基于TMS320C6678 DSP的雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理軟件設(shè)計(jì)

何文洲

（四川九洲防控科技有限責(zé)任公司，四川綿陽(yáng)，621000）

0 引言

在現(xiàn)代雷達(dá)中，雷達(dá)所處的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，為了應(yīng)對(duì)新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)雷達(dá)提出了各種新的需求，如高帶寬、更復(fù)雜的算法，但同時(shí)也要滿足實(shí)時(shí)性要求。在現(xiàn)階段，雷達(dá)信號(hào)處理的架構(gòu)大都是采用FPGA+DSP的方式，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)中頻信號(hào)的采集、波束形成、脈沖壓縮等算法邏輯操作，而DSP主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)MTI、MTD、CFAR、雜波圖等較復(fù)雜的算法。TMS320C6678 DSP作為業(yè)界目前最先進(jìn)的多核DSP、一共集成了8個(gè)核，每個(gè)內(nèi)核有512Kbyte的核內(nèi)L2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、32KByte的L1D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和 32KByte的L1P程序存儲(chǔ)區(qū)，片上集成了4MByte的共享存儲(chǔ)區(qū)，支持RapidIO高速數(shù)據(jù)傳輸、支持外圍擴(kuò)展DDR3存儲(chǔ)器，支持片內(nèi)多核間EDMA硬件傳輸數(shù)據(jù) 最高主頻達(dá)到了1.25GHz，同時(shí)還提供了豐富的軟件庫(kù)函數(shù)，如算術(shù)操作庫(kù)、數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)、圖像庫(kù)等，豐富的硬件與軟件資源為其成為雷達(dá)信號(hào)處理的平臺(tái)提供了保障。

1 雷達(dá)軟件結(jié)構(gòu)

在某低慢小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)中，雷達(dá)采用方位上360度機(jī)械掃描、俯仰上發(fā)射寬波束，接收上通過(guò)數(shù)字波束合成形式形成多個(gè)俯仰指向的多波束完成對(duì)俯仰空域的覆蓋。雷達(dá)的軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。雷達(dá)軟件主要包含DBF（數(shù)字波束形成）軟件、信號(hào)處理軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、操控終端軟件。其中DBF軟件主要對(duì)雷達(dá)天線接收的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣，并且下變頻到中頻信號(hào)，最后通過(guò)形成多個(gè)指向的數(shù)字波束數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)處理軟件，信號(hào)處理軟件主要完成脈沖壓縮、相參積累與點(diǎn)跡檢測(cè)功能，并將檢測(cè)到的目標(biāo)點(diǎn)跡傳給數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理軟件主要對(duì)檢測(cè)到的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)跡預(yù)處理、航跡起始、航跡更新等功能，操控終端主要進(jìn)行航跡與點(diǎn)跡顯示功能。如圖1所示。

2 雷達(dá)信號(hào)處理軟件

某低慢小目標(biāo)探測(cè)雷達(dá)共有4個(gè)波束，根據(jù)帶寬和處理速度分析，雷達(dá)系統(tǒng)中信號(hào)處理共使用1片V7 FPGA+ 2片C6678 DSP的硬件結(jié)構(gòu)，首先在FPGA內(nèi)完成4路DBF處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)提取、脈沖壓縮、乒乓處理等，波束1和波束2的數(shù)據(jù)輸出到DSP1，波束3和波束4的數(shù)據(jù)輸出到DSP2，分別完成4路回波數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)重排、MTD、CFAR、雜波圖處理等。軟件處理框圖如圖2所示。

3 TMS320C6678 軟件設(shè)計(jì)

C6678 DSP共有8個(gè)核，要滿足軟件算法的功能性及運(yùn)行時(shí)間的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)于核之間處理流程及處理算法的均衡性設(shè)計(jì)十分重要，結(jié)合C6678 DSP的硬件特點(diǎn)，信號(hào)處理軟件算法在DSP中的主要任務(wù)如圖3所示。

圖1 雷達(dá)軟件處理流程

圖2 信號(hào)處理軟件結(jié)構(gòu)

圖3 DSP軟件

■3.1 核0初始化

C6678 DSP要能夠正常工作，必須完成相應(yīng)的硬件初始化工作，首先需要初始化包括DSP工作的時(shí)鐘即完成內(nèi)部PLL的初始化，為了達(dá)到最大的運(yùn)行速度，DSP工作在主頻1Ghz的情況下，外接時(shí)鐘輸入為100MHz，由于雷達(dá)信號(hào)處理的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，用在實(shí)時(shí)性要求高和數(shù)據(jù)量大的場(chǎng)景時(shí)，DSP 內(nèi)部的存儲(chǔ)空間一般不能完全滿足應(yīng)用需求；為了能夠快速訪問(wèn) DSP 外的存儲(chǔ)器，C6678DSP 擁有了一個(gè) 64 位的DDR3 外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)接口（EMIF），最高訪問(wèn)速度可達(dá) 1600MHz，且可訪問(wèn)的最大 DDR3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為 8GB；在 C6678 上集成了EDMA 模塊，用來(lái)在完成存儲(chǔ)器之間大數(shù)據(jù)之間的快速搬移, 由于多核處理器的特點(diǎn)，在進(jìn)行信號(hào)處理計(jì)算時(shí)，片上許多資源由多核共享，需要多核同步以保證嚴(yán)格的時(shí)序,C6678 片上共有 32 個(gè)硬件信號(hào)量，與其他片上資源沒(méi)有固定的映射關(guān)系；6678為Key Stone 架構(gòu)，擁有高速串行 Rapid I/O接口，又叫作 Serial Rapid I/O（即 SRIO）；它是一種內(nèi)部互聯(lián)規(guī)范，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片間或板卡之間每秒千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)通信；外部設(shè)備可以直接把數(shù)據(jù)寫(xiě)到 DSP 的存儲(chǔ)空間，特別適合大數(shù)據(jù)交換。DSP與V7 FPGA之間采用5Ghz，4Ⅹ模式進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸。SPI為一種簡(jiǎn)單可靠串行通信協(xié)議，最大支持66MHz傳輸速度，可用于DSP與外部設(shè)備進(jìn)行小數(shù)據(jù)的傳輸。完成PLL、EDMA、IPC中斷、RapidIO、SPI初始化后，DSP的所有硬件準(zhǔn)備完成，可以進(jìn)行雷達(dá)數(shù)據(jù)的接收。

■3.2 核0雷達(dá)波束數(shù)據(jù)與工作參數(shù)接收

一片DSP處理兩個(gè)波束的數(shù)據(jù)，由于接收的數(shù)據(jù)量較大，且內(nèi)部從0xc000000開(kāi)始的地址無(wú)法滿足整個(gè)處理需求，因此通過(guò)RapidIO接收的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在DDR3從0x80000000開(kāi)始的地址中，各個(gè)核根據(jù)各自處理需要，分別從DDR3中胗EDMA硬件傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁髯院藘?nèi)的LL2空間，完成算法的計(jì)算。

■3.3 相參積累

由于雷達(dá)工作時(shí)，有雜波與噪聲的影響，通過(guò)建立工作環(huán)境下雜波與噪聲的數(shù)學(xué)與物理模型，可以有多種處理方法，本雷達(dá)信號(hào)處理軟件中采用動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）技術(shù)完成相參積累。其中動(dòng)目標(biāo)顯示采用兩延遲對(duì)消濾波器以消除慢速或靜態(tài)雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響。相比于單次延遲雜波對(duì)消器，兩延遲雜波對(duì)消可以更好地抑制靜止或低速雜波。MTD實(shí)現(xiàn)采用對(duì)多幀接收的雷達(dá)數(shù)據(jù)在距離上使用多普勒濾波器組，每個(gè)多普勒濾波器的通帶覆蓋一定的頻率區(qū)域，經(jīng)過(guò)濾波器的輸出判斷是否有動(dòng)目標(biāo)及動(dòng)目標(biāo)的多普勒速度。MTD采用FFT的方法進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行FFT計(jì)算時(shí)將個(gè)脈沖分做個(gè)頻段做運(yùn)算，每個(gè)點(diǎn)分別積累個(gè)脈沖時(shí)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)的運(yùn)算都相當(dāng)于是一個(gè)帶通濾波器，每個(gè)濾波器都有一定的副瓣，可以考慮使用窗函數(shù)加權(quán)的方法抑制雜波。但濾波器在零頻及脈沖重復(fù)頻率整數(shù)倍處是沒(méi)有凹陷，所以自然是無(wú)法抑制靜態(tài)雜波的，必須有其它方式幫助解決這個(gè)問(wèn)題。因此采用MTI+加窗+FFT方法進(jìn)行計(jì)算。相參積累后的數(shù)據(jù)為多普勒維與距離維的二維距離，且其中的數(shù)據(jù)包含實(shí)部與虛部，需要進(jìn)行求模計(jì)算。

■3.4 恒虛警目標(biāo)檢測(cè)

雷達(dá)在進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)目標(biāo)時(shí)，為了減少干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)正常工作的影響，目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中需要加入恒虛警處理。恒虛警方法就是采用自適應(yīng)門(mén)限的方式代替固定門(mén)限，自適應(yīng)計(jì)算的門(mén)限能實(shí)時(shí)計(jì)算被檢測(cè)點(diǎn)的背景噪聲、雜波和干擾，如果背景噪聲、雜波等干擾較大，自適應(yīng)門(mén)限就調(diào)高，反之，自適應(yīng)門(mén)限就變低。在本雷達(dá)中采用均值類(lèi)（單元平均恒虛警檢測(cè)器）CA-CAFR、GO-CFAR、SO-CFAR來(lái)進(jìn)行恒虛警目標(biāo)檢測(cè)。

■3.5 雜波圖慢速CFAR檢測(cè)

均值類(lèi) CFAR在噪聲背景下可以保持良好的檢測(cè)性能，但是雜波的存在會(huì)導(dǎo)致均值類(lèi)CFAR方法的檢測(cè)性能急劇下降。雜波一般在距離和方位的變化上較為劇烈，如果使用均值類(lèi) CFAR，只能采用很少的參考單元，會(huì)導(dǎo)致很大的恒虛警損失。雖然雜波在距離和方位上變化較為劇烈，但是在某個(gè)距離單元的雜波來(lái)說(shuō)，其強(qiáng)度隨時(shí)間的變化是相對(duì)比較緩慢的，采用在時(shí)間上多次采樣來(lái)對(duì)該距離與方位單元進(jìn)行估計(jì)運(yùn)算，雜波圖檢測(cè)的基本思想是利用雜波和目標(biāo)回波的時(shí)間積累特性不同，完成二者的有效分離。

雜波圖的一階遞歸流程如圖4所示。其中l(wèi)表示天線掃描周期.一次掃描得到的雜波單元幅度是Dnm(l)，已知雜波圖值 為Ynm(l?1)，通過(guò)下式可以得到新的雜波圖值Ynm(l)。

其中K是小于1的衰減因子。對(duì)于變化緩慢的雜波背景，K了較小，對(duì)于變化較快的K取大值。

圖4 雜波圖更新

通過(guò)Kalmus濾波器去除地雜波低頻直流分量，然后對(duì)雜波剩余與慢速目標(biāo)的多普勒頻率重疊區(qū)，采用雜波圖CFAR，改善對(duì)低速目標(biāo)的檢測(cè)性能，雜波圖CFAR主要由Kalmus濾波器與雜波剩余時(shí)間平滑兩部分組成。

圖5 雜波圖檢測(cè)

■3.6 目標(biāo)凝聚與目標(biāo)信息形成

經(jīng)過(guò)恒虛警檢測(cè)與雜波圖檢測(cè)后的目標(biāo)信息包含目標(biāo)點(diǎn)的距離、方位、多普勒通道等信息，但是檢測(cè)后的目標(biāo)點(diǎn)通常在多普勒與距離維上擴(kuò)展幾個(gè)多普勒與距離門(mén)，因此包含一定的冗余信息，需要進(jìn)行目標(biāo)凝聚，結(jié)合具體運(yùn)用，采用在多普勒與距離維上3點(diǎn)凝聚的方法完成。 目標(biāo)信息形成主要是根據(jù)要發(fā)送出目標(biāo)信息的協(xié)議形式將目標(biāo)按照要求的格式打包。

圖6 算法運(yùn)算軟件結(jié)構(gòu)

■3.7 目標(biāo)信息發(fā)出

完成目標(biāo)的形成后，需要將目標(biāo)信息通過(guò)SPI口發(fā)送到外部。此功能在核7中完成。

4 結(jié)論

現(xiàn)代雷達(dá)高帶寬、復(fù)雜算法的要求對(duì)于硬件與軟件提出了高要求，本文分析了雷達(dá)信號(hào)處理在FPGA+DSP結(jié)構(gòu)上處理的流程，并結(jié)合信號(hào)處理算法，提出了算法在C6678 DSP上具體實(shí)現(xiàn)的流程，通過(guò)文中所述的軟件算法實(shí)現(xiàn)方法，能夠完成雷達(dá)算法實(shí)現(xiàn)并滿足實(shí)時(shí)性要求。