基于TS201的外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)

王 魁 楊 健

（清華大學(xué)電子工程系，北京，100084）

引 言

外輻射源雷達(dá)作為一種不主動(dòng)發(fā)射電磁波，而利用非合作照射信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)探測的被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)，除了其接收站與發(fā)射站分置的雙／多基地體制能夠有效對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈和隱身技術(shù)外，還具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢，因此近年來一直是一個(gè)熱點(diǎn)的研究課題［1，2］。

由于采用非合作的輻射源，進(jìn)入接收通道的雷達(dá)信號(hào)功率一般比較小，因此通常采用長時(shí)間相干積累的方法來獲得高信干比的檢測信號(hào)［3－5］。此外，由于雙／多基地體制中特有的直達(dá)波和多徑干擾問題，需要在處理單元進(jìn)行運(yùn)算量巨大的干擾對(duì)消處理［6，7］。這些對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和運(yùn)算能力提出了較高要求。在工程應(yīng)用上，實(shí)時(shí)外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)需要針對(duì)具體所采用的非合作輻射源信號(hào)，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù)要求，進(jìn)行硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

目前外輻射源雷達(dá)處理機(jī)的工程方案主要有以下幾種：（1）基于計(jì)算機(jī)的后處理方案，將基帶采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤中，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理，此方案無法滿足雷達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求；（2）基于FPGA的信號(hào)處理方案，此方案可以達(dá)到很高的處理速度，但在浮點(diǎn)運(yùn)算和算法設(shè)計(jì)方面存在較高的工程復(fù)雜性；（3）基于DSP的處理方案，此方案既能夠保證數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性的要求，又能滿足高動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)處理和各種算法靈活實(shí)現(xiàn)的要求，是實(shí)現(xiàn)外輻射源雷達(dá)處理機(jī)的理想工程方案。

本文針對(duì)電視伴音外輻射源雷達(dá)的大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性、大動(dòng)態(tài)范圍的要求，設(shè)計(jì)了一種基于TS201DSP［8］處理器的信號(hào)處理機(jī)，通過DSP級(jí)聯(lián)的方式，對(duì)經(jīng)過接收機(jī)和數(shù)字采樣后的基帶信號(hào)進(jìn)行流水處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)處理、干擾對(duì)消、長時(shí)間相干處理、恒虛警檢測等功能。由于系統(tǒng)要處理的數(shù)據(jù)量大，而處理結(jié)果的實(shí)時(shí)性要求又較高，因此在信號(hào)處理流程方面對(duì)系統(tǒng)的DSP拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸利用處理器自帶的高效LINK數(shù)據(jù)口實(shí)現(xiàn)。每片DSP附帶SDRAM，作為數(shù)據(jù)的緩沖存儲(chǔ)器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用需求分析

系統(tǒng)用于基于電視伴音信號(hào)的外輻射源雷達(dá)信號(hào)處理，包括信號(hào)預(yù)處理、干擾對(duì)消、長時(shí)間相干處理、恒虛警檢測等功能。此外還需要DSP實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置和檢測數(shù)據(jù)上報(bào)等功能。

雷達(dá)系統(tǒng)基帶數(shù)據(jù)率200K／s，積累時(shí)間設(shè)定為800ms，目標(biāo)檢測距離設(shè)定為300km。雷達(dá)探測時(shí)采用天線掃描方式，對(duì)檢測信息上報(bào)頻率要求較高。例如在天線6r／min的掃描速率下，每20°方位對(duì)應(yīng)一次檢測，此時(shí)檢測信息上報(bào)時(shí)間間隔約為90ms。

可以推算出，在此系統(tǒng)條件下，單次積累運(yùn)算數(shù)據(jù)量為160K。此時(shí)假設(shè)600MHz的TS201處理器最優(yōu)狀態(tài)下滿額工作，估算時(shí)域?qū)ο幚頃r(shí)間需500ms以上，二維相關(guān)處理時(shí)間需450ms以上，恒虛警檢測需要50ms以上。由此可見，由于數(shù)據(jù)量大、運(yùn)算復(fù)雜，單片單級(jí)處理系統(tǒng)難以滿足實(shí)時(shí)性、高刷新速率的要求。

1.2 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)對(duì)處理算法流程進(jìn)行規(guī)劃，采用多片DSP處理器級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)總共采用6片TS201處理器，拓?fù)潢P(guān)系及信號(hào)流向如圖1所示。

其中TS1直接與雷達(dá)處理機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、接收機(jī)配置、工作模式選擇以及采集數(shù)據(jù)的載入和前級(jí)處理，包括幅相校正和增益調(diào)整。處理后的數(shù)據(jù)合并為直達(dá)波和回波兩個(gè)通道，按傳輸協(xié)議打包后傳送給后級(jí)。TS2對(duì)回波中的干擾信號(hào)進(jìn)行對(duì)消。TS3，TS4，TS5在系統(tǒng)中處于平級(jí)關(guān)系，用于進(jìn)行二維相關(guān)運(yùn)算及恒虛警檢測。由于該級(jí)運(yùn)算量巨大，運(yùn)算結(jié)果刷新率要求高，因此分配了三片處理器進(jìn)行并行處理。TS6對(duì)前級(jí)得到的檢測信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，檢測結(jié)果加上方位碼等信息后，依據(jù)通信協(xié)議上報(bào)給雷達(dá)處理機(jī)的信息顯示存儲(chǔ)系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)DSP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

TS1的基帶采樣數(shù)據(jù)載入采用數(shù)據(jù)總線DMA方式；TS6的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)采用通用差分串行總線，依據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)規(guī)定協(xié)議傳輸；處理器間的數(shù)據(jù)都利用TS201自帶的LINK數(shù)據(jù)口，采用DMA方式傳輸。

每片處理器配備SDRAM，作為本級(jí)處理的數(shù)據(jù)緩沖器。系統(tǒng)配置FLASH存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)處理器的固件程序，系統(tǒng)上電后自動(dòng)加載。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)采用6片TS201，主頻600MHz，峰值運(yùn)算能力16GFLOP／s；系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸采用LINK口，傳輸速率250MB／s；系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量140MB；基帶采樣數(shù)據(jù)由TS201直接訪問數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)FIFO載入，數(shù)據(jù)讀取率30MB／s；檢測結(jié)果由通用差分串行口上報(bào)，數(shù)據(jù)傳輸率115.2Kbps。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)加載及自檢

由于本系統(tǒng)采用了多片DSP處理器，拓?fù)潢P(guān)系較復(fù)雜，為滿足工程應(yīng)用的需要，對(duì)程序加載和自檢方案進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)。

受限于應(yīng)用環(huán)境的裝配約束，處理系統(tǒng)電路板空間有限，因此僅TS1和TS6裝配FLASH存儲(chǔ)器，獨(dú)立加載程序。系統(tǒng)上電后，二者分別由各自配置的FLASH進(jìn)行程序加載。TS1完成自身加載后，從FLASH中讀取固件文件對(duì)TS2進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載；TS6完成自身加載后對(duì)TS3，TS4，TS5進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。按照總體設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)程序加載在2s內(nèi)完成。

各片DSP在程序加載完成后，進(jìn)入主程序開始進(jìn)行配置，之后進(jìn)行存儲(chǔ)器自檢。存儲(chǔ)器自檢采用間隔寫入校驗(yàn)字（0x5A／0xA5），讀回校驗(yàn)的方式。

TS5是系統(tǒng)中最后一片完成加載及存儲(chǔ)器自檢的處理器，其就緒后發(fā)送命令包到TS2告知就緒，TS2響應(yīng)該命令并轉(zhuǎn)發(fā)到TS1。TS1根據(jù)此狀態(tài)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸通路檢測機(jī)制。TS1向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸測試命令，進(jìn)行全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通路檢測。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)送一個(gè)長度為8K的整型連續(xù)數(shù)測試數(shù)據(jù)包，模擬真實(shí)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸。TS1對(duì)應(yīng)啟動(dòng)DMA接收，完成后檢查正確性，將狀態(tài)寫入對(duì)應(yīng)狀態(tài)位保存；之后TS1發(fā)送LINK測試命令包到TS2，然后等待返回結(jié)果；后續(xù)各片按照?qǐng)D2的順序進(jìn)行LINK測試包的接收、檢測和轉(zhuǎn)發(fā)，并將狀態(tài)寫入對(duì)應(yīng)狀態(tài)位保存。

圖2 系統(tǒng)自檢流程圖

按照總體要求，程序加載和自檢在5s內(nèi)完成。如果數(shù)據(jù)傳輸中斷，上位機(jī)等待超時(shí)自動(dòng)報(bào)錯(cuò)。TS1在規(guī)定時(shí)間內(nèi)接收到回送的自檢包后，解析其中的自檢狀態(tài)位，無異常即自動(dòng)進(jìn)入正常工作模式。

2.2 信號(hào)增益調(diào)整

伴隨雷達(dá)接收天線轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入接收通道的雷達(dá)信號(hào)強(qiáng)度隨方位發(fā)生變化。為了充分利用信號(hào)處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，由雷達(dá)處理機(jī)的TS1處理器實(shí)時(shí)判斷接收信號(hào)功率，并對(duì)信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)控增益進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。信號(hào)采集系統(tǒng)的數(shù)控增益分為接收機(jī)增益和ADC數(shù)控衰減兩個(gè)環(huán)節(jié)。調(diào)整原則是以固定功率為調(diào)整目標(biāo)，使接收信號(hào)與其盡可能接近。接收機(jī)和ADC的數(shù)控精度不同，分別對(duì)應(yīng)增益粗調(diào)和精調(diào)，由TS1根據(jù)增益調(diào)節(jié)算法對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算設(shè)置。

2.3 信號(hào)幅相校正

接收通道的采集信號(hào)I，Q兩通道存在幅度和相位誤差，會(huì)對(duì)后續(xù)信號(hào)處理的性能產(chǎn)生影響。考慮正交通道幅度不平衡、相位不平衡以及隨機(jī)誤差等因素，在雷達(dá)處理機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置幅相校正工作模式。在該模式下，利用信號(hào)采集系統(tǒng)的FPGA控制ADC對(duì)已知的標(biāo)準(zhǔn)正交信號(hào)進(jìn)行采樣，信號(hào)處理系統(tǒng)的DSP對(duì)ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析，得到正交校正系數(shù)并存儲(chǔ)在信號(hào)采集系統(tǒng)FPGA的修正系數(shù)寄存器中。系統(tǒng)工作時(shí)，調(diào)用該修正系數(shù)對(duì)I，Q通道的幅、相進(jìn)行修正，以滿足后續(xù)信號(hào)處理的要求。修正系數(shù)可隨時(shí)進(jìn)行刷新，以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。幅相校正過程如圖3所示。

圖3 幅相校正示意圖

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

基帶采樣信號(hào)數(shù)據(jù)率200K／s，相干積累時(shí)間800ms，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)長度160K。為了便于數(shù)據(jù)傳輸和級(jí)聯(lián)處理，將數(shù)據(jù)流劃分為長度8K的數(shù)據(jù)塊（對(duì)應(yīng)時(shí)間50ms）。

信號(hào)采集系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送到本處理系統(tǒng)的FIFO中。當(dāng)數(shù)據(jù)接收數(shù)量達(dá)到處理門限時(shí)，通過中斷方式觸發(fā)TS1的中斷響應(yīng)程序，TS1啟動(dòng)EDMA載入該塊數(shù)據(jù)。主程序的數(shù)據(jù)接收采取PING／PONG接收機(jī)制，PING空間數(shù)據(jù)載入后，將再次啟動(dòng)DMA，并將目的地址設(shè)為PONG空間首地址。一個(gè)數(shù)據(jù)塊載入完成后，主程序開始進(jìn)行處理。為保證不發(fā)生數(shù)據(jù)阻塞，單個(gè)數(shù)據(jù)塊處理時(shí)間應(yīng)小于50ms。數(shù)據(jù)包的協(xié)議格式如表1，2所示。

表1 DSP間數(shù)據(jù)包傳輸格式

表2 附加格式說明

2.5 軟件優(yōu)化

本系統(tǒng)除了采用處理器流水級(jí)聯(lián)、大運(yùn)算環(huán)節(jié)多片并行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，還充分利用DSP自身的架構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，提升處理效率。

2.5.1 Ping／Pong及DMA

處理器間的數(shù)據(jù)傳輸全部通過DMA進(jìn)行。處理器只消耗極短的時(shí)間片對(duì)傳輸進(jìn)行配置，具體數(shù)據(jù)傳輸過程由DMA控制器管理。在傳輸過程中，DSP繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。采用Ping／Pong方式提升總線效率，劃分獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理采用各自空間的數(shù)據(jù)，互不影響，避免了數(shù)據(jù)處理阻塞總線或數(shù)據(jù)傳輸占用運(yùn)算時(shí)間資源。

TS201提供了24Mbit高速的內(nèi)置存儲(chǔ)器，分為6個(gè)獨(dú)立的blocks，并在片內(nèi)有兩條獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和獨(dú)立SOC總線。系統(tǒng)完全利用該資源，所有數(shù)據(jù)經(jīng)外部SDRAM緩存后，在處理前先通過DMA載入內(nèi)部存儲(chǔ)器，再送內(nèi)核運(yùn)算單元處理。參考信號(hào)和回波信號(hào)數(shù)據(jù)分別存放在不同的block中，且各分為Ping／Pong兩套空間，共占4個(gè)block；所有運(yùn)算需要的加權(quán)系數(shù)、中間數(shù)據(jù)等，占用另外兩個(gè)block。當(dāng)數(shù)據(jù)中斷發(fā)生時(shí)，DMA控制器將本塊數(shù)據(jù)存入一套空間；同時(shí)DSP內(nèi)核運(yùn)算單元處理另一套已寫入的數(shù)據(jù)。DMA控制器采用鏈?zhǔn)椒绞?，參考信?hào)數(shù)據(jù)塊鏈接回波信號(hào)數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)就緒中斷響應(yīng)程序中啟動(dòng)參考信號(hào)傳輸；參考信號(hào)數(shù)據(jù)傳送完成后由DMA控制器自動(dòng)加載回波數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐渲脜?shù)，避免了對(duì)運(yùn)算單元的干擾；數(shù)據(jù)傳輸完成后產(chǎn)生DMA中斷，表示通道空閑。大部分的DMA配置在代碼初始化階段完成；中斷響應(yīng)程序中進(jìn)行DMA的Ping／Pong地址指向的變換和DMA寄存器寫入。

2.5.2 并行處理

TS201是浮點(diǎn)DSP，直接支持浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，解決了在雷達(dá)信號(hào)運(yùn)算中的大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)問題。該DSP包含了雙運(yùn)算單元，各包含乘法器、加法器、移位器等；還包含了兩套尋址單元，可以提供相互獨(dú)立的尋址操作。為了滿足性能要求，系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行匯編級(jí)優(yōu)化，使算法中的乘、加和數(shù)據(jù)尋址運(yùn)算并行占用對(duì)應(yīng)的功能單元，使DSP核的流水運(yùn)算單元飽和運(yùn)行，達(dá)到最大的處理能力。

采用匯編并行化優(yōu)化的算法環(huán)節(jié)包括干擾對(duì)消（LMS算法）、二維相關(guān)（預(yù)加權(quán)FFT、相關(guān)運(yùn)算）。濾波器階數(shù)按仿真分析應(yīng)大于100階。在軟件處理系統(tǒng)中設(shè)為200階（4的指數(shù)倍），以滿足TS201的128bit總線寬度，提升總線傳輸效率。TS2以一個(gè)數(shù)據(jù)塊（8K）為單位進(jìn)行一次對(duì)消處理。LMS濾波對(duì)消逐點(diǎn)運(yùn)算處理，設(shè)濾波器階數(shù)為N，每次遞歸的運(yùn)算量包括以下幾個(gè)部分，如表3所示。系統(tǒng)流水信號(hào)處理時(shí)序圖如圖4所示。

表3 對(duì)消算法運(yùn)算量估計(jì)

每個(gè)復(fù)乘需要4次乘法，兩次加法。加法和乘法可以并行處理，不單獨(dú)計(jì)算。因此，兩個(gè)乘法單元全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，一次復(fù)乘至少需要2個(gè)指令周期。

綜上可以得到，M點(diǎn)長的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行N階LMS對(duì)消，系數(shù)疊代更新和濾波的運(yùn)算所耗指令周期約為：10×N×M。運(yùn)行于600MHz的TS201處理器上，該條件下以上部分運(yùn)算耗時(shí)26.7ms。為了達(dá)到最大運(yùn)算效率，需要充分利用TS201的128bit總線寬度，在處理前需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)位排序。此操作耗時(shí)小于5ms。

圖4 系統(tǒng)流水信號(hào)處理時(shí)序圖

在TS3，TS4和TS5的二維相關(guān)環(huán)節(jié)，主要運(yùn)算包括預(yù)加權(quán)操作、延時(shí)相關(guān)運(yùn)算和加窗FFT運(yùn)算。根據(jù)仿真分析，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)算參數(shù)如表4所示。

表4 二維相關(guān)運(yùn)算參數(shù)

所耗費(fèi)的指令周期分別為N／D×Nh×2和N／D×Tdmax×Nh×2。在TS201處理器上，該條件下以上部分理論運(yùn)算耗時(shí)27.4ms。

恒虛警檢測算法不具備連續(xù)數(shù)據(jù)乘加操作的特征，難以針對(duì)處理器架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。該部分算法采用C語言代碼實(shí)現(xiàn)，利用編譯器的代碼優(yōu)化功能進(jìn)行尋址算法效率的提升。

2.6 系統(tǒng)指標(biāo)

本系統(tǒng)在外場進(jìn)行了工程驗(yàn)證，系統(tǒng)指標(biāo)情況如下：基帶數(shù)據(jù)率：200K／s；信號(hào)帶標(biāo)稱寬：80 kHz；檢測數(shù)據(jù)刷新率：800ms。50ms數(shù)據(jù)塊處理各種算法耗時(shí)如表5所示。

表5 50ms數(shù)據(jù)塊處理算法耗時(shí) ms

3 結(jié)束語

針對(duì)電視伴音外輻射源雷達(dá)的大數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性、大動(dòng)態(tài)范圍的要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于TS201DSP處理器的信號(hào)處理機(jī)，通過級(jí)聯(lián)的方式，將算法分布于多級(jí)處理器，對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)進(jìn)行流水處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)預(yù)處理、干擾對(duì)消、長時(shí)間相干處理、恒虛警檢測等功能。除利用多片處理器協(xié)同工作外，還在軟件上對(duì)核心運(yùn)算量大的算法針對(duì)處理器架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，提升整理處理效率。經(jīng)過外場試驗(yàn)驗(yàn)證，本平臺(tái)滿足了該雷達(dá)系統(tǒng)的功能、性能指標(biāo)要求。

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