DSP在雷达方面的应用

1、DSP在雷达方面的应用摘要：DSP是一种基于精简指令集的可编程数学计算芯片，可以对数字信号进行时频域变换、频谱分析、滤波、估值、增强、压缩等处理，广泛应用于家用电器、多媒体系统、雷达、卫星系统、移动通信、网络会议、医学仪器、实时图像识别与处理、语音处理、自适应制导控制、模式识别、定位、导航、联合战术无线电系统和智能基站等领域。本文重点介绍通用DSP在雷达信号处理系统中的典型应用，以及研制基于DSP的雷达信号处理系统的关键技术。关键词：DSP,军事,雷达；一、多核DSP在军事应用随着无人机(UAV)、声纳、雷达、信号情报(SIGINT)以及软件定义无线电(SDR) 等波形密集型应用中的信号处理需

2、求不断攀升，多个数字信号处理器(DSP)内核的使用已成为重要的实现手段。多核功能与不断丰富的IP内核及开发工具相结合可实现优异的系统架构。所有这些应用都需要多核DSP来满足关键任务行业的各种需求，其中包括更强大的功能性（更快的处理速度）、更精细的分辨率以及更高的精度。过去，处理器性能的改善是通过工艺节点升级及提高运行时钟频率来实现的。然而，发展小型工艺节点和提高时钟频率并不是提高性能的低功耗捷径。在单个裸片中集成多核的这个方法可在更低的时钟频率及功耗下实现所需的高性能。当前的多核器件或采用同质内核，即所有处理内核都是相同的；或采用异质内核，即器件由不同类型的内核组成。几乎所有应用都需要混合搭配

3、的处理功能来满足行业需求。从开发人员角度看，重点是支持同质内核，因为异质系统架构可通过同质器件创建。反之，如果不牺牲性能就很难实现。图1（下图）是作为异质多核架构实例的德州仪器 (TI) KeyStone多核架构。图1：德州仪器KeyStone多核架构TI KeyStone多内核架构拥有高度的灵活性，可同时集成定点与浮点运算、定向协处理与硬件加速，以及优化的内核间/组件间通信。此架构包括多个 C66x DSP 内核，能够支持高达 256 GMAC 的定点运算性能以及 128GFLOP 的浮点运算性能。另外，此架构还包括综合而全面的连接功能层：TeraNet2 能够与各种处理组件无缝互连；多内核

4、共享内存控制器能直接接入片上共享存储器与外部第三代双倍数据速率 (DDR3) 存储器；多内核导航器可助于管理整个 SoC 架构的通信；以及 HyperLink 50 可与额外的协处理器或其他 TI SoC 等同伴器件实现互通互连。部分此类关键处理组件可在 TI SoC 上实现 LTE L2 与传输处理。多核DSP支持的并行处理功能可为要求严格的军事应用提供重要功能。雷达要求更快的FFT响应时间，根据FFT要求，开发人员可使用器件中的所有内核或部分内核满足FFT的实施需求。图2所示即为并行FFT示例。采用可充分发挥多核优势的软件工具可为正在进行的设计判定最佳内核配置（内核数量）。这样开发人员就可

5、高度灵活地满足多重应用需求。图2：4 DSP并行FFT实施多核DSP目前正处于快速发展阶段。德州仪器等半导体公司提供的最新多核DSP采用通用架构，不但可帮助开发人员重复使用软件，而且还可为设备制造商节省开发时间。多核DSP正在成为声纳、雷达、SIGINT以及SDR应用的主要差异化因素，并正在为当前及未来信号处理系统实现令人振奋的全新系统开发。二、DSP在雷达信号处理中的典型应用作为面向数字信号处理的可编程嵌入式处理器，DSP具有高速、灵活、可靠、可编程、低功耗、接口丰富、处理速度快、实时性好等特点。雷达信号处理系统所涉及的主要技术，包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自

6、适应波束形成和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高度重复性的实时计算。DSP可以利用硬件算术单元、片内存储器、哈佛总线结构、专用寻址单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成FFT、FIR、复数乘加、相关、三角函数以及矩阵运算等数字信号处理。因此，DSP非常适合雷达数字信号处理算法的实现。FFT是雷达信号处理的重要工具。DSP内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证DSP在相同条件下，完成FFT算法的速度比通用微处理器要快2到3个数量级。因此，在雷达信号处理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以实现信号的时-频域转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩等。FIR滤波器是雷达

7、信号处理中常用设计之一。在动目标指示（MTI）或动目标检测（MTD）中，采用FIR滤波器可以滤除杂波干扰，提高信杂比，而通过恒虚警处理（CFAR）完成目标的检测。在机载多普勒雷达中，为了抑制地杂波的干扰，采用了复杂的自适应滤波器组。在阵列信号处理以及波束形成中，进行数据校正及加权系数计算和控制，均需要大量的复数运算。这些复数加权滤波器、多普勒滤波器组或者矩阵运算都是复信号的乘法累加运算，可根据不同算法的需要，采用DSP进行灵活编程实现。DSP在参数估计方面也得到了广泛应用。典型的应用实例是SAR成像处理中的最大对比度算法。最大对比度算法是一种优秀的多普勒调频斜率估计方法，它通过对方位向数据的重

8、复脉冲压缩，最后通过计算对比度，得到最优的普勒调频斜率。其中，采用DSP完成大量的FFT、IFFT和复数乘法，实现实时的参数估计。此外，DSP可以利用其存储器管理和计算能力，分析杂波强度、面积、杂波的多普勒频率、起伏分量以及地杂波等，建立杂波图，完成雷达回波的统计分析、信息保存及存储器控制等任务，最终实现CFAR处理。由此可见，DSP在雷达信号处理器设计中具有很大的灵活性和适用范围，它不仅增强了信号处理的速度和能力，大大提高了信号处理系统的性能指标，而且适合多功能可编程并行处理和阵列处理，满足高速并行处理的要求。1.基于DSP的新体制雷达信号处理系统的关键技术高适应性和多功能是现代雷达系统所应

9、有的两个基本特征，一方面要求雷达在复杂杂波环境下具有很高的检测概率和很低的虚警率；另一方面要求雷达在相同的平台上具有多功能，不但需要发现并测定目标的位置和运动参数，还要进行分析处理，判定其属性和威胁程度，进行辅助决策，并将目标信息直接传递给信息中心。因此，在现代雷达信号处理系统的设计中，不仅要考虑运算量、运算速度、数据传输速度、体积的要求，还要考虑系统的标准化、通用性、模块化、可扩展性及其相关的技术。下面从系统结构、数据传输与互连技术和软件开发三个方面介绍DSP在雷达信号处理系统的应用。1）基于DSP的雷达信号处理系统结构设计现代雷达信号处理系统是典型的实时并行处理系统，采用模块化设计，多种模

10、块构成一个通用硬件平台，根据软件雷达的思想，通过改变算法和软件，使其适应不同的工作环境和任务需要。由于多DSP处理模块具有运算密集、体积小、实时性好以及处理时间可严格预测等特点，通常可作为系统的核心模块。例如我国最新研制的WRSP1（WeatherRadarSignalProcessor1）全功能天气雷达信号处理器，由三类标准模块构成，采用了多DSP并行方式，通过软件编程能够实时完成当今天气雷达信号多普勒处理的PPP（脉冲对）、FFT等五种算法，与我国原有系统相比较，具有高集成、高精度、高度灵活、高稳定、高成像质量和低成本等特点。2）数据传输与互连技术数据传输与互连技术的选择直接影响雷达信号处

11、理系统结构。数据传输与互连技术随着DSP芯片技术发展而逐步完善更新换代。在此将相关技术分为4类。基于高性能工作站或者分布式通用计算机网络构建的实时雷达信号处理器，通常采用千兆以太网或者光纤网络，构成系统的互连结构。采用总线结构实现数据交互是常见的一种数据传输与互连技术，可以分为专用总线和通用总线两类。专用总线应用较少，而通用总线如PCI系列、VME系列等，由于是工业标准，可以得到很多厂商产品和软硬件技术支持，有着广泛的应用。现有的高性能DSP都开始提供通用总线接口，例如TMS320C64系列、PowerPC系列都提供了PCI或者PCI-X总线接口，Sharc系列DSP若需要进行简单的逻辑转换便

12、可直接与PCI总线连接。交叉开关数据传输与互连技术是一种动态互连技术，采用通道开关或者ASIC芯片实现，可以动态地改变拓扑结构，使用户在通信过程中能方便地实现点对点的数据传输，提高。专用数据传输与互连技术是指一些DSP等芯片独有的数据传输技术。典型代表是Sharc系列DSP使用的LINK技术。3）雷达信号处理器软件的开发软件是系统的灵魂，硬件是系统的基础。雷达信号处理系统软件开发不同于一般的软件，其核心是基于DSP的嵌入式软件，主要任务不是对数据执行变换，而是在各种硬件设备上执行相应的算法，完成相应的功能，而计算机仅仅提供人机交互界面，进行系统监控和显示结果。这种软件系统的开发采用了分层方法，

13、把软件分为底层软件和顶层软件两个相对独立的部分。其中底层软件完成DSP等硬件资源的控制和相应的算法，顶层软件运行于底层软件之上，完成面向用户的应用级设计。这种层次化的软件结构，可以提高整个软件系统的可维护性、可移植性、通用性；而且由于软件开发人员只需要考虑自己层次的开发内容，有效提高了软件代码的开发效率。下面重点讨论底层软件的开发。底层软件包含嵌入式软件，主要完成DSP寄存器、存储器的操作，控制多DSP间的通信，以及处理在多个DSP之间的分配等任务。需要研究、解决底层控制软件与硬件平台的最优适配问题，包括多DSP之间的通信协议、多DSP的控制信令设计、处理任务的粒度划分、处理任务的动态调度和分

14、配等。底层软件非常强调时间性、并发性、活动性、异构性、反应性，一般采用数据流驱动。当雷达信号处理系统的规模越来越大，软件高度复杂，任务调度和分配频繁，这时需要采用实时操作系统完成上述软件功能。当前市场上的实时操作系统主要有WindRiverSystems公司开发的Virtuoso、VxWorks，QNX系统软件公司的QNX，美国微软公司的WindowsCE等，其中Vxworks得到了广泛的应用。近年来，国内外雷达技术研究进展迅猛，各种新体制雷达相继问世，对雷达信号处理器的处理能力、存储能力、可扩展性、软件开发以及数据传输与互连能力等各个方面都提出了更高的要求。DSP技术的采用，增强了数据处理能力，提高了系统的性能指标，促进了现代雷达信号处理技术的发展。尤其是各种新型的DSP产品，对软件、外围接口技术和互连技术的良好支