第六講 DSP在雷達信號處理中的應(yīng)用

引言

dsp是一種基于精簡指令集的可編程數(shù)學計算芯片，可以對數(shù)字信號進行時頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強、壓縮等處理，廣泛應(yīng)用于家用電器、多媒體系統(tǒng)、雷達、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動通信、網(wǎng)絡(luò)會議、醫(yī)學儀器、實時圖像識別與處理、語音處理、自適應(yīng)制導控制、模式識別、定位、導航、聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)和智能基站等領(lǐng)域。本文重點介紹通用dsp在雷達信號處理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，以及研制基于dsp的雷達信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

dsp在雷達信號處理中的典型應(yīng)用

作為面向數(shù)字信號處理的可編程嵌入式處理器，dsp具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實時性好等特點。雷達信號處理系統(tǒng)所涉及的主要技術(shù)，包括數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計、自適應(yīng)濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應(yīng)波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重復(fù)性的實時計算。dsp可以利用硬件算術(shù)單元、片內(nèi)存儲器、哈佛總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結(jié)構(gòu)，高速完成fft、fir、復(fù)數(shù)乘加、相關(guān)、三角函數(shù)以及矩陣運算等數(shù)字信號處理。因此，dsp非常適合雷達數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)。

fft是雷達信號處理的重要工具。dsp內(nèi)部的硬件乘法器、地址產(chǎn)生器（反轉(zhuǎn)尋址）和多處理內(nèi)核，保證dsp在相同條件下，完成fft算法的速度比通用微處理器要快2到3個數(shù)量級。因此，在雷達信號處理器中，大量采用dsp完成fft/ifft，以實現(xiàn)信號的時-頻域轉(zhuǎn)換、回波頻譜分析、頻域數(shù)字脈沖壓縮等。

fir濾波器是雷達信號處理中常用設(shè)計之一。在動目標指示（mti）或動目標檢測（mtd）中，采用fir濾波器可以濾除雜波干擾，提高信雜比，而通過恒虛警處理（cfar）完成目標的檢測。在機載多普勒雷達中，為了抑制地雜波的干擾，采用了復(fù)雜的自適應(yīng)濾波器組。在陣列信號處理以及波束形成中，進行數(shù)據(jù)校正及加權(quán)系數(shù)計算和控制，均需要大量的復(fù)數(shù)運算。這些復(fù)數(shù)加權(quán)濾波器、多普勒濾波器組或者矩陣運算都是復(fù)信號的乘法累加運算，可根據(jù)不同算法的需要，采用dsp進行靈活編程實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)重采樣主要是為了得到雷達回波數(shù)據(jù)局部細節(jié)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)校正或者配準。例如在sar圖像處理中，距離徙動校正中的多點插值算法和insar進行圖像配準之前進行8倍像素細化，均可采用dsp完成一維和二維的插值運算。

dsp在參數(shù)估計方面也得到了廣泛應(yīng)用。典型的應(yīng)用實例是sar成像處理中的最大對比度算法。最大對比度算法是一種優(yōu)秀的多普勒調(diào)頻斜率估計方法，它通過對方位向數(shù)據(jù)的重復(fù)脈沖壓縮，最后通過計算對比度，得到最優(yōu)的普勒調(diào)頻斜率。其中，采用dsp完成大量的fft、ifft和復(fù)數(shù)乘法，實現(xiàn)實時的參數(shù)估計。

此外，dsp可以利用其存儲器管理和計算能力，分析雜波強度、面積、雜波的多普勒頻率、起伏分量以及地雜波等，建立雜波圖，完成雷達回波的統(tǒng)計分析、信息保存及存儲器控制等任務(wù)，最終實現(xiàn)cfar處理。
由此可見，dsp在雷達信號處理器設(shè)計中具有很大的靈活性和適用范圍，它不僅增強了信號處理的速度和能力，大大提高了信號處理系統(tǒng)的性能指標，而且適合多功能可編程并行處理和陣列處理，滿足高速并行處理的要求。

基于dsp的新體制雷達信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

高適應(yīng)性和多功能是現(xiàn)代雷達系統(tǒng)所應(yīng)有的兩個基本特征，一方面要求雷達在復(fù)雜雜波環(huán)境下具有很高的檢測概率和很低的虛警率；另一方面要求雷達在相同的平臺上具有多功能，不但需要發(fā)現(xiàn)并測定目標的位置和運動參數(shù)，還要進行分析處理，判定其屬性和威脅程度，進行輔助決策，并將目標信息直接傳遞給信息中心。因此，在現(xiàn)代雷達信號處理系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅要考慮運算量、運算速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、體積的要求，還要考慮系統(tǒng)的標準化、通用性、模塊化、可擴展性及其相關(guān)的技術(shù)。下面從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)、存儲技術(shù)和軟件開發(fā)四個方面介紹dsp在雷達信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用。

基于dsp的雷達信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)代雷達信號處理系統(tǒng)是典型的實時并行處理系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，多種模塊構(gòu)成一個通用硬件平臺，根據(jù)軟件雷達的思想，通過改變算法和軟件，使其適應(yīng)不同的工作環(huán)境和任務(wù)需要。由于多dsp處理模塊具有運算密集、體積小、實時性好以及處理時間可嚴格預(yù)測等特點，通?？勺鳛橄到y(tǒng)的核心模塊。例如我國最新研制的wrsp1（weather radar signal processor 1）全功能天氣雷達信號處理器，由三類標準模塊構(gòu)成，采用了多dsp并行方式，通過軟件編程能夠?qū)崟r完成當今天氣雷達信號多普勒處理的ppp（脈沖對）、fft等五種算法，與我國原有系統(tǒng)相比較，具有高集成、高精度、高度靈活、高穩(wěn)定、高成像質(zhì)量和低成本等特點。

另外，同一種dsp處理模塊采用不同的結(jié)構(gòu)進行組合，也會直接影響系統(tǒng)的工作效率、適應(yīng)性等技術(shù)指標。國內(nèi)某大學研制了大存儲容量4 dsp通用高速信號處理板，并采用多種不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用于sar實時成像處理器研制中。圖1（a）采用并行處理方式，處理模塊中的多個dsp組成一個獨立處理單元，運行相同的成像處理程序，負責一景圖像的處理。系統(tǒng)的多個模塊完成多景圖像的處理，是典型的單指令流多數(shù)據(jù)流（simd）結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)大多數(shù)sar成像算法。圖1（b）采用總體串行、局部并行的布局，對于距離脈壓，采用串行處理，提高處理速度；對于方位向處理，采用并行處理，完成參數(shù)估計和方位向脈壓，是典型的多指令流多數(shù)據(jù)流（mimd）。mimd結(jié)構(gòu)處理效率高，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和算法流程存在相當程度的耦合，算法適應(yīng)性不如前者。

（1）采用模塊化設(shè)計，能夠通過簡單地增加或者刪減模塊數(shù)量，調(diào)整整體系統(tǒng)處理能力；

（2）內(nèi)部模塊以及外部設(shè)備之間，采用標準的接口和傳輸協(xié)議，保證良好的可擴展性；

（3）處理模塊具有海量存儲、高速數(shù)據(jù)傳輸和密集運算能力，能夠適
應(yīng)多種算法的需要；

（4）系統(tǒng)具有良好的互連方式，可以適應(yīng)多種拓撲結(jié)構(gòu)，便于系統(tǒng)結(jié)
構(gòu)優(yōu)化；

（5） 接口模塊具有可編程能力和高速存儲能力，能適應(yīng)外部設(shè)備和
數(shù)據(jù)傳輸率的變化；

（6） 硬件對軟件有良好的支持，通過軟件編程實現(xiàn)不同的算法，完成
對回波信號的處理。

數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)的選擇直接影響雷達信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)隨著dsp芯片技術(shù)發(fā)展而逐步完善更新?lián)Q代。在此將相關(guān)技術(shù)分為4類，進行分析和比較。

（1）基于高性能工作站或者分布式通用計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的實時雷達信號處理器，通常采用千兆以太網(wǎng)或者光纖網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)。其特點是技術(shù)成熟，可構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)。但是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳輸速率相對較低，難以滿足sar、相控陣雷達等信號處理中的海量數(shù)據(jù)傳輸要求，通常用于雷達系統(tǒng)目標信息交換和組網(wǎng)。

（2）采用總線結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互是常見的一種數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)，可以分為專用總線和通用總線兩類。專用總線應(yīng)用較少，而通用總線如pci系列、vme系列等，由于是工業(yè)標準，可以得到很多廠商產(chǎn)品和軟硬件技術(shù)支持，有著廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的高性能dsp都開始提供通用總線接口，例如tms320c64系列、powerpc系列都提供了pci或者pci-x總線接口，sharc系列dsp若需要進行簡單的邏輯轉(zhuǎn)換便可直接與pci總線連接。dsp借助總線接口，通過pci橋可以實現(xiàn)多dsp總線互連，共享彼此的資源，使dsp之間可以直接進行數(shù)據(jù)交換。通用總線結(jié)構(gòu)存在的主要問題是：當系統(tǒng)總線存在多個設(shè)備時，每個設(shè)備共用總線帶寬，需要通過仲裁分時占用總線，造成每個設(shè)備可使用的總線帶寬不足。通用總線提高性能的辦法是增加總線位寬，提高頻率，流水處理，切分傳輸。

（3）交叉開關(guān)數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)是一種動態(tài)互連技術(shù)，采用通道開關(guān)或者asic芯片實現(xiàn)，可以動態(tài)地改變拓撲結(jié)構(gòu)，使用戶在通信過程中能方便地實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸，提高通信帶寬。該技術(shù)是目前發(fā)展最快的高速數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)，部分dsp如mpc85/86系列提供了rapidio接口，可以直接實現(xiàn)芯片以及板間互連。部分針對dsp的橋接芯片也提供了交叉開關(guān)互連接口，如starlink接口等。

（4）專用數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)是指一些dsp等芯片獨有的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。典型代表是sharc系列dsp使用的link技術(shù)。link技術(shù)可以使所有dsp之間形成一個立方體連接形式，實現(xiàn)一種動態(tài)的全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；通過中間結(jié)點的接力，使得任意兩dsp均可互通。因此，基于sharc系列dsp構(gòu)建的處理板，既可以實現(xiàn)板內(nèi)互連，又可以實現(xiàn)板間互連。但缺點是采用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)式的操作，延時大，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

由于各種傳輸與互連技術(shù)都各有優(yōu)缺點，雷達信號處理器在設(shè)計中通常采取總線+專用數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)，或者總線+交叉開關(guān)等方式，構(gòu)成dsp、模塊或者設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)互連的通道，保證系統(tǒng)良好的可靠性和可擴展性。

存儲技術(shù)

隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，通用dsp采用多內(nèi)核技術(shù)，工作主頻越來越高，運算速度不再是雷達信號處理的瓶頸。在一些新體制雷達中，如sar成像處理器和相控陣雷達信號處理器中，需要進行海量數(shù)據(jù)存儲和處理，存儲技術(shù)就成為實時處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雷達信號處理器的數(shù)據(jù)存儲載體分為動態(tài)存儲器（dram）、靜態(tài)存儲器（sram）、雙口存儲器（dual-port ram，簡稱dpram）、先進先出存儲器（fifo）等。此外，硬盤和磁帶也可用于原始數(shù)據(jù)和處理結(jié)果的存儲，例如sar成像處理系統(tǒng)的存儲子系統(tǒng)設(shè)計。fifo、dpram和sram通常用于局部存儲器設(shè)計，存儲空間有限，而sdram具有容量大、成本低、速度快的優(yōu)點，通常作為數(shù)據(jù)矩陣的存儲介質(zhì)。sdram對于連續(xù)地址存儲空間的訪問效率非常高，但是在地址跳變的隨機訪問情況下，大量的翻頁操作使得訪問效率降低數(shù)倍。例如在sar成像處理中，需要對數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)角存儲。一般情況下，數(shù)據(jù)矩陣在存儲器中以行為單位順序存放，當dsp讀取矩陣列時，由于進行非連續(xù)地址訪問，嚴重降低了sdram的讀寫效率，直接影響實時成像。

當前，高性能dsp，如ts201/101和tms320c6000系列，都提供了sdram控制器，實現(xiàn)了dsp對海量數(shù)據(jù)的高效管理，但是，相對于新一代雷達對存儲能力和訪問速度的需求還存在一定的差距。許多公司提供了更先進的接口技術(shù)，例如tundra公司的tsi108接口橋芯片就提供了2gb空間、133mhz的ddr sdram控制器。此外，還可以通過fpga開發(fā)ddr sdram和ddr ii sdram控制器，使dsp訪問sdram效率得到成倍提高。

雷達信號處理器軟件的開發(fā)

軟件是系統(tǒng)的靈魂，硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)。雷達信號處理系統(tǒng)軟件開發(fā)不同于一般的軟件，其核心是基于dsp的嵌入式軟件，主要任務(wù)不是對數(shù)據(jù)執(zhí)行變換，而是在各種硬件設(shè)備上執(zhí)行相應(yīng)的算法，完成相應(yīng)的功能，而計算機僅僅提供人機交互界面，進行系統(tǒng)監(jiān)控和顯示結(jié)果。這種軟件系統(tǒng)的開發(fā)采用了分層方法，把軟件分為底層軟件和頂層軟件兩個相對獨立的部分。其中底層軟件完成 dsp 等硬件資源的控制和相應(yīng)的算法，頂層軟件運行于底層軟件之上，完成面向用戶的應(yīng)用級設(shè)計。這種層次化的軟件結(jié)構(gòu)，可以提高整個軟件系統(tǒng)的可維護性、可移植性、通用性；而且由于軟件開發(fā)人員只需要考慮自己層次的開發(fā)內(nèi)容，有效提高了軟件代碼的開發(fā)效率。下面重點討論底層軟件的開發(fā)。

底層軟件包含嵌入式軟件，主要完成 dsp 寄存器、存儲器的操作，控制多 dsp 間的通信，以及處理在多個 dsp 之間的分配等任務(wù)。需要研究、解決底層控制軟件與硬件平臺的最優(yōu)適配問題，包括多 dsp 之間的通信協(xié)議、多 dsp 的控制信令設(shè)計、處理任務(wù)的粒度劃分、處理任務(wù)的動態(tài)調(diào)度和分配等。底層軟件非常強調(diào)時間性、并發(fā)性、活動性、異構(gòu)性、反應(yīng)性，一般采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動。當雷達信號處理系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，軟件高度復(fù)雜，任務(wù)調(diào)度和分配頻繁，這時需要采用實時操作系統(tǒng)完成上述軟件功能。當前市場上的實時操作系統(tǒng)主要有wind river systems公司開發(fā)的virtuoso、vxworks，qnx系統(tǒng)軟件公司的qnx，美國微軟公司的windows ce等，其中vxworks得到了廣泛的應(yīng)用。

vxworks是一個實時的多任務(wù)系統(tǒng)，由一個體積很小的內(nèi)核以及一些可以根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。微內(nèi)核支持實時系統(tǒng)的一系列特征，包括多任務(wù)、中斷支持、任務(wù)搶占式調(diào)度和輪轉(zhuǎn)調(diào)度。微內(nèi)核設(shè)計使vxworks縮減了系統(tǒng)開銷并加速了對外部事件的反應(yīng)。vxworks內(nèi)核只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運行。vxworks具有專門為實時嵌入式系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，提供了高效的實時多任務(wù)調(diào)度、中斷管理，實時的系統(tǒng)資源以及實時的任務(wù)間通信。因此，在dsp軟件開發(fā)過程中，用戶可根據(jù)需要對vxworks相對獨立的目標模塊進行裁剪和配置，然后自動鏈接，完成系統(tǒng)的功能。因此，對于多dsp系統(tǒng)采用vxworks開發(fā)，可以提高效率，并有效地保證軟件的安全性、可靠性和可移植性。

結(jié)束語

近年來，國內(nèi)外雷達技術(shù)研究進展迅猛，各種新體制雷達相繼問世，對雷達信號處理器的處理能力、存儲能力、可擴展性、軟件開發(fā)以及數(shù)據(jù)傳輸與互連能力等各個方面都提出了更高的要求。dsp技術(shù)的采用，增強了數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)的性能指標，促進了現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)的發(fā)展。尤其是各種新型的dsp產(chǎn)品，對軟件、外圍接口技術(shù)和互連技術(shù)的良好支持，使雷達信號處理平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、拓撲結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，系統(tǒng)的可擴展性得到提高。隨著dsp的開發(fā)和應(yīng)用的深入，dsp將在信息與信號處理、通信與信息系統(tǒng)、自動控制、雷達、軍事、航天和航空等許多領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。