DSP技術(shù)在雷達(dá)信號處理中的應(yīng)用

楊思軍

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二三研究所 江蘇省揚州市 225101）

現(xiàn)階段，雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展升級，在信號處理方面提出了更多要求，包括保持?jǐn)?shù)據(jù)高精度、可完成大量運算、能處理復(fù)雜算法等等。同時，對于雷達(dá)信號處理模塊來說，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施信號與數(shù)據(jù)處理。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，切實滿足當(dāng)前對雷達(dá)信號處理提出的高要求，在雷達(dá)信號處理中引入DSP技術(shù)，并依托DSP技術(shù)構(gòu)建雷達(dá)信號處理系統(tǒng)受到重點關(guān)注。

1 相關(guān)概念簡述

1.1 DSP技術(shù)

1.1.1 DSP技術(shù)的主要內(nèi)涵

DSP技術(shù)（數(shù)字信號處理技術(shù)）主要隨著計算機技術(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，已然在多個領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛性應(yīng)用。在DSP技術(shù)的實際運行過程中，主要在計算機設(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、變換信號、濾波、增強或壓縮信號、識別信號等處理任務(wù)，最終生成人們所需要的信號形式并投入實際應(yīng)用。通常情況下，DSP 主程序的一般性流程如下所示：在完成上位機的復(fù)位后，從FLASH 搬運程序以及數(shù)據(jù)；初始化處理，在McBSP 的支持下實現(xiàn)對A/D 模塊實際工作的設(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”，自動跳轉(zhuǎn)至數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；對采集到的數(shù)據(jù)實施處理；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”，自動將數(shù)據(jù)傳遞至上位機內(nèi)，并反饋等待外部中斷步驟，以此循環(huán)運行。

1.1.2 DSP技術(shù)的主要特點

在使用DSP技術(shù)進(jìn)行數(shù)字信號的處理操作中，普遍會產(chǎn)生較多的實時性計算量，且常用FFT 與FIR 濾波法這兩種計算方式。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)計算與處理的速度更快、功耗更低、穩(wěn)定性偏高。同時，DSP技術(shù)還擁有著實時性的特征，可以作為通用處理器，實現(xiàn)對數(shù)字信號處理算法現(xiàn)實需求的更好滿足。

1.2 雷達(dá)信號處理

1.2.1 雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的基本功能

當(dāng)接收到雷達(dá)回波信號后，雷達(dá)信號處理系統(tǒng)可以對相應(yīng)信號及時實施模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時全面清除雜波，以此達(dá)到強化信號穩(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)，并在人機交互界面上直接現(xiàn)實顯示出目標(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、距離等高價值信息數(shù)據(jù)。

1.2.2 雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的發(fā)展需求

（1）信號的預(yù)處理。在當(dāng)前雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的實際運行過程中，要求可以在更短的時間內(nèi)獲取、處理海量的實時性信息數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)當(dāng)對信號實施預(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，應(yīng)當(dāng)持續(xù)降低雷達(dá)信號處理系統(tǒng)在運行過程中所產(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行狀態(tài)。

（2）主信號的處理。雷達(dá)信號處理系統(tǒng)在實際的運行過程中，需要更為靈活的完成數(shù)據(jù)與信號處理，這需求著更為強大的系統(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)，以此推動系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)處理、計算、傳輸與保存操作中獲得更好的效果。

2 DSP技術(shù)在雷達(dá)信號處理方面的典型應(yīng)用分析

2.1 基于DSP技術(shù)的硬件平臺

對雷達(dá)系統(tǒng)的實際運行情況、雷達(dá)信號處理的現(xiàn)實水平展開全面性了解，并在此基礎(chǔ)上在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)內(nèi)引入DSP技術(shù)，保證提前落實對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)中DSP技術(shù)引入與使用過程中出現(xiàn)的重難點問題，并以此為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)使用規(guī)范以及注意事項的明確設(shè)定。在當(dāng)前的信號高速處理實踐中，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)字信號處理能力，能夠在雷達(dá)信號處理過程中發(fā)揮出更為明顯的優(yōu)勢。同時，在多數(shù)DSP 中，普遍包含著大容量RAM，且支持外擴RAM 的加設(shè)與運行，因此在海量數(shù)據(jù)存儲方面有著更高應(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 編程可以實現(xiàn)對雷達(dá)信號處理硬件平臺的設(shè)計與構(gòu)建，實際運行中，當(dāng)雷達(dá)信號處理系統(tǒng)接收到雷達(dá)回波后，即可迅速組織信號轉(zhuǎn)換工作的展開；在FPGA 的支持下，能夠采集雷達(dá)信號并落實時序控制；依托DSP技術(shù)的引入，檢測目標(biāo)并提取信息，并在人機交互界面上反饋目標(biāo)信息。相比于純硬件的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)而言，通過應(yīng)用DSP 編程后，由于結(jié)合應(yīng)用硬件平臺以及軟件算法，所以構(gòu)建起的硬件系統(tǒng)有著更為強大的靈活性，能夠參考實際處理需求對參數(shù)實施隨時變更，因此的搭建起的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)性能更加理想。

2.2 依托DSP技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計

在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的實際運行過程中，依托對會對雷達(dá)信號產(chǎn)生干擾的回波信號的全面剔除，即可實現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)檢測，并在此過程中提取高價值信息，包括運用參數(shù)等等。在針對雷達(dá)信號處理系統(tǒng)展開參數(shù)化設(shè)計的過程中，可以積極引入DSP技術(shù)。實踐中，將硬件平臺的構(gòu)建作為入手點，結(jié)合雷達(dá)信號處理系統(tǒng)所具備著的函數(shù)特征，對雷達(dá)信號處理系實施參數(shù)化設(shè)計，包括對重頻的參數(shù)化設(shè)計、對雷達(dá)信號脈沖的參數(shù)化設(shè)計等等，以此達(dá)到對函數(shù)處理過程實施簡化處理的成效。

2.3 應(yīng)用DSP技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

數(shù)字類信號是DSP技術(shù)的主要處理對象，在使用DSP技術(shù)展開對雷達(dá)信號處理的過程中，需要先使用數(shù)模轉(zhuǎn)換落實對了雷達(dá)信號的處理，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，并在此基礎(chǔ)上，使用DSP 編程，對信號處理方式實施優(yōu)化。實踐中，出于對最大程度發(fā)揮出DSP技術(shù)在高速運算、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，以此實現(xiàn)對雷達(dá)信號處理中算法細(xì)節(jié)的優(yōu)化改進(jìn)，促進(jìn)雷達(dá)信號處理程序在雷達(dá)系統(tǒng)中的內(nèi)存占比進(jìn)一步下降，推動信號處理速度大幅提升，減少數(shù)據(jù)運算的實際數(shù)量，并提升運算的精準(zhǔn)程度。

2.4 雷達(dá)數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)

DSP 是一種面向數(shù)字信號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、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、實時性能良好等等。在雷達(dá)信號處理系統(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、恒虛警處理、旁瓣對消等技術(shù)[2]，實際運行中，要求實時性完成大量的、重重復(fù)程度偏高的計算。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)字信號處理算法的實現(xiàn)。

2.5 其他

DSP技術(shù)擁有相對強大的存儲器管理與計算能力，在雜波強度、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)計分析雷達(dá)回波、保存信息以及控制存儲器等工作任務(wù)的完成提供支持，促使CFAR處理成為現(xiàn)實。能夠看出，在雷達(dá)信號處理，特別是雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)用價值，靈活性更高、適用范圍更廣，可以在促進(jìn)雷達(dá)信號處理能力與速度的基礎(chǔ)上，推動雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)表現(xiàn)出明顯上升的狀態(tài)。同時，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)到切實滿足高速并行處理現(xiàn)實需求的效果。

3 基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的構(gòu)建方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

在本次基于DSP技術(shù)的雷達(dá)信號處理系統(tǒng)設(shè)計中，主要引入上位機、信號處理板、工控機、陣列采集這些單元結(jié)構(gòu)完成搭建，其中，上位機與信號處理板之間使用網(wǎng)口連接、信號處理板與工控機之間使用PCIE 連接、工控機與陣列采集之間使用TCP/UDP 連接。在該系統(tǒng)實際的運行過程中，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)傳遞至工控機內(nèi)；工控機在接收到相關(guān)數(shù)據(jù)后，分析數(shù)據(jù)以及現(xiàn)實情況，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會保存在工控機內(nèi)，滑窗時間維持在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)傳遞至上位機內(nèi)，從而實現(xiàn)雷達(dá)測距與測速。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，在本次雷達(dá)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建過程中，處理核心器件選用型號為TMS320C6678 的DSP 芯片。對于該芯片而言，其在實際運行中所產(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。

3.2 數(shù)據(jù)通信接口的設(shè)計

在本系統(tǒng)中，來源于工控機的回波數(shù)據(jù)主要依托PCIE 傳遞至信號處理板內(nèi)，并由DSP 實施后續(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)入啟動狀態(tài)，利用PCI接口，外部主機向片內(nèi)存儲器加載程序。

上位機將數(shù)據(jù)傳遞至DSP 的DDR3 內(nèi)[3]。實際運行性過程中，DDR3 初始化進(jìn)程結(jié)束后，程序在特定存儲器內(nèi)完成加載；在0 核轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)后，1-7 核內(nèi)的程序入口地址在各個核內(nèi)實現(xiàn)保存；依托各核之間的通信實現(xiàn)對中斷的觸發(fā)，從而推動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、從核的啟動流程主要設(shè)定如下：第一，主核的啟動流程。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”，則自動落實對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)入程序運行狀態(tài)，讀取代碼，設(shè)置IPC 并推動主核core0 啟動。第二，從核的啟動流程。將IDLE 轉(zhuǎn)入啟動運行狀態(tài)，等待IPCC 消息；對是否接收到IPC 消息實施檢測，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”，則自動跳轉(zhuǎn)到入口程序地址，并執(zhí)行、運行對應(yīng)程序。

同時，上位機與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，則自動連接主機，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)運行。

3.3 基于DSP技術(shù)的多波束雷達(dá)信號處理

在PCIE 或是以太網(wǎng)的支持下，信號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。在PCIE 的支持下，DSP 芯片能夠與PEX8624 開關(guān)之間實現(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，在8 通道PCIE 接口的支持下，上述開關(guān)可以將信號處理板連接至外部主機中。在基于7 核的信號處理中，回波數(shù)據(jù)傳遞至信號處理板內(nèi)，并在外部存儲器DDR3 中實現(xiàn)保存，對任意通道接收到的回波信號實施處理，包括分離復(fù)合信號脈沖、下采樣處理等等；隨后，設(shè)定一組信號包含著12 路信號，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）分別實施復(fù)合信號的脈壓以及MTD 處理。

3.4 復(fù)合信號的數(shù)字下變頻設(shè)計

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，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，需要引入脈沖分離處理。以頻域為切入點展開分析，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)實現(xiàn)帶通濾波器的生成，提取濾波器系數(shù)，并在通過驗證后將其導(dǎo)入CCS 與接收回波信號，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，則實現(xiàn)窄脈沖信號的過濾；如果濾波器產(chǎn)生的通帶為17-31 兆赫茲，則實現(xiàn)寬脈沖信號的過濾。

3.5 單波束的脈沖壓縮設(shè)計

對左右波束實施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，通道數(shù)量與獲取權(quán)值數(shù)量保持在相同水平。實踐中，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，以此即可實現(xiàn)左子波束與右子波束的DBF 計算；將計算得到的數(shù)據(jù)在DDR對應(yīng)空間內(nèi)保存，以此實現(xiàn)整個左右波束的DBF 處理。

3.6 動目標(biāo)檢測設(shè)計

寬脈沖與窄脈沖信號的完整獲取是實現(xiàn)動目標(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)實施探測的任務(wù)；窄脈沖主要承擔(dān)著對近距離目標(biāo)實施探測的任務(wù)?；谶@樣的情況，對遠(yuǎn)距離探測信號與近距離探測信號實施拼接處理為必然選擇。對于遠(yuǎn)近距離門信號的拼接而言，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存儲。

4 總結(jié)

綜上所述，DSP 在海量數(shù)據(jù)存儲方面有著更高應(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)前的實踐中，基于DSP技術(shù)的硬件平臺、依托DSP技術(shù)的參數(shù)化設(shè)計、應(yīng)用DSP技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計、雷達(dá)數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)為基于DSP 的雷達(dá)信號處理典型應(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)信號處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中，通過設(shè)置上位機、信號處理板、工控機、陣列采集這些單元結(jié)構(gòu)，能夠促使信號處理板在完成信號處理后結(jié)合網(wǎng)口將經(jīng)過處理之后的數(shù)據(jù)傳遞至上位機內(nèi)，由此達(dá)到雷達(dá)測距與測速的效果，并實現(xiàn)多波束信號的高效處理。