都具有体系结构和逻辑单元编程灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这些器件不仅规模大、集成度高，而且使用更加灵活。
　　自九十年代以来，PLD器件得到了飞速发展，向高集成度、高速度和低价位方向不断迈进，它们主要有以下几方面的特点：
　 （1）集成度越来越高，如Altera公司的10K系列已在25万门以上,具有1万个以上寄存器，40kbit嵌入式存储器,使得集成复杂信号处理算法成为可能。Raphael系列已到100万门以上,集成了FLE X10K 、FLEX6000、MAX7000的所有优点，可进行系统单片设计。
　 （2）在系统编程（ISP）和在线路重新配置（ICR）技术，使得PLD具有开发周期短、设计方案变更容易等优点。
　 （3）嵌入式存储器技术在PLD内部嵌入一定数量的存储器，存储器类型有双口SRAM、ROM、FIFO等，可用于存储信号处理的系数、中间结果等。
　 （4）采用了时钟锁定和倍频技术，解决了时钟的　　脉冲延迟和偏斜问题，并使PLD内部时钟更高。单个16bit乘法器速度可达100MHz以上，这正是大带宽高速实时信号处理所需要的。
　 （5）电子设计自动化（EDA）工具日益丰富和完善，方便了用户对设计的输入、综合和仿真。
　　PLD具有上述诸多优点，所以应用领域不断扩大，在雷达信号处理领域的应用也日渐活跃。
3可编程逻辑器件（PLD）的种类及选用〔2〕
　　PLD器件的种类很多。按基本结构可分为二类，一类是在PAL结构基础上扩展的CPLD，另一类是标准门阵列逻辑单元型的FPGA器件。CPLD内部连线相对固定，可预先确定待实现逻辑的延时参数，内部时延小，有利于器件在较高频率工作，并具有较高的逻辑利用率，特别适合于计数器、算术运算、控制电路和较为复杂的状态机的实现等。FPGA的电路核心是可构造的逻辑块，用户可对逻辑块及各逻辑块之间的互连资源进行编程，从而实现复杂的逻辑功能。同CPLD相比，FPGA集成度更高，可实现更为复杂的电路功能，但速度较低，可预测性比较差，时序是否满足要求只有在芯片内部布局布线完成之后方可确定。
　　另一方面，也可根据可编程次数将PLD器件分为采用反熔丝技术的一次编程型和采用SRAM、FLASH RAM、EPROM或EEPROM的可重复编程型。前者具有体积小、集成度高、互连线特性阻抗小、可获得较高速度等特点，且无需外接PROM、EPROM，其缺点也显而易见：只能一次编程。采用SRAM的可重复编程型的FPGA将每个逻辑块的功能以及它们的互连模式存储在芯片中的SRAM存储单元中，其最大优点是可重复快速编程和具有在线可重构系统的能力，特别适合产品原型设计。缺点是需外接PROM或EPROM。采用FLASHRAM、EPROM或EEPROM的CPLD既可重复编程又不需外接PROM或EPROM，但成本比一次性编程器件高一些，且通常不能在线重构系统。
　　关于PLD的选用，首先，用户可根据设计的需要确定选择哪一类的PLD器件。从需要实现的电路功能上考虑，如果是有规划的同步设计，如状态变换器、地址译码器和大规模二进制同步计数器，宜选用CPLD；如果是多级逻辑应用、快速流水线设计或大型寄存器电路，则选用FPGA比较合适。从使用场合考虑，若用于航天、军事领域，反熔丝技术的一次编程型PLD是首选，如果是产品的原型设计，则应选用可重复编程型的PLD器件。
　　其次，选定某一厂家的产品。生产同类器件的厂家很多，用户须综合考虑软件支持、产品设计性能改进的余量、设计应用的延续性和可扩展性、性价比等多种因素来选择合适的器件生产厂家的产品。
　　最后，根据芯片容量、封装形式、速度级别以及温度范围等等，在选中的某厂家的产品中选择具体的型号。
　　选择合适的PLD芯片是设计成功的第一步，如果设计要求在短期内完成，在选择芯片时可适当留有余量；如果时间允许，则可以在仿真完成之后再确定芯片的型号。
4CPLD在雷达多功能信号发生器中的应用
　　近程战场侦察雷达的多功能信号发生器需要在雷达总控制器的控制下产生以下信号：伪码调相激励信号、多个距离支路的参考码信号、远近程正弦调频信号以及自检结果等等。其中数字信号的产生可用PLD实现。由于这是一个有规则的同步设计问题,我们选用CPLD型的器件。综合考虑容量、速度、功耗、设计工具等各方面的因素，我们选用Atmel公司的ATV2500L－30PI来实现。其功能框图见图1。
                       

　　在时钟的驱动下，伪随机码发生器产生特定长度的伪随机码信号用作发码，该发码经过激励，形成伪码调相激励信号，同时该伪码在延时控制信号的控制下，产生不同延时的搜索用距离支路的参考码和听距离支路的参考码，将时钟经过分频还产生一个方波信号，方波信号周期可由远近程控制信号控制，它经过滤波放大后作正弦调频信号用。自检电路对所产生的各种数字信号进行自检，并形成自检结果。采用CPLD器件后，实现上述所有功能，其功耗只有20mW。
5CPLD在雷达信号处理器中的应用
　　近程战场侦察雷达的信号处理器需要同时对多个距离支路的输出信号进行采样、A／D变换、数据存储和实时数字信号处理。其中的采样控制信号、A／D变换的通道选择信号、数据存储的地址信号和存储控制信号也可以用PLD产生。由于这是一个大规模同步计数的问题，我们综合考虑各方面的因素也选用Atmel公司的ATV2500L－30PI来实现。其功能框图见图2。
                         
　　在时钟驱动下，经分频器得到一定占空比的信号作为采样控制信号，控制A／D变换电路的启动，A／D变换通道的选择则由通道选择计数器产生的
通道选择信号控制。A／D变换后将模拟信号转换为数字信号，在存储控制信号的控制下存入双口RAM中，而数据存储的地址信号则由数据存储地址发生器自动产生。这样，在信号处理器中只需要一片A／D变换器，一片双口RAM和一片由CPLD实现的采样控制电路，各个距离支路输出的模拟信号就有秩序地被转换成数字信号并按一定的要求自动存入双口RAM的指定区域。采用CPLD后，实现采样控制电路的所有功能只需10mW。
6结束语
　　本文采用CPLD完成了以往需要电路板才能完成的雷达信号发生电路和采样控制电路的设计。设计的CPLD已在某近程战场侦察雷达中应用，实践证明：应用CPLD简化了系统结构，减小了体积，降低了功耗，提高了系统的可靠性。

　　参　考　文　献

1　高梅国，潘君，陈炜炜．三种信号处理器的CPLD设计．电子技术应用，1999，25（3）：9～11
2　李文，于伟．如何正确选择FPGA器件．电子技术应用，1998，24（2）：58～60