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 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。
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。
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; 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。 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相对独立的部分。其中底层软件完成 DSP 等硬件资源的控制和相应的算法,顶层软件运行于底层软件之上,完成面向用户的应用级设计。这种层次化的软件结构,可以提高整个软件系统的可维护性、可移植性、通用性;而且由于软件开发人员只需要考虑自己层次的开发内容,有效提高了软件代码的开发效率。下面重点讨论底层软件的开发。
近年来,国内外雷达技术研究进展迅猛,各种新体制雷达相继问世,对雷达信号处理器的处理能力、存储能力、可扩展性、软件开发以及数据传输与互连能力等各个方面都提出了更高的要求。DSP技术的采用,增强了数据处理能力,提高了系统的性能指标,促进了现代雷达信号处理技术的发展。尤其是各种新型的DSP产品,对软件、外围接口技术和互连技术的良好支持,使雷达信号处理平台系统结构、拓扑结构得到优化,系统的可扩展性得到提高。随着DSP的开发和应用的深入,DSP将在信息与信号处理、通信与信息系统、自动控制、雷达、军事、航天和航空等许多领域得到更加广泛的应用。 |
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DSP在雷达信号处理中的应用
关键词: 雷达 信号处理 中的 应用 信号 处理 系统 实时
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