基于DSP的雷達(dá)信號(hào)處理模塊化設(shè)計(jì)研究

廉志玲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第三十八研究所，安徽 合肥230031）

0 引言

當(dāng)前，基于雷達(dá)的高數(shù)據(jù)率以及算法的復(fù)雜性，從IO平衡以及設(shè)備量的角度考慮，工程上雷達(dá)信號(hào)處理普遍采用專用芯片（DSP）來實(shí)現(xiàn)。

一方面，DSP有多個(gè)鏈路口可以以很高的數(shù)據(jù)率與外界通信；另一方面，通過專用的FFT，IFFT算法和電路設(shè)計(jì)，其進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)處理的效率和精度都要高于普通的計(jì)算機(jī)和處理器。從軟件編程的角度考慮，采用DSP芯片可以采用匯編和C語(yǔ)言混合編成，提高程序的運(yùn)行效率，充分利用多核的優(yōu)勢(shì)。

DSP處理架構(gòu)雖然滿足了當(dāng)前的處理要求，也給DSP的軟件開發(fā)人員帶來了很多的煩惱。這些煩惱有些是硬件帶來的，也有一些是軟件帶來的。以ADI的芯片為例，從開始的21160芯片，到后面的Ts201芯片，不僅芯片的架構(gòu)發(fā)生了變化，整個(gè)匯編指令集也發(fā)生了變化，這意味著DSP的編程人員需要重新學(xué)習(xí)或者培訓(xùn)，缺乏繼承性。

本文從一名軟件編程人員的角度，對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理的參數(shù)化，模塊化設(shè)計(jì)存在的問題以及模塊化的實(shí)現(xiàn)方面，提出了自己的觀點(diǎn)和看法。

1 雷達(dá)信號(hào)處理的特點(diǎn)

一方面，雷達(dá)信號(hào)處理的數(shù)據(jù)率高，算法復(fù)雜；另一方面，一定時(shí)期內(nèi)，雷達(dá)信號(hào)處理的算法相對(duì)穩(wěn)定，這就為我們進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。以最常見的脈沖多普勒雷達(dá)為例，典型的處理流程如下所示：

雖然不同的雷達(dá)的信號(hào)處理的流程和算法有所不同，但是某些模塊比如：DBF(數(shù)字波束形成),脈沖壓縮，濾波，恒虛警檢測(cè)，解距離/速度模糊，測(cè)角，以及距離凝聚，方位凝聚等等，卻是大部分體制的雷達(dá)所共有的。

2 雷達(dá)信號(hào)處理常見的約束條件

從上面的流程上看，理論上不同的雷達(dá)基本可以采用相同的處理架構(gòu)和處理算法，但實(shí)際工程中，則遠(yuǎn)非如此。原因除了軟件編程和管理的效率不高之外，還有個(gè)問題就是，不同的雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)，硬件約束都不盡相同。

從硬件約束的角度講，某些雷達(dá)尤其是機(jī)載和星載雷達(dá)，其對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的重量，體積和功耗都有要求。這種情況就需要專門設(shè)計(jì)，盡量挖掘硬件的潛力，充分或盡量采用硬件(FPGA)來完成DBF，脈沖壓縮等功能。此時(shí)，若DBF和脈壓模塊是通用的，參數(shù)化的，將大大減少工作量，提高工作效率。

從系統(tǒng)參數(shù)的角度講，不同雷達(dá)或者同一雷達(dá)的不同模式的參數(shù)區(qū)別主要有：信號(hào)波形，信號(hào)帶寬，采樣率，波束個(gè)數(shù)，脈沖重復(fù)頻率(prf),發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬，脈沖個(gè)數(shù)，以及對(duì)信號(hào)處理算法的要求等，這些參數(shù)的約束體現(xiàn)在雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)量，以及信號(hào)處理算法上。

3 信號(hào)處理模塊化設(shè)計(jì)的若干想法

3.1 采用C和匯編混合編程

如我們前面所說，不同公司的芯片或者同一芯片公司的不同系列的處理器，其匯編指令集是不兼容的。也就是說，即使我花費(fèi)了巨大的人力，物力和財(cái)力，開發(fā)了自己的匯編指令庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了底層模塊的通用化，參數(shù)化，當(dāng)我們采用更高一級(jí)的處理器時(shí)，所有的這些庫(kù)函數(shù)都變的毫無用處，需要從零開始。

如果我們采用高級(jí)語(yǔ)言如C，由于有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，且與底層硬件關(guān)系不大，有更好的可維護(hù)性和可移植性,缺點(diǎn)是很難發(fā)揮多核處理的優(yōu)勢(shì)，效率不高。匯編語(yǔ)言雖然效率高，但是開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，修改和維護(hù)都比較困難。考慮到兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，采用C語(yǔ)言搭建處理框架，匯編完成運(yùn)算量較大的子函數(shù)，這個(gè)當(dāng)前大多數(shù)項(xiàng)目已經(jīng)做到。

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)的可配置包含兩個(gè)方面，一方面，信號(hào)處理系統(tǒng)的子函數(shù)應(yīng)當(dāng)是參數(shù)化的，函數(shù)應(yīng)該盡可能功能單一，處理簡(jiǎn)單；另一方面，對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)來說，信號(hào)處理至少應(yīng)該在某些方面是參數(shù)化的，比如脈沖數(shù)，重頻，發(fā)射時(shí)寬等等。

當(dāng)每個(gè)處理函數(shù)都參數(shù)化，這些參數(shù)可以通過控制字跟時(shí)序打包發(fā)過來。還有一些參數(shù)是跟雷達(dá)相關(guān)的，開機(jī)后基本不需要改變的，這些參數(shù)可以在初始化階段由計(jì)算機(jī)發(fā)給硬件，硬件與DSP通過握手的方式完成系統(tǒng)參數(shù)初始化。

3.3 實(shí)時(shí)計(jì)算處理所需系數(shù)

很多工程人員習(xí)慣將相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)提前算好，保存在系統(tǒng)內(nèi)存里。該方法雖然在一定程度上減少了運(yùn)算量，卻始終占據(jù)部分系統(tǒng)內(nèi)存，而且當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)或者狀態(tài)變化時(shí)，該段數(shù)據(jù)需要重新生成，工程需要重新編譯，其實(shí)是不必要的。因?yàn)橛?jì)算這些系數(shù)所需計(jì)算時(shí)間很少，實(shí)際工作時(shí)完全可以實(shí)時(shí)計(jì)算。

3.4 按照數(shù)據(jù)最大傳輸率設(shè)計(jì)系統(tǒng)

隨著雷達(dá)系統(tǒng)的大帶寬，多波束設(shè)計(jì)成為一種趨勢(shì)，I/O成為很多系統(tǒng)的瓶頸。在雷達(dá)信號(hào)處理算法相同的情況下，信號(hào)帶寬不同，結(jié)果在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，在一個(gè)雷達(dá)上可以采用的架構(gòu)換到另一個(gè)雷達(dá)則需要進(jìn)行很大的改動(dòng)。這主要是因?yàn)榈谝粋€(gè)雷達(dá)的處理架構(gòu)沒有按照硬件最大數(shù)據(jù)率設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

DSP芯片一般有多個(gè)鏈路口，若多個(gè)鏈路口同時(shí)進(jìn)數(shù)，可大大提高其傳輸能力。但是需要說明的是，系統(tǒng)的最大傳輸能力往往會(huì)受到DSP和外部存儲(chǔ)器（SDRAM或DDR2）之間最大傳輸速率的限制。

3.5 降低處理結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)率

工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們一方面考慮降低進(jìn)入每一個(gè)處理結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)率，另一方面要考慮充分發(fā)揮硬件的傳輸處理能力。從降低數(shù)據(jù)率的角度考慮，一般有兩種方法，一種是將數(shù)據(jù)距離上分段處理，另一種方法是采用多個(gè)處理結(jié)點(diǎn)輪流處理。

3.6 內(nèi)存復(fù)用

DSP的系統(tǒng)內(nèi)存是有限的，從增加系統(tǒng)可用內(nèi)存的角度考慮，我們希望每個(gè)處理結(jié)點(diǎn)的在用完內(nèi)存后馬上釋放出來給后面的處理結(jié)點(diǎn)使用。這樣，雖然系統(tǒng)內(nèi)存不變，但是相對(duì)每一處理結(jié)點(diǎn)，其可用的內(nèi)存大小變大了。

在運(yùn)算過程中，應(yīng)盡量減少內(nèi)存占用，解決該問題一般有兩種思路，一種是距離分段法，每次處理其中的一段，但是該方法在波束較多時(shí)效率會(huì)有所降低，比如恒虛警檢測(cè)需要距離交迭；另一種方法是分波束處理，每次處理其中的一個(gè)波束。筆者認(rèn)為，實(shí)際處理時(shí)，可以將兩種方法結(jié)合起來：即在距離上分段處理，在處理順序上，按照波束逐個(gè)處理，因?yàn)椴⒎敲總€(gè)波束都需要檢測(cè)目標(biāo)，該方法可有效降低內(nèi)存要求，同時(shí)降低運(yùn)算量。

3.7 功能模塊的獨(dú)立性

首先，在進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，少定義全局變量，盡量采用局部變量來替代全局變量，減少模塊/函數(shù)之間的耦合。

其次，在接口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮模塊的兼容性，比如：在PD處理時(shí)，需要做距離/速度兩維的解模糊，而在MTD處理時(shí)，只需要解距離模糊即可。這樣，解速度模糊和解距離模糊是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，可以開關(guān)控制，開關(guān)的選擇與否不影響函數(shù)的上下文。

4 完善信號(hào)處理測(cè)試手段和測(cè)試方法

當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)過程中，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)占用的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軟件編程所需要的時(shí)間。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中，接口聯(lián)調(diào)，功能測(cè)試，算法調(diào)整占用了大部分的時(shí)間，基于此本文考慮從以下幾個(gè)方面減少聯(lián)調(diào)時(shí)間。

4.1 先期算法驗(yàn)證

考慮到DSP的開發(fā)周期較長(zhǎng)，信號(hào)處理系統(tǒng)在進(jìn)行開發(fā)之前可以將一些不成熟的算法先用記錄儀和Matlab驗(yàn)證，若算法有一定的優(yōu)勢(shì)，再在硬件上實(shí)現(xiàn)，減少不必要的工作量。

4.2 系統(tǒng)級(jí)的自檢信號(hào)

在信號(hào)處理前端模擬生成陣元級(jí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，在其中加入運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，基本可以驗(yàn)證信號(hào)處理的大部分功能。

4.3 完善系統(tǒng)BIT信息

完善的信號(hào)處理BIT信息，可以快速定位信號(hào)處理的故障位置，判定軟件故障或硬件故障，給后期維護(hù)和客戶使用帶來方便，同時(shí)也可以見信號(hào)處理人員前期開發(fā)階段的排故時(shí)間。

5 結(jié)論

本文從一個(gè)軟件編程人員的角度，分析了雷達(dá)信號(hào)處理軟件模塊化，參數(shù)化面臨的問題以及可能的思路和解決措施。需要說明的是，雷達(dá)信號(hào)處理模塊化設(shè)計(jì)面臨的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止以上幾項(xiàng)，而水平所限，本文許多觀點(diǎn)可能不成熟，甚至是錯(cuò)誤的。而模塊化，參數(shù)化的設(shè)計(jì)是雷達(dá)信號(hào)處理每個(gè)軟件人員的夢(mèng)想和追求。