DSP在雷達(dá)方面的應(yīng)用

1、DSP在雷達(dá)方面的應(yīng)用摘要：DSP是一種基于精簡指令集的可編程數(shù)學(xué)計算芯片，可以對數(shù)字信號進(jìn)行時頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮等處理，廣泛應(yīng)用于家用電器、多媒體系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星系統(tǒng)、移動通信、網(wǎng)絡(luò)會議、醫(yī)學(xué)儀器、實(shí)時圖像識別與處理、語音處理、自適應(yīng)制導(dǎo)控制、模式識別、定位、導(dǎo)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(diǎn)介紹通用DSP在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，以及研制基于DSP的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵詞：DSP,軍事,雷達(dá)；一、多核DSP在軍事應(yīng)用隨著無人機(jī)(UAV)、聲納、雷達(dá)、信號情報(SIGINT)以及軟件定義無線電(SDR) 等波形密集型應(yīng)用中的信號處理需

2、求不斷攀升，多個數(shù)字信號處理器(DSP)內(nèi)核的使用已成為重要的實(shí)現(xiàn)手段。多核功能與不斷豐富的IP內(nèi)核及開發(fā)工具相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的系統(tǒng)架構(gòu)。所有這些應(yīng)用都需要多核DSP來滿足關(guān)鍵任務(wù)行業(yè)的各種需求，其中包括更強(qiáng)大的功能性（更快的處理速度）、更精細(xì)的分辨率以及更高的精度。過去，處理器性能的改善是通過工藝節(jié)點(diǎn)升級及提高運(yùn)行時鐘頻率來實(shí)現(xiàn)的。然而，發(fā)展小型工藝節(jié)點(diǎn)和提高時鐘頻率并不是提高性能的低功耗捷徑。在單個裸片中集成多核的這個方法可在更低的時鐘頻率及功耗下實(shí)現(xiàn)所需的高性能。當(dāng)前的多核器件或采用同質(zhì)內(nèi)核，即所有處理內(nèi)核都是相同的；或采用異質(zhì)內(nèi)核，即器件由不同類型的內(nèi)核組成。幾乎所有應(yīng)用都需要混合搭配

3、的處理功能來滿足行業(yè)需求。從開發(fā)人員角度看，重點(diǎn)是支持同質(zhì)內(nèi)核，因為異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)可通過同質(zhì)器件創(chuàng)建。反之，如果不犧牲性能就很難實(shí)現(xiàn)。圖1（下圖）是作為異質(zhì)多核架構(gòu)實(shí)例的德州儀器 (TI) KeyStone多核架構(gòu)。圖1：德州儀器KeyStone多核架構(gòu)TI KeyStone多內(nèi)核架構(gòu)擁有高度的靈活性，可同時集成定點(diǎn)與浮點(diǎn)運(yùn)算、定向協(xié)處理與硬件加速，以及優(yōu)化的內(nèi)核間/組件間通信。此架構(gòu)包括多個 C66x DSP 內(nèi)核，能夠支持高達(dá) 256 GMAC 的定點(diǎn)運(yùn)算性能以及 128GFLOP 的浮點(diǎn)運(yùn)算性能。另外，此架構(gòu)還包括綜合而全面的連接功能層：TeraNet2 能夠與各種處理組件無縫互連；多內(nèi)核

4、共享內(nèi)存控制器能直接接入片上共享存儲器與外部第三代雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR3) 存儲器；多內(nèi)核導(dǎo)航器可助于管理整個 SoC 架構(gòu)的通信；以及 HyperLink 50 可與額外的協(xié)處理器或其他 TI SoC 等同伴器件實(shí)現(xiàn)互通互連。部分此類關(guān)鍵處理組件可在 TI SoC 上實(shí)現(xiàn) LTE L2 與傳輸處理。多核DSP支持的并行處理功能可為要求嚴(yán)格的軍事應(yīng)用提供重要功能。雷達(dá)要求更快的FFT響應(yīng)時間，根據(jù)FFT要求，開發(fā)人員可使用器件中的所有內(nèi)核或部分內(nèi)核滿足FFT的實(shí)施需求。圖2所示即為并行FFT示例。采用可充分發(fā)揮多核優(yōu)勢的軟件工具可為正在進(jìn)行的設(shè)計判定最佳內(nèi)核配置（內(nèi)核數(shù)量）。這樣開發(fā)人員就可

5、高度靈活地滿足多重應(yīng)用需求。圖2：4 DSP并行FFT實(shí)施多核DSP目前正處于快速發(fā)展階段。德州儀器等半導(dǎo)體公司提供的最新多核DSP采用通用架構(gòu)，不但可幫助開發(fā)人員重復(fù)使用軟件，而且還可為設(shè)備制造商節(jié)省開發(fā)時間。多核DSP正在成為聲納、雷達(dá)、SIGINT以及SDR應(yīng)用的主要差異化因素，并正在為當(dāng)前及未來信號處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)令人振奮的全新系統(tǒng)開發(fā)。二、DSP在雷達(dá)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(shí)時性好等特點(diǎn)。雷達(dá)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

6、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(shí)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(yùn)算等數(shù)字信號處理。因此，DSP非常適合雷達(dá)數(shù)字信號處理算法的實(shí)現(xiàn)。FFT是雷達(dá)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(dá)信號處理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以實(shí)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(dá)

7、信號處理中常用設(shè)計之一。在動目標(biāo)指示（MTI）或動目標(biāo)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(biāo)的檢測。在機(jī)載多普勒雷達(dá)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(jìn)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(yùn)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(yùn)算都是復(fù)信號的乘法累加運(yùn)算，可根據(jù)不同算法的需要，采用DSP進(jìn)行靈活編程實(shí)現(xiàn)。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(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(diào)頻斜率估計方法，它通過對方位向數(shù)據(jù)的重

8、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(shí)現(xiàn)實(shí)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(qiáng)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(dá)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(shí)現(xiàn)CFAR處理。由此可見，DSP在雷達(dá)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(qiáng)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(biāo)，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。1.基于DSP的新體制雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)所應(yīng)

9、有的兩個基本特征，一方面要求雷達(dá)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(dá)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(biāo)的位置和運(yùn)動參數(shù)，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(biāo)信息直接傳遞給信息中心。因此，在現(xiàn)代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計中，不僅要考慮運(yùn)算量、運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化、通用性、模塊化、可擴(kuò)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)和軟件開發(fā)三個方面介紹DSP在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的應(yīng)用。1）基于DSP的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)代雷達(dá)信號處理系統(tǒng)是典型的實(shí)時并行處理系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計，多種模

10、塊構(gòu)成一個通用硬件平臺，根據(jù)軟件雷達(dá)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(yùn)算密集、體積小、實(shí)時性好以及處理時間可嚴(yán)格預(yù)測等特點(diǎn)，通?？勺鳛橄到y(tǒng)的核心模塊。例如我國最新研制的WRSP1（WeatherRadarSignalProcessor1）全功能天氣雷達(dá)信號處理器，由三類標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)今天氣雷達(dá)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(diǎn)。2）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(dá)信號處

11、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?；诟咝阅芄ぷ髡净蛘叻植际酵ㄓ糜嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的實(shí)時雷達(dá)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)。采用總線結(jié)構(gòu)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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?，F(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(jìn)行簡單的邏輯轉(zhuǎn)換便

12、可直接與PCI總線連接。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(shí)現(xiàn)，可以動態(tài)地改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用戶在通信過程中能方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，提高。專用數(shù)據(jù)傳輸與互連技術(shù)是指一些DSP等芯片獨(dú)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)。3）雷達(dá)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(dá)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(jī)僅僅提供人機(jī)交互界面，進(jìn)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，

13、把軟件分為底層軟件和頂層軟件兩個相對獨(dú)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(yùn)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(hù)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(diǎn)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

14、配等。底層軟件非常強(qiáng)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(dāng)雷達(dá)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(shí)時操作系統(tǒng)完成上述軟件功能。當(dāng)前市場上的實(shí)時操作系統(tǒng)主要有WindRiverSystems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WindowsCE等，其中Vxworks得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外雷達(dá)技術(shù)研究進(jìn)展迅猛，各種新體制雷達(dá)相繼問世，對雷達(dá)信號處理器的處理能力、存儲能力、可擴(kuò)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(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力，提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)，促進(jìn)了現(xiàn)代雷達(dá)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