SAR成像處理運算量非常巨大，要達到準(zhǔn)實時甚至全實時的成像處理速度，就需要高性能的處理設(shè)備。常用的數(shù)據(jù)處理方案是采用高速DSP芯片實現(xiàn)。這種方法曾被認(rèn)為是SAR實時處理最佳的硬件實現(xiàn)方案，但是近幾年可編程器件的發(fā)展使得FPGA已經(jīng)成為比DSP更優(yōu)越的壓縮處理方式。與DSP相比，F(xiàn)PGA的主要優(yōu)點有：①速度快，F(xiàn)PGA有內(nèi)置的高速乘法器" title="乘法器">乘法器和加法器。②DSP內(nèi)部一般沒有大量的存儲器，但是SAR實時處理運算需要存儲大量的數(shù)據(jù)，只能外接存儲器，這樣往往會使運算速度下降，同時電路也會更復(fù)雜和不穩(wěn)定。目前，高檔的FPGA中有巨量的高速存儲器，不用外接存儲器便可實現(xiàn)SAR實時處理運算，其速度更快，電路也更簡單。③FPGA是硬件可編程的，比DSP更加靈活，DSP往往需要外部的接口和控制芯片配合工作，F(xiàn)PGA則不需要，這樣使得硬件更簡單和小型化。
　　在SAR成像中，對方位維和距離維分別進行處理，不公對成像質(zhì)量造成太大的損失。采用二維分離處理的算法結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省計算量，減少算法的復(fù)雜程度，而且比較靈活實用。其算法流程圖如圖1所示。

　　在實際中，IFFT的實現(xiàn)可以通過將輸入數(shù)據(jù)取共軛之后做FFT運算，再取共軛，再乘1/N來完成，所以基于高速FPGA的FFT算法的實現(xiàn)成了SAR實時信號處理機系統(tǒng)的核心部分，而正確的地址產(chǎn)生是整個FFT運算的關(guān)鍵。用DSP和FPGA實現(xiàn)1024點FFT運算的性能比較如表1所示。

1 FFT在FPGA中實現(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)" title="基本結(jié)構(gòu)">基本結(jié)構(gòu)
1.1 基2 FFT 在FPGA中的實現(xiàn)
　　基2 FFT運算的基本單元是蝶形運算單元，其每一級的運算都由N/2個蝶形運算構(gòu)成，第m級的一個蝶形運算的兩節(jié)點分別為Xm(n)和Xm(n+N/2m)。基2的蝶形運算可表示為：
　　
　　式中，m表示第m級蝶形算法，n為數(shù)據(jù)所在的行數(shù)，N為所要計算的數(shù)據(jù)的點數(shù)，W^r_N為旋轉(zhuǎn)因子。蝶形算法如圖2所示，由一次復(fù)乘、兩次復(fù)加組成。
　　從上式可以得出基2蝶形運算需四個乘法器，但在硬件實現(xiàn)中，旋轉(zhuǎn)因子w_r和w_i都先被歸一化，在本系統(tǒng)中，對實部和虛部分別按32位有符號數(shù)歸一化，所以用于數(shù)據(jù)歸一化還需兩個乘法器，也就是說一共需要六個乘法器。Stratix系列芯片提供內(nèi)置乘法器內(nèi)核，EP1S25一共有80個8位乘法器。由8個8位乘法器可以組成一個32位乘法器，所以一共可以提供10個32位乘法器。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)FT運算需要6個32位乘法器，參考函數(shù)相乘需要4個32位乘法器，一共需要10個32位乘法器，EP1S25剛好滿足要求。
　　程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以很方便地修改點數(shù)，滿足不同的系統(tǒng)要求，也可以以此為基礎(chǔ)改寫為基4的FFT程序，應(yīng)用于更高檔的芯片，滿足更高系統(tǒng)的要求。用FPGA實現(xiàn)FFT的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　以整個16點DIF為例的基2 FFT的運算流程圖如圖4所示。

1.2 基4 FFT 在FPGA中的實現(xiàn)
　　如果采用更高檔的FPGA芯片，由于片內(nèi)乘法器的增多，可以實現(xiàn)更高基的FFT運算，比如基4或者混合基FFT運算，這樣可以成倍地提高運算速度。以4K點FFT為例，如果時鐘頻率是100MHz，即每個時鐘周期是10ns，基2 FFT運算一級需要2K個時鐘周期，而4K＝2¹²，即4K點、基2 FFT一共12級，所以4K點、基2FFT一共需要的時間是2K×12×10ns＝240Kns；4K點、基4 FFT一級運算只需要1K個時鐘周期，且4K＝4⁶，即4K點、基4 FFT一共只有6級基4 FFT運算，所以如果時鐘頻率不變，基4 FFT所需要的總時間只有基2算法的1/4，即1K×6×10ns＝60Kns，其它點數(shù)的運算也是如此。基4算法速度是基2算法的四倍，這對于更高要求的實時處理系統(tǒng)非常有價值。
　　用FPGA實現(xiàn)基4 FFT的基本結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)基2FFT是一樣的(如圖3所示)，基4FFT的蝶形運算單元的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

　　蝶形運算單元的輸入、輸出關(guān)系如下：
　　
　　可以看出，基4的蝶形運算單元可以同時輸入輸出四個數(shù)據(jù)進行并行蝶形運算，這就比基2蝶形運算的速度提高一倍。從運算公式還可以看出，基4 FFT運算需要12個乘法器，如果數(shù)據(jù)仍取32位，則需要12×8＝96個8位乘法器，再考慮到參考函數(shù)相乘需要的4×8＝32個8位乘法器，一共需要96＋32＝128個8位乘法器。采用Stratix系列的EP1S60及EP1S60以上的芯片就可以實現(xiàn)。圖6 是64點基4 FFT前兩級的流程圖。

　　在研制過程中，對基4 FFT也進行了軟件編程和仿真調(diào)試，選用的是用Altera公司的EP1S60F1020C60芯片實現(xiàn)基4方式的16K點數(shù)據(jù)壓縮" title="數(shù)據(jù)壓縮">數(shù)據(jù)壓縮，達到了預(yù)期的目的。
1.3 FPGA中實現(xiàn)FFT的幾個關(guān)鍵技術(shù)
1.3.1 運算中的精度和溢出問題
　　在FFT運算過程中,一個數(shù)據(jù)要經(jīng)過很多次的乘法和加法。以4K點FFT運算為例，一共有12級運算，每一級運算又是由兩級加法和一級乘法運算構(gòu)成，也就是說，原始數(shù)據(jù)要經(jīng)過24級加法和12級乘法才能得到最終結(jié)果，所以在運算中如何保證精度和不溢出是一個重要問題。由于硬件資源的限制，如何解決溢出問題，又能使精度損失在系統(tǒng)中可以接受是很關(guān)鍵的。
　　在FFT的每一級完成之后，對結(jié)果數(shù)據(jù)進行塊浮點處理，可以保證在不溢出的情況下將有效數(shù)據(jù)前移，這樣可以使得下一級運算保持更高的精度。
1.3.2 FFT運算中的地址產(chǎn)生問題
　　在FFT運算過程中，所有的數(shù)據(jù)都存放在RAM中，所以不管是讀數(shù)據(jù)還是寫數(shù)據(jù)，都涉及到RAM的地址，地址產(chǎn)生是整個FFT程序的關(guān)鍵問題之一。
　　由FFT運算流程圖可以看出，DIF形式的FFT輸入數(shù)據(jù)地址是順序的，但每一級輸出數(shù)據(jù)地址不再是原來的正序，正確的位反轉(zhuǎn)技術(shù)是保證每次操作地址正確的關(guān)鍵。
2 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試及結(jié)果
　　本系統(tǒng)的調(diào)試可以概括為軟件仿真和硬件調(diào)試兩個部分。基2算法的實時信號處理機已經(jīng)通過調(diào)試驗證，并交付使用；基4算法由于受硬件條件限制，現(xiàn)只在實驗室環(huán)境中通過仿真驗證和調(diào)試。下面分別介紹調(diào)試中遇到的一些典型問題并給出各階段及系統(tǒng)最終的調(diào)試結(jié)果。
2.1 FFT算法實現(xiàn)的驗證
　　數(shù)據(jù)壓縮的核心內(nèi)容是FFT運算，所以首先對實現(xiàn)FFT運算的數(shù)據(jù)壓縮板進行調(diào)試。眾所周知，方波經(jīng)過FFT運算之后應(yīng)該是一個sinc函數(shù)。從測試口輸入一個方波作為原始數(shù)據(jù)，如果輸出的結(jié)果是一個sinc函數(shù)就可以證明FFT運算成功。圖7是原始數(shù)據(jù)實部和虛部都為20點的方波(數(shù)據(jù)總長度為512點)經(jīng)過實際硬件FFT運算之后的實部、虛部及求模后的波形。可以看出結(jié)果是一個sinc函數(shù)，說明實際硬件的FFT運算是正確的。

2.2 數(shù)據(jù)壓縮板實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮運算
　　要驗證數(shù)據(jù)壓縮運算，實際上就是要驗證FFT＋參考函數(shù)相乘＋IFFT運算。考慮到兩個寬度相同的方波相卷積的結(jié)果是一個三角波，時域的卷積又等效于頻域相乘，所以，如果令原始數(shù)據(jù)為方波，參考函數(shù)為同樣寬度的方波，則經(jīng)過FFT之后的數(shù)據(jù)為sinc函數(shù)，最終結(jié)果將是一個三角波。圖8為實驗輸出結(jié)果，可以看出結(jié)果是一個三角波，說明FFT＋參考函數(shù)相乘＋IFFT運算是正確的。圖9是實際硬件完成的SAR點目標(biāo)壓縮波形。