隨著測試參數(shù)種類增加，測試環(huán)境越來越復雜，海量雷達數(shù)據(jù)與有限存儲容量之間的矛盾日益明顯，實時數(shù)據(jù)采集與壓縮技術可以緩解這一矛盾的加劇。雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采取了基于FPGA的LZW實時無損壓縮算法。該算法能夠實現(xiàn)追求采集信號精度的同時減低算法難度，已成功應用于某飛行測試實驗，性能指標滿足應用要求。

多頻連續(xù)波雷達是一種新體制雷達，能夠同時發(fā)射多個頻率的連續(xù)波正弦信號對多個目標的速度、加速度、距離、方位角、俯仰角等多組參數(shù)目標進行探測。具有設備簡單、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點[1]。

對于連續(xù)波體制雷達，目標參數(shù)多、信號處理的實時性強是其最顯著的特點。海量的回波數(shù)據(jù)使得存儲操作變得非常困難，并且也不易進行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)的實時采集壓縮技術可以解決這一問題。由于雷達信號較為敏感，在大多數(shù)情況下雷達信號都需要先記錄，再事后取證、分析，所以只能采用實時無損壓縮。因此，要求多頻連續(xù)波雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號處理實時性好，處理數(shù)據(jù)量大，在追求目標采集測量精度的同時降低信號處理算法的復雜度，利于工程實現(xiàn)。

當前有很多壓縮與解壓縮方法都是基于軟件實現(xiàn)的，都是對數(shù)據(jù)進行后期處理。這種方法執(zhí)行速度慢，耗費大量的CPU資源。采用硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時無損壓縮能夠將高速信號變成緩變信號進行傳輸，降低通信的信道容量，提高數(shù)據(jù)的可靠性。在雷達信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，完成數(shù)據(jù)的海量存儲并提高總線的數(shù)據(jù)傳輸速度應采用硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時無損壓縮。

1 數(shù)據(jù)壓縮算法比較

數(shù)據(jù)壓縮算法有不同的分類方法，根據(jù)壓縮算法是否可逆可以分為可逆壓縮與不可逆壓縮。其中可逆壓縮也叫無失真編碼或無損壓縮。不可逆壓縮叫做失真編碼或有損壓縮。由于人的感覺器官對于圖片、聲音或視頻中的某些信息的丟失難以察覺，一般采用有損壓縮算法可以節(jié)約大量的存儲空間。主要有預測編碼、多分辨率編碼、分型圖形編碼等。無損壓縮算法主要有哈夫曼編碼、算術編碼、游程編碼和LZ編碼等[2]。其中哈夫曼編碼與算術編碼均根據(jù)源數(shù)據(jù)發(fā)生的概率進行編碼，需要對壓縮數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，處理過程緩慢，實時性差；游程編碼只有在字符連續(xù)出現(xiàn)4次以上才能獲得比較好的壓縮效果，不適用于壓縮雷達回波信號。LZ編碼是基于字典的模式，用單個代碼代替字符串，數(shù)據(jù)流式輸入，對數(shù)據(jù)源無分塊要求，實時效果好，解壓完全可逆。LZ編碼包括LZ77、LZ78和LZW(Lempel-Ziv-Welch Encoding)。本文根據(jù)雷達回波數(shù)據(jù)的壓縮要求選用LZW無損壓縮算法。

2 雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本文介紹的多頻連續(xù)波雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中16路模擬信號經(jīng)過放大、跟隨、濾波處理后經(jīng)高速模擬電子開關進入高速ADC，輸出16bit數(shù)字量。數(shù)字量的緩存與處理由采集處理模塊中的采集控制邏輯(FPGA)實現(xiàn)。壓縮后的數(shù)據(jù)在主控模塊的控制下經(jīng)高速系統(tǒng)總線寫入數(shù)據(jù)存儲模塊中的存儲器陣列。原理框圖如圖1所示。

?

?

3 基于FPGA的LZW算法設計

3.1 LZW數(shù)據(jù)壓縮算法

LZW數(shù)據(jù)壓縮算法是一種新穎的壓縮方法，具有實時性，壓縮效率高，可對不同的數(shù)據(jù)流進行自適應壓縮，對于緩變、重復性高的數(shù)據(jù)流，隨著數(shù)據(jù)量的增大， 壓縮效率能顯著提高。LZW算法有三個重要的對象：數(shù)據(jù)流(CharStream)、編碼流(CodeStream)和編譯表(String Table)。在編碼時，數(shù)據(jù)流是輸入對象，編碼流是輸出對象。數(shù)據(jù)流是指被壓縮數(shù)據(jù)，編碼流是指壓縮后輸出的代碼流，編譯表存儲的是數(shù)據(jù)的索引號，相同塊的數(shù)據(jù)只輸出第一塊的索引號，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。

LZW壓縮算法的基本原理是提取出待壓縮數(shù)據(jù)中的不同字符，基于這些字符創(chuàng)建一個編譯表，然后用編譯表中的字符索引替代原始數(shù)據(jù)中的相應字符，從而減少原始數(shù)據(jù)的大小。其中編譯表不是事先創(chuàng)建好的，而是根據(jù)原始文件數(shù)據(jù)動態(tài)創(chuàng)建的。

LZW壓縮算法的基本思想是建立一個串表，將輸入字符串映射成定長的碼字輸出，通常碼長設置為12bit，也可設置為15bit或者18bit。串表具有“前綴性”：假設任何一個字符串P和某一個字符S組成一個字符串PS，若PS在串表中，則S為P的擴展，P為S的前綴。字符串表是動態(tài)生成的，編碼前先將其初始化，使其包含所有的單字符串。在壓縮過程中，串表中不斷產(chǎn)生壓縮信息的新字符串，存儲新字符串時也保存新字符串PS的前綴P相對應的碼字。在解壓縮過程中，解碼器可根據(jù)編碼字恢復出同樣的字符串表，解出編碼數(shù)據(jù)流[3-4]。

3.2 FPGA模塊化設計