楊思軍
(中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所 江蘇省揚(yáng)州市 225101)
現(xiàn)階段,雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展升級,在信號(hào)處理方面提出了更多要求,包括保持?jǐn)?shù)據(jù)高精度、可完成大量運(yùn)算、能處理復(fù)雜算法等等。同時(shí),對于雷達(dá)信號(hào)處理模塊來說,其具備明顯的兼容性與集成化特征,因此需要以更為靈活的方式實(shí)施信號(hào)與數(shù)據(jù)處理。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),切實(shí)滿足當(dāng)前對雷達(dá)信號(hào)處理提出的高要求,在雷達(dá)信號(hào)處理中引入DSP技術(shù),并依托DSP技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)受到重點(diǎn)關(guān)注。
1.1.1 DSP技術(shù)的主要內(nèi)涵
DSP技術(shù)(數(shù)字信號(hào)處理技術(shù))主要隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展而興起與不斷發(fā)展,發(fā)展至今,已然在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛性應(yīng)用。在DSP技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行過程中,主要在計(jì)算機(jī)設(shè)備、專用處理設(shè)備的支持下,以數(shù)字的形式完成采集信號(hào)、變換信號(hào)、濾波、增強(qiáng)或壓縮信號(hào)、識(shí)別信號(hào)等處理任務(wù),最終生成人們所需要的信號(hào)形式并投入實(shí)際應(yīng)用。通常情況下,DSP 主程序的一般性流程如下所示:在完成上位機(jī)的復(fù)位后,從FLASH 搬運(yùn)程序以及數(shù)據(jù);初始化處理,在McBSP 的支持下實(shí)現(xiàn)對A/D 模塊實(shí)際工作的設(shè)置;等待外部中斷;判斷是否轉(zhuǎn)入中斷狀態(tài),若判斷結(jié)果為“否”則返回上一操作;若是判斷結(jié)果為“是”,自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)采集狀態(tài);對采集到的數(shù)據(jù)實(shí)施處理;判斷DMA 傳輸是否中斷,若判斷結(jié)果為“否”則返回上一操作;若是判斷結(jié)果為“是”,自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳遞至上位機(jī)內(nèi),并反饋等待外部中斷步驟,以此循環(huán)運(yùn)行。
1.1.2 DSP技術(shù)的主要特點(diǎn)
在使用DSP技術(shù)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理操作中,普遍會(huì)產(chǎn)生較多的實(shí)時(shí)性計(jì)算量,且常用FFT 與FIR 濾波法這兩種計(jì)算方式。海量數(shù)據(jù)的處理過程中,DSP技術(shù)不需要重復(fù)性處理數(shù)據(jù),因此具備著更為理想的精準(zhǔn)程度,且數(shù)據(jù)計(jì)算與處理的速度更快、功耗更低、穩(wěn)定性偏高。同時(shí),DSP技術(shù)還擁有著實(shí)時(shí)性的特征,可以作為通用處理器,實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號(hào)處理算法現(xiàn)實(shí)需求的更好滿足。
1.2.1 雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的基本功能
當(dāng)接收到雷達(dá)回波信號(hào)后,雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)可以對相應(yīng)信號(hào)及時(shí)實(shí)施模數(shù)轉(zhuǎn)換,同時(shí)全面清除雜波,以此達(dá)到強(qiáng)化信號(hào)穩(wěn)定性的效果;抗干擾性能相對理想,即便在存在大量噪聲的環(huán)境中,依然可以完成目標(biāo)檢測、提取所需要的信息數(shù)據(jù),并在人機(jī)交互界面上直接現(xiàn)實(shí)顯示出目標(biāo)信息[1]?;诖?,相關(guān)工作人員能夠迅速、準(zhǔn)確、全面獲得目標(biāo)位置、距離等高價(jià)值信息數(shù)據(jù)。
1.2.2 雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的發(fā)展需求
(1)信號(hào)的預(yù)處理。在當(dāng)前雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中,要求可以在更短的時(shí)間內(nèi)獲取、處理海量的實(shí)時(shí)性信息數(shù)據(jù),為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),應(yīng)當(dāng)對信號(hào)實(shí)施預(yù)處理操作,方便后續(xù)數(shù)據(jù)信息處理與應(yīng)用環(huán)節(jié)的高效展開。同時(shí),應(yīng)當(dāng)持續(xù)降低雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的能源消耗,并保證可以在更為復(fù)雜的環(huán)境中也能夠保持相對理想的運(yùn)行狀態(tài)。
(2)主信號(hào)的處理。雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過程中,需要更為靈活的完成數(shù)據(jù)與信號(hào)處理,這需求著更為強(qiáng)大的系統(tǒng)功能支持?;谶@樣的情況,應(yīng)當(dāng)積極引入更多功能軟件以及先進(jìn)技術(shù),以此推動(dòng)系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、傳輸與保存操作中獲得更好的效果。
對雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況、雷達(dá)信號(hào)處理的現(xiàn)實(shí)水平展開全面性了解,并在此基礎(chǔ)上在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)內(nèi)引入DSP技術(shù),保證提前落實(shí)對雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中DSP技術(shù)引入與使用過程中出現(xiàn)的重難點(diǎn)問題,并以此為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)對基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)使用規(guī)范以及注意事項(xiàng)的明確設(shè)定。在當(dāng)前的信號(hào)高速處理實(shí)踐中,ASIC+DSP+大容量RAM 或是FPGA+DSP+大容量RAM 較為常見用,相比較而言,F(xiàn)PGA 的靈活性水平更為理想,結(jié)合DSP技術(shù)所具備的良好數(shù)字信號(hào)處理能力,能夠在雷達(dá)信號(hào)處理過程中發(fā)揮出更為明顯的優(yōu)勢。同時(shí),在多數(shù)DSP 中,普遍包含著大容量RAM,且支持外擴(kuò)RAM 的加設(shè)與運(yùn)行,因此在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面有著更高應(yīng)用優(yōu)勢,為雷達(dá)處理系統(tǒng)展開目標(biāo)檢測以及錄取工作提供更為理想的技術(shù)支持。
依托DSP 編程可以實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)信號(hào)處理硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建,實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)接收到雷達(dá)回波后,即可迅速組織信號(hào)轉(zhuǎn)換工作的展開;在FPGA 的支持下,能夠采集雷達(dá)信號(hào)并落實(shí)時(shí)序控制;依托DSP技術(shù)的引入,檢測目標(biāo)并提取信息,并在人機(jī)交互界面上反饋目標(biāo)信息。相比于純硬件的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)而言,通過應(yīng)用DSP 編程后,由于結(jié)合應(yīng)用硬件平臺(tái)以及軟件算法,所以構(gòu)建起的硬件系統(tǒng)有著更為強(qiáng)大的靈活性,能夠參考實(shí)際處理需求對參數(shù)實(shí)施隨時(shí)變更,因此的搭建起的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)性能更加理想。
在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中,依托對會(huì)對雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生干擾的回波信號(hào)的全面剔除,即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)檢測,并在此過程中提取高價(jià)值信息,包括運(yùn)用參數(shù)等等。在針對雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)展開參數(shù)化設(shè)計(jì)的過程中,可以積極引入DSP技術(shù)。實(shí)踐中,將硬件平臺(tái)的構(gòu)建作為入手點(diǎn),結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)所具備著的函數(shù)特征,對雷達(dá)信號(hào)處理系實(shí)施參數(shù)化設(shè)計(jì),包括對重頻的參數(shù)化設(shè)計(jì)、對雷達(dá)信號(hào)脈沖的參數(shù)化設(shè)計(jì)等等,以此達(dá)到對函數(shù)處理過程實(shí)施簡化處理的成效。
數(shù)字類信號(hào)是DSP技術(shù)的主要處理對象,在使用DSP技術(shù)展開對雷達(dá)信號(hào)處理的過程中,需要先使用數(shù)模轉(zhuǎn)換落實(shí)對了雷達(dá)信號(hào)的處理,在此過程中,可以依托DSP技術(shù)進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì),并在此基礎(chǔ)上,使用DSP 編程,對信號(hào)處理方式實(shí)施優(yōu)化。實(shí)踐中,出于對最大程度發(fā)揮出DSP技術(shù)在高速運(yùn)算、精準(zhǔn)程度理想等方面的優(yōu)勢,應(yīng)當(dāng)引入DSP技術(shù)(例如FFT 算法等)對數(shù)據(jù)處理功能模塊展開設(shè)計(jì),以此實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)信號(hào)處理中算法細(xì)節(jié)的優(yōu)化改進(jìn),促進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理程序在雷達(dá)系統(tǒng)中的內(nèi)存占比進(jìn)一步下降,推動(dòng)信號(hào)處理速度大幅提升,減少數(shù)據(jù)運(yùn)算的實(shí)際數(shù)量,并提升運(yùn)算的精準(zhǔn)程度。
DSP 是一種面向數(shù)字信號(hào)處理的可編程嵌入式處理器,擁有較為理想的應(yīng)用優(yōu)勢,包括處理速度快、靈活性與使用可靠性強(qiáng)、能夠進(jìn)行編程、應(yīng)用中產(chǎn)生的能源消耗偏低、接口數(shù)量多且種類豐富、實(shí)時(shí)性能良好等等。在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中,一般涉及到數(shù)據(jù)重采樣、脈沖壓縮、自適應(yīng)濾波、自適應(yīng)波束形成、參數(shù)估計(jì)、恒虛警處理、旁瓣對消等技術(shù)[2],實(shí)際運(yùn)行中,要求實(shí)時(shí)性完成大量的、重重復(fù)程度偏高的計(jì)算。通過引入DSP技術(shù)就能夠收獲相對理想的成效。在DSP 中,依托對硬件算術(shù)單元、專用尋址單元、片內(nèi)存儲(chǔ)器、流水處理等多種特有硬件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,即可以依托多種算法并以更快的速度完成數(shù)字信號(hào)的處理。從這一角度來看,對于DSP技術(shù)而言,其適用于雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)。
DSP技術(shù)擁有相對強(qiáng)大的存儲(chǔ)器管理與計(jì)算能力,在雜波強(qiáng)度、面積、多普勒頻率、起伏分量以及地雜波的分析過程中發(fā)揮出較高的優(yōu)勢,可以促使雜波圖得到精準(zhǔn)構(gòu)建,從而為統(tǒng)計(jì)分析雷達(dá)回波、保存信息以及控制存儲(chǔ)器等工作任務(wù)的完成提供支持,促使CFAR處理成為現(xiàn)實(shí)。能夠看出,在雷達(dá)信號(hào)處理,特別是雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中,DSP技術(shù)能夠發(fā)揮出更為明顯的優(yōu)勢與應(yīng)用價(jià)值,靈活性更高、適用范圍更廣,可以在促進(jìn)雷達(dá)信號(hào)處理能力與速度的基礎(chǔ)上,推動(dòng)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)表現(xiàn)出明顯上升的狀態(tài)。同時(shí),DSP技術(shù)在多功能可編程并行處理以及陣列處理中也能夠展現(xiàn)出較為理想的適用性,可以達(dá)到切實(shí)滿足高速并行處理現(xiàn)實(shí)需求的效果。
在本次基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,主要引入上位機(jī)、信號(hào)處理板、工控機(jī)、陣列采集這些單元結(jié)構(gòu)完成搭建,其中,上位機(jī)與信號(hào)處理板之間使用網(wǎng)口連接、信號(hào)處理板與工控機(jī)之間使用PCIE 連接、工控機(jī)與陣列采集之間使用TCP/UDP 連接。在該系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過程中,陣列材質(zhì)單元承擔(dān)著采集回波數(shù)據(jù)的任務(wù),并依托TCP/UDP 將這些數(shù)據(jù)傳遞至工控機(jī)內(nèi);工控機(jī)在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后,分析數(shù)據(jù)以及現(xiàn)實(shí)情況,對雷達(dá)接受狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。經(jīng)過中頻處理的回波信號(hào)會(huì)保存在工控機(jī)內(nèi),滑窗時(shí)間維持在2 秒左右;在PCIE 接口的支持下,這些數(shù)據(jù)傳遞至DSP 板卡內(nèi)進(jìn)行后處理;信號(hào)處理板接受到雷達(dá)三波束的中頻回波數(shù)據(jù),并在完成信號(hào)處理后結(jié)合網(wǎng)口將這些經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)傳遞至上位機(jī)內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)測距與測速。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),在本次雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與構(gòu)建過程中,處理核心器件選用型號(hào)為TMS320C6678 的DSP 芯片。對于該芯片而言,其在實(shí)際運(yùn)行中所產(chǎn)生的能耗更低,且包含著FFT 協(xié)處理器,因此性能更為理想。
在本系統(tǒng)中,來源于工控機(jī)的回波數(shù)據(jù)主要依托PCIE 傳遞至信號(hào)處理板內(nèi),并由DSP 實(shí)施后續(xù)處理。出于對滿足不同系統(tǒng)需求的考量,DSP 可以在多種模式的支持下轉(zhuǎn)入啟動(dòng)狀態(tài),利用PCI接口,外部主機(jī)向片內(nèi)存儲(chǔ)器加載程序。
上位機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞至DSP 的DDR3 內(nèi)[3]。實(shí)際運(yùn)行性過程中,DDR3 初始化進(jìn)程結(jié)束后,程序在特定存儲(chǔ)器內(nèi)完成加載;在0 核轉(zhuǎn)入運(yùn)行狀態(tài)后,1-7 核內(nèi)的程序入口地址在各個(gè)核內(nèi)實(shí)現(xiàn)保存;依托各核之間的通信實(shí)現(xiàn)對中斷的觸發(fā),從而推動(dòng)1-7 核轉(zhuǎn)入各自入口地址程序的執(zhí)行狀態(tài)。其中,主核、從核的啟動(dòng)流程主要設(shè)定如下:第一,主核的啟動(dòng)流程。對BOOTMODE 當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行檢測,判斷是否為PCIE BOOT,如果判斷結(jié)果為“不是”則轉(zhuǎn)入其他后續(xù)處理;如果判斷結(jié)果為“是”,則自動(dòng)落實(shí)對PCIE 工作環(huán)境的配置,并等待數(shù)據(jù)傳輸工作的展開;等待上位機(jī)中斷發(fā)送,并在Boot Magic Address 內(nèi)寫入對應(yīng)的入口地址;轉(zhuǎn)入程序運(yùn)行狀態(tài),讀取代碼,設(shè)置IPC 并推動(dòng)主核core0 啟動(dòng)。第二,從核的啟動(dòng)流程。將IDLE 轉(zhuǎn)入啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),等待IPCC 消息;對是否接收到IPC 消息實(shí)施檢測,如果判斷結(jié)果為“否”則跳轉(zhuǎn)或上一步驟操作;如果判斷結(jié)果為“是”,則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到入口程序地址,并執(zhí)行、運(yùn)行對應(yīng)程序。
同時(shí),上位機(jī)與DSP 之間的數(shù)據(jù)傳輸流程主要設(shè)定如下:在完成初始化后,轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài);發(fā)動(dòng)連接請求,若請求未通過,則返回網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽狀態(tài);若請求通過,則自動(dòng)連接主機(jī),并組織數(shù)據(jù)傳輸;完成數(shù)據(jù)傳輸后,再次返回網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽環(huán)節(jié),循環(huán)運(yùn)行。
在PCIE 或是以太網(wǎng)的支持下,信號(hào)處理板可以完成與外部之間的數(shù)據(jù)交換。在單一DSP 芯片內(nèi),包含著千兆以太網(wǎng)模塊,能夠在DSP 與外部設(shè)備之間承擔(dān)起數(shù)據(jù)傳輸中介的任務(wù),促使兩者之間的數(shù)據(jù)交換過程更為高效、高可靠性與高安全性。網(wǎng)口通信依托NetCP 提供支持,其中包含著SGMII 接口,數(shù)量為2 個(gè)。在PCIE 的支持下,DSP 芯片能夠與PEX8624 開關(guān)之間實(shí)現(xiàn)暢通連接,且單一PCIE 數(shù)據(jù)通路可以為數(shù)據(jù)傳輸提供5Gb 左右的傳輸速度支持[4]。同時(shí),在8 通道PCIE 接口的支持下,上述開關(guān)可以將信號(hào)處理板連接至外部主機(jī)中。在基于7 核的信號(hào)處理中,回波數(shù)據(jù)傳遞至信號(hào)處理板內(nèi),并在外部存儲(chǔ)器DDR3 中實(shí)現(xiàn)保存,對任意通道接收到的回波信號(hào)實(shí)施處理,包括分離復(fù)合信號(hào)脈沖、下采樣處理等等;隨后,設(shè)定一組信號(hào)包含著12 路信號(hào),以組為單位組織DBF 處理;處理后,結(jié)合預(yù)存的DBF 系數(shù)(相乘),即可獲取到第一波束、第二波束以及第三波束的左右波束;對子波束(數(shù)量為6 個(gè))分別實(shí)施復(fù)合信號(hào)的脈壓以及MTD 處理。
寬脈沖與窄脈沖構(gòu)成本系統(tǒng)中的線性調(diào)頻復(fù)合信號(hào),在數(shù)字下變頻處理的過程中,可以引入數(shù)字正交調(diào)解的方式。此時(shí),需要引入脈沖分離處理。以頻域?yàn)榍腥朦c(diǎn)展開分析,寬脈沖與窄脈沖出于對稱狀態(tài),對稱軸為中頻16 兆赫茲,分別為1-15 兆赫茲以及17-31 兆赫茲[5]。因此,要引入FIR 帶通濾波器,以此完成信號(hào)分離處理,為后續(xù)回波下變頻操作的展開提供基礎(chǔ)性條件。選用fir1函數(shù)在MATLAB 內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的生成,提取濾波器系數(shù),并在通過驗(yàn)證后將其導(dǎo)入CCS 與接收回波信號(hào),以此完成卷積處理。在此過程中,如果濾波器產(chǎn)生的通帶為1-15 兆赫茲,則實(shí)現(xiàn)窄脈沖信號(hào)的過濾;如果濾波器產(chǎn)生的通帶為17-31 兆赫茲,則實(shí)現(xiàn)寬脈沖信號(hào)的過濾。
對左右波束實(shí)施DBF 處理,導(dǎo)出在MATLAB 內(nèi)產(chǎn)生的左權(quán)值與右權(quán)值。此時(shí),通道數(shù)量與獲取權(quán)值數(shù)量保持在相同水平。實(shí)踐中,在MSMC 內(nèi)映射左權(quán)值與右權(quán)值,并將其設(shè)定為常量;提取從核對應(yīng)的通道數(shù)據(jù)矩陣,分別與相應(yīng)左權(quán)值與右權(quán)值想成,以此即可實(shí)現(xiàn)左子波束與右子波束的DBF 計(jì)算;將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)在DDR對應(yīng)空間內(nèi)保存,以此實(shí)現(xiàn)整個(gè)左右波束的DBF 處理。
寬脈沖與窄脈沖信號(hào)的完整獲取是實(shí)現(xiàn)動(dòng)目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)性支持,其中,寬脈沖主要承擔(dān)著對遠(yuǎn)距離目標(biāo)實(shí)施探測的任務(wù);窄脈沖主要承擔(dān)著對近距離目標(biāo)實(shí)施探測的任務(wù)?;谶@樣的情況,對遠(yuǎn)距離探測信號(hào)與近距離探測信號(hào)實(shí)施拼接處理為必然選擇。對于遠(yuǎn)近距離門信號(hào)的拼接而言,主要結(jié)合基于寬脈沖的探測距離門范圍以及基于窄脈沖的探測距離門范圍,壓縮脈沖,并在DDR3 內(nèi)存在的新矩陣中落實(shí)存儲(chǔ)。
綜上所述,DSP 在海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面有著更高應(yīng)用優(yōu)勢,為雷達(dá)處理系統(tǒng)展開目標(biāo)檢測以及錄取工作提供更為理想的技術(shù)支持。在當(dāng)前的實(shí)踐中,基于DSP技術(shù)的硬件平臺(tái)、依托DSP技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、應(yīng)用DSP技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)、雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)為基于DSP 的雷達(dá)信號(hào)處理典型應(yīng)用模式,而為了最大程度發(fā)揮出DSP 的優(yōu)勢,應(yīng)當(dāng)構(gòu)建起基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中,通過設(shè)置上位機(jī)、信號(hào)處理板、工控機(jī)、陣列采集這些單元結(jié)構(gòu),能夠促使信號(hào)處理板在完成信號(hào)處理后結(jié)合網(wǎng)口將經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)傳遞至上位機(jī)內(nèi),由此達(dá)到雷達(dá)測距與測速的效果,并實(shí)現(xiàn)多波束信號(hào)的高效處理。