基于DSP的寬帶雷達(dá)多片流水分段脈壓處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

作為一種探測目標(biāo)信息的工具，雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在雷達(dá)回波信號(hào)處理中，通常利用線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮技術(shù)來獲得高的距離分辨率。他有效地解決了雷達(dá)作用距離與距離分辨率之間的矛盾，可以在保證雷達(dá)作用距離的情況下提高雷達(dá)的距離分辨力。數(shù)字脈沖壓縮就是利用數(shù)字信號(hào)處理的方法來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的脈沖壓縮，分為時(shí)域和頻域兩種實(shí)現(xiàn)方式。時(shí)域脈壓常用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，而頻域脈壓常用專用的FFT芯片或DSP完成。一般而言，對于小時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用時(shí)域脈壓較好；但對于大時(shí)寬帶寬積信號(hào)，用頻域脈壓較好。隨著通用DSP芯片本身處理能力的不斷提高，基于并行DSP芯片的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)基本能夠滿足雷達(dá)脈沖壓縮信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的需求。

本文針對雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理，首先分析了頻域脈壓處理方法，介紹了分段脈壓原理。然后研究了基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)，以某寬帶雷達(dá)回波為例，提出了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件處理平臺(tái)設(shè)計(jì)。最后給出了硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 頻域脈壓實(shí)現(xiàn)分析

對接收到的信號(hào)作數(shù)字脈壓，等同于信號(hào)通過一個(gè)加權(quán)的匹配濾波器。從時(shí)域來說，輸出為信號(hào)與加權(quán)的匹配濾波器的線性卷積，等價(jià)于二者在頻域的乘積。需要注意的是兩離散信號(hào)頻率域相乘相當(dāng)他們在時(shí)域作圓卷積，為使圓卷積與線性卷積等價(jià)，待處理的信號(hào)須加零延伸，避免圓卷積時(shí)發(fā)生混疊。

設(shè)輸入序列x(n)長度為L，系統(tǒng)沖擊響應(yīng)h(n)長度為M(M<L)，輸出y(n)。對于頻域處理，其運(yùn)算為：

式(1)實(shí)際上是圓卷積運(yùn)算，在運(yùn)算時(shí)，x(n)和h(n)必須至少補(bǔ)零到L+M-1點(diǎn)，等到x(n)完全讀入后，開始脈壓運(yùn)算，得到的y(n)有效輸出長度為L點(diǎn)。因此頻域脈壓處理時(shí)間大致分為數(shù)據(jù)塊讀入讀出時(shí)間和脈壓運(yùn)算時(shí)間?？傔\(yùn)算量包括L點(diǎn)x(n)數(shù)據(jù)輸入、L+M-1點(diǎn)復(fù)FFT，L+M-1點(diǎn)復(fù)點(diǎn)乘、L+M-1點(diǎn)復(fù)IFFT以及L點(diǎn)y(n)數(shù)據(jù)輸出。

當(dāng)輸入序列x(n)的長度L》M，直接做L+M-1點(diǎn)的脈壓不僅運(yùn)算量大、存儲(chǔ)單元多，而且有很大的數(shù)據(jù)讀入讀出延遲。可以采用重疊保留法進(jìn)行分段脈壓處理。設(shè)x(n)均勻分段，每段長度為N(滿足N≥M，N+M-1接近2的整數(shù)次冪)，在每段后面再補(bǔ)上后一段的前M-1個(gè)輸入序列值，組成N+M-1點(diǎn)序列，若為最后一段，則補(bǔ)M-1個(gè)零。每個(gè)N+M-1點(diǎn)序列與h(n)脈壓后，輸出的結(jié)果取前N點(diǎn)為每段的有效輸出。這樣按順序拼接在一起即可得到輸入序列x(n)的脈壓輸出。其原理如圖1所示。

3 基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)

當(dāng)分段脈壓處理時(shí)，可以采用多個(gè)分段同時(shí)脈壓的并行處理技術(shù)來減少整個(gè)脈壓過程的處理時(shí)間。流水線技術(shù)(Pipeline)為并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間并行性提供了一種有效方法，他將輸入流水線的任務(wù)分為一串子任務(wù)，相繼的任務(wù)不斷流人流水線，利用子任務(wù)在執(zhí)行時(shí)間上的重疊(Time Interleaving)，使得每個(gè)子任務(wù)都處在整個(gè)操作流程不同的處理段中，且保持在不同的完成階段來達(dá)到操作級(jí)并行。

在忽略數(shù)據(jù)內(nèi)部交換以及脈壓前的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)化等運(yùn)算時(shí)間的前提下，可以將每段脈壓任務(wù)大致分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)脈壓和脈壓結(jié)果輸出三個(gè)子任務(wù)。若各段分段脈壓過程均采用流水線技術(shù)操作，相鄰兩段脈壓任務(wù)分別由不同的DSP完成。那么相鄰兩段脈壓過程進(jìn)入流水的時(shí)間僅相差數(shù)據(jù)輸入的操作時(shí)間，流水操作如圖2所示。

設(shè)輸入序列x(n)長度為L點(diǎn)，分段重疊點(diǎn)數(shù)為M-1，分段脈壓點(diǎn)數(shù)為d(為2的整數(shù)次冪)點(diǎn)，定義x(n)的分段總數(shù)為p，則p=[L／(d-(M-1))]，[]表示不小于此值的最小正整數(shù)(下同)。定義每段的分段長度為N，則N=[L／p]。

下面以某寬帶雷達(dá)為例，在輸入序列點(diǎn)數(shù)和分段重疊點(diǎn)數(shù)確定的情況下，采用AD公司的高性能定／浮點(diǎn)ADSP-TS101芯片，分析各流水任務(wù)時(shí)間、流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間、分段數(shù)、任務(wù)時(shí)間比以及參與多片流水的DSP數(shù)量等與分段脈壓點(diǎn)數(shù)之間的關(guān)系。設(shè)雷達(dá)脈沖寬度為1 μs，脈沖重復(fù)周期(PRT)為1 ms，帶寬為200 MHz，脈壓距離范圍為10 km，采樣率為220 MHz，I，Q兩路合并輸出為16 b。相鄰兩分段的重疊數(shù)據(jù)在ADSP-TS101之間采用Link口傳輸。隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的變化規(guī)律見圖3和圖4。

由圖3可以看出，流水操作時(shí)，隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的增加，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間是快速增加的，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間是先遞減后緩慢增加的?？偟拿}壓時(shí)間Tpip是先遞減后快速增加的，這是因?yàn)?，在d相對較小時(shí)，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間的減少量大于數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間的增加量，總的脈壓時(shí)間Tpip的變化表現(xiàn)為減少；而隨著d的增加，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間的增加量明顯大于數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間的增加量，總的脈壓時(shí)間Tpip的變化表現(xiàn)為快速增加，特別當(dāng)d大于4 096點(diǎn)之后，數(shù)據(jù)脈壓時(shí)間更成為總的脈壓時(shí)間Tpip的主要部分?？梢缘贸?，分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的遞減不一定總會(huì)帶來總的脈壓時(shí)間的減少，特別當(dāng)d相對較小時(shí)，數(shù)據(jù)輸入輸出時(shí)間更成為制約總的脈壓時(shí)間Tpip的主要因素。

由圖4可以看出，隨分段脈壓點(diǎn)數(shù)d的增加，分段數(shù)反比于d，是快速遞減的。任務(wù)時(shí)間比是緩慢變化的，維持在7～8的水平，這是由ADSP-TS101本身的處理速度的決定的。在對應(yīng)的分段脈壓點(diǎn)上，選擇分段數(shù)與任務(wù)時(shí)間比中相對較小的值，得到參與多片流水的DSP數(shù)量NDSP，其變化趨勢是遞減的。可以這樣理解，在d相對較小時(shí)，分段數(shù)較多，每個(gè)DSP可以完成多次分段脈壓任務(wù)，DSP的數(shù)量主要由任務(wù)時(shí)間比決定；而隨著d的增加，分段數(shù)快速遞減，直接減少了對DSP數(shù)量的需求。

為了評價(jià)基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)的并行程度，在這里引用加速比(Accelerate Ratio)和并行效率的概念。可以定義NDSP個(gè)DSP處理器的加速比為：

可以看出，并行效率與加速比是密切相關(guān)的，Sp越接近于NDSP，Ep越接近于1。實(shí)際上，影響多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)并行效率的因素是多方面的，我們應(yīng)該綜合考慮流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間、參與多片流水的DSP數(shù)量、加速比以及并行效率等各項(xiàng)指標(biāo)，以盡可能達(dá)到多片流水分段脈壓的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)式(2)～式(5)，結(jié)合某寬帶雷達(dá)參數(shù)，給出不同分段脈壓點(diǎn)數(shù)d時(shí)的流水操作時(shí)總的脈壓時(shí)間Tpip、參與多片流水的ADSP-TS101數(shù)量NDSP，加速比Sp以及并行效率Ep等指標(biāo)，詳見表1。

以上分析還沒有考慮單片ADSP-TS101的數(shù)據(jù)內(nèi)部存取以及脈壓前的數(shù)據(jù)浮點(diǎn)化等運(yùn)算時(shí)間。綜合各方面因素考慮，要在1 ms內(nèi)完成該寬帶雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理，我們選擇的分段脈壓點(diǎn)數(shù)為4 096點(diǎn)，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于4片ADSP-TS101芯片的多片流水分段脈壓并行DSP硬件平臺(tái)，該平臺(tái)采用了共享總線并行結(jié)構(gòu)和分布式并行結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，充分利用了并行總線的帶寬，以及Link口的靈活、方便及快速的特點(diǎn)。

4 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)脈壓處理硬件平臺(tái)是一塊由4片ADSP-Ts101構(gòu)成的6U CPCI前面板，結(jié)構(gòu)如圖5所示。DSP1，DSP2，DSP3，DSP4采用共享總線結(jié)構(gòu)和MeshSP結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，構(gòu)成板上的多片流水分段脈壓并行運(yùn)算模塊。4片DSP在通過集成于芯片內(nèi)部的發(fā)布式總線仲裁邏輯共享總線的同時(shí)，還通過Link口構(gòu)成了兩兩互連的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這樣充分發(fā)揮ADSP-TS101芯片的并行處理能力的優(yōu)勢。兩種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)的結(jié)合，既減少了處理器對總線的競爭，又大大增強(qiáng)了處理器問的數(shù)據(jù)交換能力。數(shù)據(jù)總線和地址總線上連接存放程序代碼的FLASH芯片和作為外部存儲(chǔ)的SDRAM芯片，能夠滿足系統(tǒng)對大批量數(shù)據(jù)的處理需求。

FIFO1和FIFO2作為數(shù)據(jù)的輸入輸出緩存，寬帶雷達(dá)的視頻回波數(shù)據(jù)首先在FIFO1中緩存。當(dāng)FIFO1中寫入14 667點(diǎn)完整的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)后，由EPLD向DSP發(fā)出數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。當(dāng)DSP檢測到數(shù)據(jù)有效標(biāo)志后，將FIFO1中數(shù)據(jù)寫到DSP緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)在DSP之間的傳輸主要通過Link口實(shí)現(xiàn)，當(dāng)DSP將脈壓結(jié)果寫入FIFO2后，EPLD向CPCI接口芯片S5933發(fā)送數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。當(dāng)S5933檢測數(shù)據(jù)有效標(biāo)志后將FIFO2中數(shù)據(jù)寫到主機(jī)。實(shí)物圖如圖6所示。

下面給出4片DSP的任務(wù)劃分，見表2，當(dāng)d=4 096時(shí)，p=4，N=14 667／4，我們?nèi)「鞣侄伍L度分別為3 666，3 667，3 667，3 667。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

雷達(dá)回波數(shù)據(jù)經(jīng)過脈壓處理之后，由CPCI總線接口傳輸給計(jì)算機(jī)，通過Matlab軟件將脈壓結(jié)果顯示如圖7所示。經(jīng)過實(shí)測，整個(gè)脈壓處理過程從數(shù)據(jù)輸入到脈壓結(jié)果輸出共耗時(shí)約780μs。完全滿足脈沖重復(fù)周期(PRT)1 ms的要求。

在雷達(dá)回波的實(shí)時(shí)處理過程中，脈沖壓縮處理占有舉足輕重的地位。本文在進(jìn)行基于DSP的多片流水分段脈壓設(shè)計(jì)時(shí)，做了兩個(gè)假設(shè)：第一個(gè)是將每段脈壓任務(wù)分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)脈壓和數(shù)據(jù)輸出三個(gè)子任務(wù)，忽略其他的運(yùn)算時(shí)間，進(jìn)行流水設(shè)計(jì)，得出了總的脈壓時(shí)間；第二個(gè)是假設(shè)相鄰的子任務(wù)由不同的DSP完成，據(jù)此得出了參與多片流水的DSP數(shù)量。然后綜合考慮了總的脈壓時(shí)間、參與多片流水的DSP數(shù)量、加速比以及并行效率等因素，在輸入序列點(diǎn)數(shù)和分段重疊點(diǎn)數(shù)確定的情況下，研究了分段脈壓的分段長度設(shè)計(jì)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件平臺(tái)。最后通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。