第六講 DSP在雷達信號處理中的應用

引言

dsp是一種基于精簡(jiǎn)指令集的可編程數學(xué)計算芯片，可以對數字信號進(jìn)行時(shí)頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強、壓縮等處理，廣泛應用于家用電器、多媒體系統、雷達、衛星系統、移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò )會(huì )議、醫學(xué)儀器、實(shí)時(shí)圖像識別與處理、語(yǔ)音處理、自適應制導控制、模式識別、定位、導航、聯(lián)合戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電系統和智能基站等領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹通用dsp在雷達信號處理系統中的典型應用，以及研制基于dsp的雷達信號處理系統的關(guān)鍵技術(shù)。

dsp在雷達信號處理中的典型應用

作為面向數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(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。雷達信號處理系統所涉及的主要技術(shù)，包括數據重采樣、參數估計、自適應濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重復性的實(shí)時(shí)計算。dsp可以利用硬件算術(shù)單元、片內存儲器、哈佛總線(xiàn)結構、專(zhuān)用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結構，高速完成fft、fir、復數乘加、相關(guān)、三角函數以及矩陣運算等數字信號處理。因此，dsp非常適合雷達數字信號處理算法的實(shí)現。

fft是雷達信號處理的重要工具。dsp內部的硬件乘法器、地址產(chǎn)生器（反轉尋址）和多處理內核，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(gè)數量級。因此，在雷達信號處理器中，大量采用dsp完成fft/ifft，以實(shí)現信號的時(shí)-頻域轉換、回波頻譜分析、頻域數字脈沖壓縮等。

fir濾波器是雷達信號處理中常用設計之一。在動(dòng)目標指示（mti）或動(dòng)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(guò)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，采用了復雜的自適應濾波器組。在陣列信號處理以及波束形成中，進(jìn)行數據校正及加權系數計算和控制，均需要大量的復數運算。這些復數加權濾波器、多普勒濾波器組或者矩陣運算都是復信號的乘法累加運算，可根據不同算法的需要，采用dsp進(jìn)行靈活編程實(shí)現。

數據重采樣主要是為了得到雷達回波數據局部細節信息，實(shí)現數據校正或者配準。例如在sar圖像處理中，距離徙動(dòng)校正中的多點(diǎn)插值算法和insar進(jìn)行圖像配準之前進(jìn)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在參數估計方面也得到了廣泛應用。典型的應用實(shí)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)秀的多普勒調頻斜率估計方法，它通過(guò)對方位向數據的重復脈沖壓縮，最后通過(guò)計算對比度，得到最優(yōu)的普勒調頻斜率。其中，采用dsp完成大量的fft、ifft和復數乘法，實(shí)現實(shí)時(shí)的參數估計。

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，完成雷達回波的統計分析、信息保存及存儲器控制等任務(wù)，最終實(shí)現cfar處理。
由此可見(jiàn)，dsp在雷達信號處理器設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(mǎn)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的關(guān)鍵技術(shù)

高適應性和多功能是現代雷達系統所應有的兩個(gè)基本特征，一方面要求雷達在復雜雜波環(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)現并測定目標的位置和運動(dòng)參數，還要進(jìn)行分析處理，判定其屬性和威脅程度，進(jìn)行輔助決策，并將目標信息直接傳遞給信息中心。因此，在現代雷達信號處理系統的設計中，不僅要考慮運算量、運算速度、數據傳輸速度、體積的要求，還要考慮系統的標準化、通用性、模塊化、可擴展性及其相關(guān)的技術(shù)。下面從系統結構、數據傳輸與互連技術(shù)、存儲技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)四個(gè)方面介紹dsp在雷達信號處理系統的應用。

基于dsp的雷達信號處理系統結構設計

現代雷達信號處理系統是典型的實(shí)時(shí)并行處理系統，采用模塊化設計，多種模塊構成一個(gè)通用硬件平臺，根據軟件雷達的思想，通過(guò)改變算法和軟件，使其適應不同的工作環(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(shí)時(shí)性好以及處理時(shí)間可嚴格預測等特點(diǎn)，通?？勺鳛橄到y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(lèi)標準模塊構成，采用了多dsp并行方式，通過(guò)軟件編程能夠實(shí)時(shí)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，與我國原有系統相比較，具有高集成、高精度、高度靈活、高穩定、高成像質(zhì)量和低成本等特點(diǎn)。

另外，同一種dsp處理模塊采用不同的結構進(jìn)行組合，也會(huì )直接影響系統的工作效率、適應性等技術(shù)指標。國內某大學(xué)研制了大存儲容量4 dsp通用高速信號處理板，并采用多種不同結構應用于sar實(shí)時(shí)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(gè)dsp組成一個(gè)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。系統的多個(gè)模塊完成多景圖像的處理，是典型的單指令流多數據流（simd）結構。該結構可以適應大多數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，完成參數估計和方位向脈壓，是典型的多指令流多數據流（mimd）。mimd結構處理效率高，但是系統結構和算法流程存在相當程度的耦合，算法適應性不如前者。

（1）采用模塊化設計，能夠通過(guò)簡(jiǎn)單地增加或者刪減模塊數量，調整整體系統處理能力；

（2）內部模塊以及外部設備之間，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、高速數據傳輸和密集運算能力，能夠適
應多種算法的需要；

（4）系統具有良好的互連方式，可以適應多種拓撲結構，便于系統結
構優(yōu)化；

（5） 接口模塊具有可編程能力和高速存儲能力，能適應外部設備和
數據傳輸率的變化；

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

數據傳輸與互連技術(shù)

數據傳輸與互連技術(shù)的選擇直接影響雷達信號處理系統結構。數據傳輸與互連技術(shù)隨著(zhù)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(lèi)，進(jìn)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 )構建的實(shí)時(shí)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 )，構成系統的互連結構。其特點(diǎn)是技術(shù)成熟，可構成不同的拓撲結構。但是網(wǎng)絡(luò )結構傳輸速率相對較低，難以滿(mǎn)足sar、相控陣雷達等信號處理中的海量數據傳輸要求，通常用于雷達系統目標信息交換和組網(wǎng)。

（2）采用總線(xiàn)結構實(shí)現數據交互是常見(jiàn)的一種數據傳輸與互連技術(shù)，可以分為專(zhuān)用總線(xiàn)和通用總線(xiàn)兩類(lèi)。專(zhuān)用總線(xiàn)應用較少，而通用總線(xiàn)如pci系列、vme系列等，由于是工業(yè)標準，可以得到很多廠(chǎng)商產(chǎn)品和軟硬件技術(shù)支持，有著(zhù)廣泛的應用?，F有的高性能dsp都開(kāi)始提供通用總線(xiàn)接口，例如tms320c64系列、powerpc系列都提供了pci或者pci-x總線(xiàn)接口，sharc系列dsp若需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯轉換便可直接與pci總線(xiàn)連接。dsp借助總線(xiàn)接口，通過(guò)pci橋可以實(shí)現多dsp總線(xiàn)互連，共享彼此的資源，使dsp之間可以直接進(jìn)行數據交換。通用總線(xiàn)結構存在的主要問(wèn)題是：當系統總線(xiàn)存在多個(gè)設備時(shí)，每個(gè)設備共用總線(xiàn)帶寬，需要通過(guò)仲裁分時(shí)占用總線(xiàn)，造成每個(gè)設備可使用的總線(xiàn)帶寬不足。通用總線(xiàn)提高性能的辦法是增加總線(xiàn)位寬，提高頻率，流水處理，切分傳輸。

（3）交叉開(kāi)關(guān)數據傳輸與互連技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)互連技術(shù)，采用通道開(kāi)關(guān)或者asic芯片實(shí)現，可以動(dòng)態(tài)地改變拓撲結構，使用戶(hù)在通信過(guò)程中能方便地實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸，提高通信帶寬。該技術(shù)是目前發(fā)展最快的高速數據傳輸與互連技術(shù)，部分dsp如mpc85/86系列提供了rapidio接口，可以直接實(shí)現芯片以及板間互連。部分針對dsp的橋接芯片也提供了交叉開(kāi)關(guān)互連接口，如starlink接口等。

（4）專(zhuān)用數據傳輸與互連技術(shù)是指一些dsp等芯片獨有的數據傳輸技術(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(gè)立方體連接形式，實(shí)現一種動(dòng)態(tài)的全互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )；通過(guò)中間結點(diǎn)的接力，使得任意兩dsp均可互通。因此，基于sharc系列dsp構建的處理板，既可以實(shí)現板內互連，又可以實(shí)現板間互連。但缺點(diǎn)是采用了存儲轉發(fā)式的操作，延時(shí)大，降低了數據傳輸的效率。

由于各種傳輸與互連技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，雷達信號處理器在設計中通常采取總線(xiàn)+專(zhuān)用數據傳輸與互連技術(shù)，或者總線(xiàn)+交叉開(kāi)關(guān)等方式，構成dsp、模塊或者設備之間的數據傳輸和系統互連的通道，保證系統良好的可靠性和可擴展性。

存儲技術(shù)

隨著(zhù)芯片制造技術(shù)的發(fā)展，通用dsp采用多內核技術(shù)，工作主頻越來(lái)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(jìn)行海量數據存儲和處理，存儲技術(shù)就成為實(shí)時(shí)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。

雷達信號處理器的數據存儲載體分為動(dòng)態(tài)存儲器（dram）、靜態(tài)存儲器（sram）、雙口存儲器（dual-port ram，簡(jiǎn)稱(chēng)dpram）、先進(jìn)先出存儲器（fifo）等。此外，硬盤(pán)和磁帶也可用于原始數據和處理結果的存儲，例如sar成像處理系統的存儲子系統設計。fifo、dpram和sram通常用于局部存儲器設計，存儲空間有限，而sdram具有容量大、成本低、速度快的優(yōu)點(diǎn)，通常作為數據矩陣的存儲介質(zhì)。sdram對于連續地址存儲空間的訪(fǎng)問(wèn)效率非常高，但是在地址跳變的隨機訪(fǎng)問(wèn)情況下，大量的翻頁(yè)操作使得訪(fǎng)問(wèn)效率降低數倍。例如在sar成像處理中，需要對數據矩陣轉角存儲。一般情況下，數據矩陣在存儲器中以行為單位順序存放，當dsp讀取矩陣列時(shí)，由于進(jìn)行非連續地址訪(fǎng)問(wèn)，嚴重降低了sdram的讀寫(xiě)效率，直接影響實(shí)時(shí)成像。

當前，高性能dsp，如ts201/101和tms320c6000系列，都提供了sdram控制器，實(shí)現了dsp對海量數據的高效管理，但是，相對于新一代雷達對存儲能力和訪(fǎng)問(wèn)速度的需求還存在一定的差距。許多公司提供了更先進(jìn)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(guò)fpga開(kāi)發(fā)ddr sdram和ddr ii sdram控制器，使dsp訪(fǎng)問(wèn)sdram效率得到成倍提高。

雷達信號處理器軟件的開(kāi)發(fā)

軟件是系統的靈魂，硬件是系統的基礎。雷達信號處理系統軟件開(kāi)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)不是對數據執行變換，而是在各種硬件設備上執行相應的算法，完成相應的功能，而計算機僅僅提供人機交互界面，進(jìn)行系統監控和顯示結果。這種軟件系統的開(kāi)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(gè)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的算法，頂層軟件運行于底層軟件之上，完成面向用戶(hù)的應用級設計。這種層次化的軟件結構，可以提高整個(gè)軟件系統的可維護性、可移植性、通用性；而且由于軟件開(kāi)發(fā)人員只需要考慮自己層次的開(kāi)發(fā)內容，有效提高了軟件代碼的開(kāi)發(fā)效率。下面重點(diǎn)討論底層軟件的開(kāi)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(gè) 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(wèn)題，包括多 dsp 之間的通信協(xié)議、多 dsp 的控制信令設計、處理任務(wù)的粒度劃分、處理任務(wù)的動(dòng)態(tài)調度和分配等。底層軟件非常強調時(shí)間性、并發(fā)性、活動(dòng)性、異構性、反應性，一般采用數據流驅動(dòng)。當雷達信號處理系統的規模越來(lái)越大，軟件高度復雜，任務(wù)調度和分配頻繁，這時(shí)需要采用實(shí)時(shí)操作系統完成上述軟件功能。當前市場(chǎng)上的實(shí)時(shí)操作系統主要有wind river systems公司開(kāi)發(fā)的virtuoso、vxworks，qnx系統軟件公司的qnx，美國微軟公司的windows ce等，其中vxworks得到了廣泛的應用。

vxworks是一個(gè)實(shí)時(shí)的多任務(wù)系統，由一個(gè)體積很小的內核以及一些可以根據需要進(jìn)行定制的系統模塊組成。微內核支持實(shí)時(shí)系統的一系列特征，包括多任務(wù)、中斷支持、任務(wù)搶占式調度和輪轉調度。微內核設計使vxworks縮減了系統開(kāi)銷(xiāo)并加速了對外部事件的反應。vxworks內核只占用了很小的存儲空間，并可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。vxworks具有專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統設計開(kāi)發(fā)的操作系統內核，提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調度、中斷管理，實(shí)時(shí)的系統資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。因此，在dsp軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，用戶(hù)可根據需要對vxworks相對獨立的目標模塊進(jìn)行裁剪和配置，然后自動(dòng)鏈接，完成系統的功能。因此，對于多dsp系統采用vxworks開(kāi)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。

結束語(yǔ)

近年來(lái)，國內外雷達技術(shù)研究進(jìn)展迅猛，各種新體制雷達相繼問(wèn)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(kāi)發(fā)以及數據傳輸與互連能力等各個(gè)方面都提出了更高的要求。dsp技術(shù)的采用，增強了數據處理能力，提高了系統的性能指標，促進(jìn)了現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結構、拓撲結構得到優(yōu)化，系統的可擴展性得到提高。隨著(zhù)dsp的開(kāi)發(fā)和應用的深入，dsp將在信息與信號處理、通信與信息系統、自動(dòng)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用。