RSR 210N是一部由Reutech雷達(dá)系統(tǒng)公司（RRS）所設(shè)計(jì)和建造的多用途兩坐標(biāo)雷達(dá)，它可以用于直升機(jī)支援任務(wù)，也可用作通用警戒或艦船防衛(wèi)。這是一部三通道脈沖多普勒雷達(dá)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求它能夠在嚴(yán)苛的環(huán)境下有效地工作，并能在各種氣象條件和地雜波/海雜波干擾下，精確檢測到快速移動(dòng)的小目標(biāo)。

RRS的工程師們使用MATLAB和Simulink，采用基于模型的設(shè)計(jì)（Model Based Design）流程，為RSR 210N開發(fā)出了自適應(yīng)的檢測和信號(hào)處理系統(tǒng)，并基于FPGA實(shí)現(xiàn)。

RSR 210N多用途兩坐標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)

“基于模型的設(shè)計(jì)可以將底層的信號(hào)處理架構(gòu)設(shè)計(jì)（包括相應(yīng)的IO和數(shù)據(jù)傳遞通道等）與核心信號(hào)處理算法的開發(fā)工作分離開來。”RRS的系統(tǒng)工程師Kevin Williams這樣說。“這種方法節(jié)省了時(shí)間、降低了風(fēng)險(xiǎn)，使我們從以上兩個(gè)不同領(lǐng)域的工程師團(tuán)隊(duì)得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。”

挑戰(zhàn)

設(shè)計(jì)艦載雷達(dá)的首要目標(biāo)是它能夠在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，適應(yīng)較大范圍的多種海況。RRS團(tuán)隊(duì)必須在航海試驗(yàn)時(shí)收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行快速的更新和修正。這一挑戰(zhàn)，因信號(hào)處理的復(fù)雜性，變得更加困難，比如，要在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)雷達(dá)雜波進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以確定自適應(yīng)檢測器的閾值。

過去，RRS工程師們是通過替每個(gè)信號(hào)處理器設(shè)計(jì)單獨(dú)的單元，并手工編寫HDL代碼來完成類似的系統(tǒng)開發(fā)。但是，如果整個(gè)設(shè)計(jì)無法放入單個(gè)FPGA的話，那么團(tuán)隊(duì)就不得不為各單元之間的數(shù)據(jù)通信開發(fā)一個(gè)架構(gòu)。系統(tǒng)級(jí)的查錯(cuò)功能只能等到每個(gè)單元都集成到一起之后才能開始。

現(xiàn)在，RRS工程師們想要：

在開發(fā)流程的早期就開始系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，并盡快解決錯(cuò)誤；

不需要用手寫而是采用自動(dòng)生成HDL代碼的方式來加速開發(fā)中的迭代。

解決方案

RRS工程師們用MATLAB和Simulink開發(fā)出了RSR 210N的信號(hào)處理系統(tǒng)，并用HDL Coder自動(dòng)生成的代碼予以實(shí)現(xiàn)。

首先，工程師們用MATLAB為信號(hào)處理器的核心單元開發(fā)出算法。經(jīng)過對(duì)所有單元進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證之后，工程師們在Simulink中創(chuàng)建算法模型，并用Stateflow為狀態(tài)機(jī)控制單元建模。他們把信號(hào)處理器中的數(shù)字脈沖壓縮模塊、多普勒濾波器、導(dǎo)航視頻處理器、以及自適應(yīng)恒虛警率（CFAR）檢測器等的模型集成為一個(gè)完整的系統(tǒng)模型。

工程師在Simulink中進(jìn)行仿真，驗(yàn)證這些算法的準(zhǔn)確性之后，他們使用Fixed Point Designer把浮點(diǎn)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)數(shù)據(jù)模型。隨后，工程師們用HDL Coder從這些模型中自動(dòng)產(chǎn)生出了75,000多行HDL代碼。

在FPGA測試中，團(tuán)隊(duì)獲得了各種結(jié)果和診斷數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行后處理，來驗(yàn)證HDL實(shí)現(xiàn)與Simulink模型之間的結(jié)果一致。

這一雷達(dá)系統(tǒng)最后完成了探索性的海上試驗(yàn)。團(tuán)隊(duì)使用所收集到的數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了修正，并對(duì)Simulink中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并再次生成HDL代碼，以供下次海試之用。

若不采用基于模型的設(shè)計(jì)，要想按時(shí)完成本項(xiàng)目將會(huì)非常困難。使用HDL Coder自動(dòng)生成HDL代碼，以及將信號(hào)處理算法的設(shè)計(jì)與詳細(xì)的硬件實(shí)現(xiàn)分離開來，這兩項(xiàng)能力幫我們節(jié)省了兩個(gè)工程師人年。

——Kevin Williams

Reutech Radar System

設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間減少兩個(gè)工程師人年。Williams說：“相比于手寫代碼，基于模型的設(shè)計(jì)讓我們的開發(fā)時(shí)間節(jié)省了大約兩個(gè)工程師人年。從開發(fā)算法到功能驗(yàn)證再到HDL實(shí)現(xiàn)，這一過程我們節(jié)省了大量的時(shí)間。

信號(hào)處理模塊可復(fù)用。“在RSR 210N項(xiàng)目開發(fā)過程中，我們建立起了一套將Simulink模塊參數(shù)化的最佳實(shí)踐，以此可以對(duì)諸如數(shù)據(jù)類型、內(nèi)存深度、總線寬度以及設(shè)計(jì)的其他方面便捷地進(jìn)行重新設(shè)置。其結(jié)果是我們可以把許多信號(hào)處理單元復(fù)用到其他項(xiàng)目中去。”Williams又說。

交付高可靠的固件。“我們使用基于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)的信號(hào)處理器固件，在第一套系統(tǒng)交付之前的兩年內(nèi)，基本上沒有大的改動(dòng)。基于過去項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在整個(gè)項(xiàng)目的早期階段，能達(dá)到這種水平的可靠性和準(zhǔn)確性，確實(shí)是我們不敢奢望的。”Williams最后說。