摘 要：討論了雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理過(guò)程中的分段脈壓實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，研究了基于DSP的多片流水分段脈壓并行處理算法，給出了總的脈壓時(shí)間和參與多片流水的DSP數(shù)量的計(jì)算公式?；谀硨拵Ю走_(dá)回波，在研究了不同分段脈壓點(diǎn)數(shù)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件平臺(tái)，得出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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關(guān)鍵詞：DSP；寬帶雷達(dá)；分段脈壓；并行算法；流水處理

中圖分類號(hào)：TN952 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-041-04

Subsection Pulse Compression Processing Platform of Broadband Radar Based on Pipelined DSP

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WANG Guoqing1，SHEN Junjie2，ZHANG Xufeng1

(1.Research Institute of Space Electro.Inform.Tech.，College of Electric Sci.and Engi.，National University of Defence Technology，Changsha，410073，China；

2.Unit 75706 in Guangzhou Military District，Guangzhou，510600，China)

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Abstract：The method of real-time realizing of the subsection pulse compression of radar is analyzed via frequency-domain algorithm.A parallel algorithm based on pipelined DSP is discussed，and the expressions of the whole time of the pulse compression and the number of the pipelined DSP are proposed.Within the given time，the performance of the subsection length is discussed and a high performance subsection pulse compression processing platform which uses four ADSP-TS101s as key components is designed，and corresponding experiment result is obtained.

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Keywords：DSP；broadband radar；subsection pulse compression；parallel algorithm；pipelined processing

1 引 言

作為一種探測(cè)目標(biāo)信息的工具，雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在雷達(dá)回波信號(hào)處理中，通常利用線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)來(lái)獲得高的距離分辨率。他有效地解決了雷達(dá)作用距離與距離分辨率之間的矛盾，可以在保證雷達(dá)作用距離的情況下提高雷達(dá)的距離分辨力。數(shù)字脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號(hào)處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖壓縮，分為時(shí)域和頻域兩種實(shí)現(xiàn)方式。時(shí)域脈壓常用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，而頻域脈壓常用專用的FFT芯片或DSP完成。一般而言，對(duì)于小時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用時(shí)域脈壓較好；但對(duì)于大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用頻域脈壓較好。隨著通用DSP芯片本身處理能力的不斷提高，基于并行DSP芯片的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)基本能夠滿足雷達(dá)脈沖壓縮信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的需求。

本文針對(duì)雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理，首先分析了頻域脈壓處理方法，介紹了分段脈壓原理。然后研究了基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)，以某寬帶雷達(dá)回波為例，提出了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件處理平臺(tái)設(shè)計(jì)。最后給出了硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 頻域脈壓實(shí)現(xiàn)分析

對(duì)接收到的信號(hào)作數(shù)字脈壓，等同于信號(hào)通過(guò)一個(gè)加權(quán)的匹配濾波器。從時(shí)域來(lái)說(shuō)，輸出為信號(hào)與加權(quán)的匹配濾波器的線性卷積，等價(jià)于二者在頻域的乘積。需要注意的是兩離散信號(hào)頻率域相乘相當(dāng)他們?cè)跁r(shí)域作圓卷積，為使圓卷積與線性卷積等價(jià)，待處理的信號(hào)須加零延伸，避免圓卷積時(shí)發(fā)生混疊。

設(shè)輸入序列x(n)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，系統(tǒng)沖擊響應(yīng)h(n)長(zhǎng)度為M(M



y(n)=I(xiàn)FFT{FFT［x(n)］#8226;FFT［h(n)］}

(1)



式(1)實(shí)際上是圓卷積運(yùn)算，在運(yùn)算時(shí)，x(n)和h(n)必須至少補(bǔ)零到L+M－1點(diǎn)，等到x(n)完全讀入后，開(kāi)始脈壓運(yùn)算，得到的y(n)有效輸出長(zhǎng)度為L(zhǎng)點(diǎn)。因此頻域脈壓處理時(shí)間大致分為數(shù)據(jù)塊讀入讀出時(shí)間和脈壓運(yùn)算時(shí)間。總運(yùn)算量包括L點(diǎn)x(n)數(shù)據(jù)輸入、L+M－1點(diǎn)復(fù)FFT，L+M－1點(diǎn)復(fù)點(diǎn)乘、L+M－1點(diǎn)復(fù)I(xiàn)FFT以及L點(diǎn)y(n)數(shù)據(jù)輸出。

當(dāng)輸入序列x(n)的長(zhǎng)度LM，直接做L+M－1點(diǎn)的脈壓不僅運(yùn)算量大、存儲(chǔ)單元多，而且有很大的數(shù)據(jù)讀入讀出延遲?？梢圆捎弥丿B保留法進(jìn)行分段脈壓處理。設(shè)x(n)均勻分段，每段長(zhǎng)度為N(滿足N≥M，N+M－1接近2的整數(shù)次冪)，在每段后面再補(bǔ)上后一段的前M－1個(gè)輸入序列值，組成N+M－1點(diǎn)序列，若為最后一段，則補(bǔ)M－1個(gè)零。每個(gè)N+M－1點(diǎn)序列與h(n)脈壓后，輸出的結(jié)果取前N點(diǎn)為每段的有效輸出。這樣按順序拼接在一起即可得到輸入序列x(n)的脈壓輸出。其原理如圖1所示。

圖1 分段脈壓原理

3 基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)

當(dāng)分段脈壓處理時(shí)，可以采用多個(gè)分段同時(shí)脈壓的并行處理技術(shù)來(lái)減少整個(gè)脈壓過(guò)程的處理時(shí)間。流水線技術(shù)(Pipeline)為并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間并行性提供了一種有效方法，他將輸入流水線的任務(wù)分為一串子任務(wù)，相繼的任務(wù)不斷流入流水線，利用子任務(wù)在執(zhí)行時(shí)間上的重疊(Time Interleaving)，使得每個(gè)子任務(wù)都處在整個(gè)操作流程不同的處理段中，且保持在不同的完成階段來(lái)達(dá)到操作級(jí)并行。

在忽略數(shù)據(jù)內(nèi)部交換以及脈壓前的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)化等運(yùn)算時(shí)間的前提下，可以將每段脈壓任務(wù)大致分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)脈壓和脈壓結(jié)果輸出三個(gè)子任務(wù)。若各段分段脈壓過(guò)程均采用流水線技術(shù)操作，相鄰兩段脈壓任務(wù)分別由不同的DSP完成。那么相鄰兩段脈壓過(guò)程進(jìn)入流水的時(shí)間僅相差數(shù)據(jù)輸入的操作時(shí)間，流水操作如圖2所示。

圖2 分段脈壓流水操作圖

設(shè)輸入序列x(n)長(zhǎng)度為L(zhǎng)點(diǎn)，分段重疊點(diǎn)數(shù)為M－1，分段脈壓點(diǎn)數(shù)為d(為2的整數(shù)次冪)點(diǎn)，定義x(n)的分段總數(shù)為p，則p=［L/(d－(M－1))］，［］表示不小于此值的最小正整數(shù)(下同)。定義每段的分段長(zhǎng)度為N，則N=［L/p］。

定義流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間為Tpip。則:



Tpip=tpc[CD#*2]d+tio

(2)



其中，tpc[CD#*2]d為流水操作時(shí)d點(diǎn)脈壓時(shí)間。tio=ti[CD#*2]L+M－1+tM－1+to[CD#*2]N，為流水操作時(shí)數(shù)據(jù)總的輸入輸出時(shí)間。ti[CD#*2]L+M－1為L(zhǎng)+M－1點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入時(shí)間，tM－1為p－1組M－1點(diǎn)重疊數(shù)據(jù)重復(fù)讀取時(shí)間，to[CD#*2]N為N點(diǎn)脈壓結(jié)果輸出時(shí)間。

定義參與多片流水的DSP數(shù)量為NDSP。則:

其中，p為x(n)的分段總數(shù)，r=［ti[CD#*2]N + M-1  + tpc[CD#*2]d  + to[CD#*2]N ti[CD#*2]N + M-1 ］，為每段脈壓任務(wù)時(shí)間與數(shù)據(jù)輸入時(shí)間的任務(wù)時(shí)間比。ti[CD#*2]N + M-1 為N+M－1點(diǎn)數(shù)據(jù)輸入時(shí)間，to[CD#*2]N 為N點(diǎn)脈壓結(jié)果輸出時(shí)間。tpc[CD#*2]d為d點(diǎn)脈壓時(shí)間。

下面以某寬帶雷達(dá)為例，在輸入序列點(diǎn)數(shù)和分段重疊點(diǎn)數(shù)確定的情況下，采用AD公司的高性能定/浮點(diǎn)ADSP-TS101芯片，分析各流水任務(wù)時(shí)間、流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間、分段數(shù)、任務(wù)時(shí)間比以及參與多片流水的DSP數(shù)量等與分段脈壓點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系。設(shè)雷達(dá)脈沖寬度為1 μs，脈沖重復(fù)周期(PRT)為1 ms，帶寬為200 MHz，脈壓距離范圍為10 km，采樣率為220 MHz，I，Q兩路合并輸出為16 b。相鄰兩分段的重疊數(shù)據(jù)在ADSP-TS101之間采用Link口傳輸。隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的變化規(guī)律見(jiàn)圖3和圖4。

由圖3可以看出，流水操作時(shí)，隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的增加，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間是快速增加的，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間是先遞減后緩慢增加的?？偟拿}壓時(shí)間Tpip是先遞減后快速增加的，這是因?yàn)?，在d相對(duì)較小時(shí)，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間的減少量大于數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間的增加量，總的脈壓時(shí)間Tpip的變化表現(xiàn)為減少；而隨著d的增加，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間的增加量明顯大于數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間的增加量，總的脈壓時(shí)間Tpip的變化表現(xiàn)為快速增加，特別當(dāng)d大于4 096點(diǎn)之后，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間更成為總的脈壓時(shí)間Tpip的主要部分?？梢缘贸?，分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的遞減不一定總會(huì)帶來(lái)總的脈壓時(shí)間的減少，特別當(dāng)d相對(duì)較小時(shí)，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間更成為制約總的脈壓時(shí)間Tpip的主要因素。

圖3 不同脈壓點(diǎn)數(shù)時(shí)的流水操作時(shí)間

由圖4可以看出，隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的增加，分段數(shù)反比于d，是快速遞減的。任務(wù)時(shí)間比是緩慢變化的，維持在7~8的水平，這是由ADSP-TS101本身的處理速度的決定的。在對(duì)應(yīng)的分段脈壓點(diǎn)上，選擇分段數(shù)與任務(wù)時(shí)間比中相對(duì)較小的值，得到參與多片流水的DSP數(shù)量NDSP，其變化趨勢(shì)是遞減的?？梢赃@樣理解，在d相對(duì)較小時(shí)，分段數(shù)較多，每個(gè)DSP可以完成多次分段脈壓任務(wù)，DSP的數(shù)量主要由任務(wù)時(shí)間比決定；而隨著d的增加，分段數(shù)快速遞減，直接減少了對(duì)DSP數(shù)量的需求。

圖4 不同脈壓點(diǎn)數(shù)時(shí)的DSP數(shù)量

為了評(píng)價(jià)基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)的并行程度，在這里引用加速比(Accelerate Ratio)和并行效率的概念?？梢远xNDSP個(gè)DSP處理器的加速比為:

可以看出，并行效率與加速比是密切相關(guān)的，Sp越接近于NDSP，Ep越接近于1。實(shí)際上，影響多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)并行效率的因素是多方面的，我們應(yīng)該綜合考慮流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間、參與多片流水的DSP數(shù)量、加速比以及并行效率等各項(xiàng)指標(biāo)，以盡可能達(dá)到多片流水分段脈壓的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)式(2)~式(5)，結(jié)合某寬帶雷達(dá)參數(shù)，給出不同分段脈壓點(diǎn)數(shù)d時(shí)的流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間Tpip、參與多片流水的ADSP-TS101數(shù)量NDSP，加速比Sp以及并行效率Ep等指標(biāo)，詳見(jiàn)表1。

表1 不同的分段脈壓點(diǎn)數(shù)時(shí)的多片流水操作性能指標(biāo)

以上分析還沒(méi)有考慮單片ADSP-TS101的數(shù)據(jù)內(nèi)部存取以及脈壓前的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)化等運(yùn)算時(shí)間。綜合各方面因素考慮，要在1 ms內(nèi)完成該寬帶雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理，我們選擇的分段脈壓點(diǎn)數(shù)為4 096點(diǎn)，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于4片ADSP-TS101芯片的多片流水分段脈壓并行DSP硬件平臺(tái)，該平臺(tái)采用了共享總線并行結(jié)構(gòu)和分布式并行結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，充分利用了并行總線的帶寬，以及Link口的靈活、方便及快速的特點(diǎn)。

4 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)脈壓處理硬件平臺(tái)是一塊由4片ADSP-TS101構(gòu)成的6U CPCI前面板，結(jié)構(gòu)如圖5所示。DSP1，DSP2，DSP3，DSP4采用共享總線結(jié)構(gòu)和MeshSP結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，構(gòu)成板上的多片流水分段脈壓并行運(yùn)算模塊。4片DSP在通過(guò)集成于芯片內(nèi)部的發(fā)布式總線仲裁邏輯共享總線的同時(shí)，還通過(guò)Link口構(gòu)成了兩兩互連的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這樣充分發(fā)揮ADSP-TS101芯片的并行處理能力的優(yōu)勢(shì)。兩種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)的結(jié)合，既減少了處理器對(duì)總線的競(jìng)爭(zhēng)，又大大增強(qiáng)了處理器間的數(shù)據(jù)交換能力。數(shù)據(jù)總線和地址總線上連接存放程序代碼的FLASH芯片和作為外部存儲(chǔ)的SDRAM芯片，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)大批量數(shù)據(jù)的處理需求。

圖5 實(shí)時(shí)脈壓處理硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

FIFO1和FIFO2作為數(shù)據(jù)的輸入輸出緩存，寬帶雷達(dá)的視頻回波數(shù)據(jù)首先在FIFO1中緩存。當(dāng)FIFO1中寫(xiě)入14 667點(diǎn)完整的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)后，由EPLD向DSP發(fā)出數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。當(dāng)DSP檢測(cè)到數(shù)據(jù)有效標(biāo)志后，將FIFO1中數(shù)據(jù)寫(xiě)到DSP緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)在DSP之間的傳輸主要通過(guò)Link口實(shí)現(xiàn)，當(dāng)DSP將脈壓結(jié)果寫(xiě)入FIFO2后，EPLD向CPCI接口芯片S5933發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。當(dāng)S5933檢測(cè)數(shù)據(jù)有效標(biāo)志后將FIFO2中數(shù)據(jù)寫(xiě)到主機(jī)。實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)脈壓處硬件平臺(tái)實(shí)物圖

下面給出4片DSP的任務(wù)劃分，見(jiàn)表2，當(dāng)d=4 096時(shí)，p=4，N=14 667/4，我們?nèi)「鞣侄伍L(zhǎng)度分別為3 666，3 667，3 667，3 667。

表2 d=4 096時(shí)，4片ADSP-TS101的任務(wù)劃分

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)脈壓處理之后，由CPCI總線接口傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)Matlab軟件將脈壓結(jié)果顯示如圖7所示。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，整個(gè)脈壓處理過(guò)程從數(shù)據(jù)輸入到脈壓結(jié)果輸出共耗時(shí)約780 μs。完全滿足脈沖重復(fù)周期(PRT)1 ms的要求。

在雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)處理過(guò)程中，脈沖壓縮處理占有舉足輕重的地位。本文在進(jìn)行基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)時(shí)，做了兩個(gè)假設(shè)：第一個(gè)是將每段脈壓任務(wù)分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)脈壓和數(shù)據(jù)輸出三個(gè)子任務(wù)，忽略其他的運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)行流水設(shè)計(jì)，得出了總的脈壓時(shí)間；第二個(gè)是

假設(shè)相鄰的子任務(wù)由不同的DSP完成，據(jù)此得出了參與多片流水的DSP數(shù)量。然后綜合考慮了總的脈壓時(shí)間、

參與多片流水的DSP數(shù)量、加速比以及并行效率等因素，在輸入序列點(diǎn)數(shù)和分段重疊點(diǎn)數(shù)確定的情況下，研究了分段脈壓的分段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件平臺(tái)。最后通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

圖7 硬件平臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)脈壓結(jié)果

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 王國(guó)慶 男，1980年出生，山東安丘人，博士研究生。研究方向?yàn)楦咚傩盘?hào)采集、雷達(dá)信號(hào)處理等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。