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第六讲 DSP 在雷达信号处理中的应用 Lesson 6 DSP's Application in Radar Signal Process 清华大学电子工程系 张卫杰博士 引言 引言 DSP 是一种基于精简指令集的可编程数学计算芯片， 可以对数字信号进行时频域 变换、频谱分析、滤波、估值、增强、压缩等处理，广泛应用于家用电器、多媒 体系统、 雷达、卫星系统、移动通信、网络会议、医学仪器、实时图像识别与 处理、语音处理、自适应制导控制、模式识别、定位、导航、联合战术无线电系 统和智能基站等 领域本文重点介绍通用 DSP 在雷达信号处理系统中的典型应 用，以及研制基于 DSP 的雷达信号处理系统的关键技术 DSP 在雷达信号处理中的典型应用DSP 在雷达信号处理中的典型应用 作 为面向数字信号处理的可编程嵌入式处理器，DSP 具有高速、灵活、可靠、 可编程、低功耗、接口丰富、处理速度快、实时性好等特点雷达信号处理系统 所涉及 的主要技术，包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、 脉冲压缩、自适应波束形成和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高度重复性的 实时计算 DSP 可以利用硬件算术单元、片内存储器、哈佛总线结构、专用寻 址单元、流水处理技术等特有的硬件结构，高速完成 FFT、FIR、复数乘加、相 关、三角函 数以及矩阵运算等数字信号处理。

因此，DSP 非常适合雷达数字信 号处理算法的实现 FFT 是雷达信号处理的重要工具DSP 内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻 址）和多处理内核，保证 DSP 在相同条件下，完成 FFT 算法的速度比通用微 处 理器要快 2 到 3 个数量级因此，在雷达信号处理器中，大量采用 DSP 完成 FFT/IFFT，以实现信号的时-频域转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩 等 FIR 滤波器是雷达信号处理中常用设计之一在动目标指示（MTI）或动目标检 测（MTD）中，采用 FIR 滤波器可以滤除杂波干扰，提高信杂比，而通过恒 虚警 处理（CFAR）完成目标的检测在机载多普勒雷达中，为了抑制地杂波的干扰， 采用了复杂的自适应滤波器组在阵列信号处理以及波束形成中，进行数据 校 正及加权系数计算和控制，均需要大量的复数运算这些复数加权滤波器、多普 勒滤波器组或者矩阵运算都是复信号的乘法累加运算，可根据不同算法的需要， 采 用 DSP 进行灵活编程实现 数据重采样主要是为了得到雷达回波数据局部细节信息，实现数据校正或者配 准例如在 SAR 图像处理中，距离徙动校正中的多点插值算法和 InSAR 进行图像 配准之前进行 8 倍像素细化，均可采用 DSP 完成一维和二维的插值运算。

DSP 在参数估计方面也得到了广泛应用典型的应用实例是 SAR 成像处理中的最大对比度算法最大对比度算法是一种优秀的多普勒调频斜率估计方法，它通过 对方位向数据的重复脉冲压缩， 最后通过计算对比度， 得到最优的普勒调频斜率 其中，采用 DSP 完成大量的 FFT、IFFT 和复数乘法，实现实时的参数估 计 此外，DSP 可以利用其存储器管理和计算能力，分析杂波强度、面积、杂波的多 普勒频率、起伏分量以及地杂波等，建立杂波图，完成雷达回波的统计分析、信 息保存及存储器控制等任务，最终实现 CFAR 处理 由此可见，DSP 在雷达信号处理器设计中具有很大的灵活性和适用范围，它不仅 增强了信号处理的速度和能力，大大提高了信号处理系统的性能指标，而且适合 多功能可编程并行处理和阵列处理，满足高速并行处理的要求 基于 DSP 的新体制雷达信号处理系统的关键技术基于 DSP 的新体制雷达信号处理系统的关键技术 高 适应性和多功能是现代雷达系统所应有的两个基本特征，一方面要求雷达在 复杂杂波环境下具有很高的检测概率和很低的虚警率； 另一方面要求雷达在相同 的平台上 具有多功能，不但需要发现并测定目标的位置和运动参数，还要进行 分析处理，判定其属性和威胁程度，进行辅助决策，并将目标信息直接传递给信 息中心。

因此， 在现代雷达信号处理系统的设计中，不仅要考虑运算量、运算 速度、数据传输速度、体积的要求，还要考虑系统的标准化、通用性、模块化、 可扩展性及其相关的技 术下面从系统结构、数据传输与互连技术、存储技术 和软件开发四个方面介绍 DSP 在雷达信号处理系统的应用 基于 DSP 的雷达信号处理系统结构设计 现 代雷达信号处理系统是典型的实时并行处理系统，采用模块化设计，多种模 块构成一个通用硬件平台，根据软件雷达的思想，通过改变算法和软件，使其适 应不同的 工作环境和任务需要由于多 DSP 处理模块具有运算密集、体积小、 实时性好以及处理时间可严格预测等特点，通常可作为系统的核心模块例如我 国最新研制的 WRSP1（Weather Radar Signal Processor 1）全功能天气雷达信 号处理器，由三类标准模块构成，采用了多 DSP 并行方式，通过软件编程能够实 时完成当今天气雷达信号多普勒处理的 PPP（脉冲对）、 FFT 等五种算法，与我 国原有系统相比较，具有高集成、高精度、高度灵活、高稳定、高成像质量和低 成本等特点 另 外，同一种 DSP 处理模块采用不同的结构进行组合，也会直接影响系统的工 作效率、适应性等技术指标。

国内某大学研制了大存储容量 4 DSP 通用高速信号 处理板，并采用多种不同结构应用于 SAR 实时成像处理器研制中图 1（a）采 用并行处理方式，处理模块中的多个 DSP 组成一个独立处理 单元，运行相同的 成像处理程序，负责一景图像的处理系统的多个模块完成多景图像的处理，是 典型的单指令流多数据流（SIMD）结构该结构可以适应大多 数 SAR 成像算法 图 1（b）采用总体串行、局部并行的布局，对于距离脉压，采用串行处理，提 高处理速度；对于方位向处理，采用并行处理，完成参数估计和 方位向脉压， 是典型的多指令流多数据流（MIMD）MIMD 结构处理效率高，但是系统结构和 算法流程存在相当程度的耦合，算法适应性不如前者 图 1(a) 图 1(b) 根据上面的实例，对现代雷达信号处理系统结构特点做如下总结： （1）采用模块化设计，能够通过简单地增加或者删减模块数量，调整整体系统 处理能力； （2）内部模块以及外部设备之间，采用标准的接口和传输协议，保证良好的可 扩展性； （3）处理模块具有海量存储、高速数据传输和密集运算能力，能够适 应多种算法的需要； （4）系统具有良好的互连方式，可以适应多种拓扑结构，便于系统结 构优化； （5） 接口模块具有可编程能力和高速存储能力，能适应外部设备和 数据传输率的变化； （6） 硬件对软件有良好的支持，通过软件编程实现不同的算法，完成 对回波信号的处理。

数据传输与互连技术 数据传输与互连技术的选择直接影响雷达信号处理系统结构 数据传输与互连技 术随着 DSP 芯片技术发展而逐步完善更新换代在此将相关技术分为 4 类，进行 分析和比较 （1） 基于高性能工作站或者分布式通用计算机网络构建的实时雷达信号处理 器，通常采用千兆以太网或者光纤网络，构成系统的互连结构其特点是技术成 熟，可构成不 同的拓扑结构但是网络结构传输速率相对较低，难以满足 SAR、 相控阵雷达等信号处理中的海量数据传输要求， 通常用于雷达系统目标信息交换 和组网 （2）采用总线结构实现数据交互是常见的一种数据传输与互连技术，可以分为 专用总线和通用总线两类专用总线应用较少，而通用总线如 PCI 系列、VME 系 列等，由于是工业标准，可以得到很多厂商产品和软硬件技术支持，有着广泛的 应用现有的高性能 DSP 都开始提供通用总线接口，例如 TMS320C64 系 列、 PowerPC 系列都提供了 PCI 或者 PCI-X 总线接口，Sharc 系列 DSP 若需要进行简 单的逻辑转换便可直接与 PCI 总线连接DSP 借助总线 接口，通过 PCI 桥可以 实现多 DSP 总线互连，共享彼此的资源，使 DSP 之间可以直接进行数据交换。

通 用总线结构存在的主要问题是：当系统总线存在多个设 备时，每个设备共用总 线带宽，需要通过仲裁分时占用总线，造成每个设备可使用的总线带宽不足通 用总线提高性能的办法是增加总线位宽，提高频率，流水处 理，切分传输 （3）交叉开关数据传输与互连技术是一种动态互连技术，采用通道开关或者 ASIC 芯片实现，可以动态地改变拓扑结构，使用户在通信过程中能方便地实现 点对 点的数据传输，提高通信带宽该技术是目前发展最快的高速数据传输与 互连技术，部分 DSP 如 MPC85/86 系列提供了 Rapidio 接口，可以直接实现 芯片 以及板间互连部分针对 DSP 的桥接芯片也提供了交叉开关互连接口，如 StarLink 接口等 （4）专用数据传输与互连技术是指一些 DSP 等芯片独有的数据传输技术典型 代表是 Sharc 系列 DSP 使用的 LINK 技术 LINK 技术可以使所有 DSP 之间形成一 个立方体连接形式，实现一种动态的全互联网络；通过中间结点的接力，使得任意两 DSP 均可互通因此，基于 Sharc 系列 DSP 构建的处 理板，既可以实现板 内互连，又可以实现板间互连但缺点是采用了存储转发式的操作，延时大，降 低了数据传输的效率。

由于各种传输与互连技术都各有优缺点， 雷达信号处理器在设计中通常采取总线 +专用数据传输与互连技术，或者总线+交叉开关等方式，构成 DSP、模块或者设 备之间的数据传输和系统互连的通道，保证系统良好的可靠性和可扩展性 存储技术 随着芯片制造技术的发展，通用 DSP 采用多内核技术，工作主频越来越高，运算 速度不再是雷达信号处理的瓶颈在一些新体制雷达中，如 SAR 成像处理器和相 控阵雷达信号处理器中，需要进行海量数据存储和处理，存储技术就成为实时处 理的关键技术之一 雷达信号处理器的数据存储载体分为动态存储器（DRAM）、静态存储器（SRAM）、 双口存储器（Dual-Port RAM，简称 DPRAM）、先进先出存储器（FIFO）等此 外，硬盘和磁带也可用于原始数据和处理结果的存储，例如 SAR 成像处理系统的 存储子系统设 计FIFO、DPRAM 和 SRAM 通常用于局部存储器设计，存储空间有 限，而 SDRAM 具有容量大、成本低、速度快的优点，通常作为数据矩阵的存储介 质SDRAM 对于连续地址存储空间的访问效率非常高，但是在地址跳变的随机访 问情况下， 大量的翻页操作使得访问效率降低数倍。

例如在 SAR 成像处理中， 需 要对数据矩阵转角存储 一般情况下， 数据矩阵在存储器中以行为单位顺序存放， 当 DSP 读取矩阵列时，由于进行非连续地址访问，严重降低了 SDRAM 的读 写效 率，直接影响实时成像 当前， 高性能 DSP， 如 TS201/101 和 TMS320C6000 系列， 都提供了 SDRAM 控制器， 实现了 DSP 对海量数据的高效管理，但是，相对于新 一代雷达对存储能力和访 问速度的需求还存在一定的差距许多公司提供了更先进的接口技术，例如 TUNDRA 公司的 Tsi108 接口桥芯片就提供了 2GB 空 间、133MHz 的 DDR SDRAM 控 制器此外，还可以通过 FPGA 开发 DDR SDRAM 和 DDR II SDRAM 控制器，使 DSP 访问 SDRAM 效率得到成倍提高 雷达信号处理器软件的开发 软 件是系统的灵魂，硬件是系统的基础雷达信号处理系统软件开发不同于一 般的软件，其核心是基于 DSP 的嵌入式软件，主要任务不是对数据执行变换，而 是在各 种硬件设备上执行相应的算法，完成相应的功能，而计算机仅仅提供人 机交互界面，进行系统监控和显示结果。

这种软件系统的开发采用了分层方法， 把软件分为底 层软件和顶层软件两个。