基于TMS320C6678 DSP的雷達數字信號處理軟件設計

何文洲

（四川九洲防控科技有限責任公司，四川綿陽，621000）

0 引言

在現代雷達中，雷達所處的環境越來越復雜，為了應對新的戰場環境，對雷達提出了各種新的需求，如高帶寬、更復雜的算法，但同時也要滿足實時性要求。在現階段，雷達信號處理的架構大都是采用FPGA+DSP的方式，FPGA主要負責中頻信號的采集、波束形成、脈沖壓縮等算法邏輯操作，而DSP主要負責實現MTI、MTD、CFAR、雜波圖等較復雜的算法。TMS320C6678 DSP作為業界目前最先進的多核DSP、一共集成了8個核，每個內核有512Kbyte的核內L2數據存儲區、32KByte的L1D數據存儲區和 32KByte的L1P程序存儲區，片上集成了4MByte的共享存儲區，支持RapidIO高速數據傳輸、支持外圍擴展DDR3存儲器，支持片內多核間EDMA硬件傳輸數據 最高主頻達到了1.25GHz，同時還提供了豐富的軟件庫函數，如算術操作庫、數字信號處理庫、圖像庫等，豐富的硬件與軟件資源為其成為雷達信號處理的平臺提供了保障。

1 雷達軟件結構

在某低慢小目標探測雷達設計中，雷達采用方位上360度機械掃描、俯仰上發射寬波束，接收上通過數字波束合成形式形成多個俯仰指向的多波束完成對俯仰空域的覆蓋。雷達的軟件結構如圖1所示。雷達軟件主要包含DBF（數字波束形成）軟件、信號處理軟件、數據處理軟件、操控終端軟件。其中DBF軟件主要對雷達天線接收的回波信號進行數字采樣，并且下變頻到中頻信號，最后通過形成多個指向的數字波束數據，并將數據傳輸到信號處理軟件，信號處理軟件主要完成脈沖壓縮、相參積累與點跡檢測功能，并將檢測到的目標點跡傳給數據處理軟件，數據處理軟件主要對檢測到的點跡數據進行點跡預處理、航跡起始、航跡更新等功能，操控終端主要進行航跡與點跡顯示功能。如圖1所示。

2 雷達信號處理軟件

某低慢小目標探測雷達共有4個波束，根據帶寬和處理速度分析，雷達系統中信號處理共使用1片V7 FPGA+ 2片C6678 DSP的硬件結構，首先在FPGA內完成4路DBF處理數據的數據提取、脈沖壓縮、乒乓處理等，波束1和波束2的數據輸出到DSP1，波束3和波束4的數據輸出到DSP2，分別完成4路回波數據的數據重排、MTD、CFAR、雜波圖處理等。軟件處理框圖如圖2所示。

3 TMS320C6678 軟件設計

C6678 DSP共有8個核，要滿足軟件算法的功能性及運行時間的實時性要求，對于核之間處理流程及處理算法的均衡性設計十分重要，結合C6678 DSP的硬件特點，信號處理軟件算法在DSP中的主要任務如圖3所示。

圖1 雷達軟件處理流程

圖2 信號處理軟件結構

圖3 DSP軟件

■3.1 核0初始化

C6678 DSP要能夠正常工作，必須完成相應的硬件初始化工作，首先需要初始化包括DSP工作的時鐘即完成內部PLL的初始化，為了達到最大的運行速度，DSP工作在主頻1Ghz的情況下，外接時鐘輸入為100MHz，由于雷達信號處理的數據特點，用在實時性要求高和數據量大的場景時，DSP 內部的存儲空間一般不能完全滿足應用需求；為了能夠快速訪問 DSP 外的存儲器，C6678DSP 擁有了一個 64 位的DDR3 外部存儲器訪問接口（EMIF），最高訪問速度可達 1600MHz，且可訪問的最大 DDR3數據存儲為 8GB；在 C6678 上集成了EDMA 模塊，用來在完成存儲器之間大數據之間的快速搬移, 由于多核處理器的特點，在進行信號處理計算時，片上許多資源由多核共享，需要多核同步以保證嚴格的時序,C6678 片上共有 32 個硬件信號量，與其他片上資源沒有固定的映射關系；6678為Key Stone 架構，擁有高速串行 Rapid I/O接口，又叫作 Serial Rapid I/O（即 SRIO）；它是一種內部互聯規范，可以用來實現芯片間或板卡之間每秒千兆字節的數據通信；外部設備可以直接把數據寫到 DSP 的存儲空間，特別適合大數據交換。DSP與V7 FPGA之間采用5Ghz，4Ⅹ模式進行雷達數據的傳輸。SPI為一種簡單可靠串行通信協議，最大支持66MHz傳輸速度，可用于DSP與外部設備進行小數據的傳輸。完成PLL、EDMA、IPC中斷、RapidIO、SPI初始化后，DSP的所有硬件準備完成，可以進行雷達數據的接收。

■3.2 核0雷達波束數據與工作參數接收

一片DSP處理兩個波束的數據，由于接收的數據量較大，且內部從0xc000000開始的地址無法滿足整個處理需求，因此通過RapidIO接收的數據將存儲在DDR3從0x80000000開始的地址中，各個核根據各自處理需要，分別從DDR3中胗EDMA硬件傳輸方式將數據傳輸到各自核內的LL2空間，完成算法的計算。

■3.3 相參積累

由于雷達工作時，有雜波與噪聲的影響，通過建立工作環境下雜波與噪聲的數學與物理模型，可以有多種處理方法，本雷達信號處理軟件中采用動目標顯示（MTI）與動目標檢測（MTD）技術完成相參積累。其中動目標顯示采用兩延遲對消濾波器以消除慢速或靜態雜波對目標檢測的影響。相比于單次延遲雜波對消器，兩延遲雜波對消可以更好地抑制靜止或低速雜波。MTD實現采用對多幀接收的雷達數據在距離上使用多普勒濾波器組，每個多普勒濾波器的通帶覆蓋一定的頻率區域，經過濾波器的輸出判斷是否有動目標及動目標的多普勒速度。MTD采用FFT的方法進行計算，在進行FFT計算時將個脈沖分做個頻段做運算，每個點分別積累個脈沖時長的數據，每個點的運算都相當于是一個帶通濾波器，每個濾波器都有一定的副瓣，可以考慮使用窗函數加權的方法抑制雜波。但濾波器在零頻及脈沖重復頻率整數倍處是沒有凹陷，所以自然是無法抑制靜態雜波的，必須有其它方式幫助解決這個問題。因此采用MTI+加窗+FFT方法進行計算。相參積累后的數據為多普勒維與距離維的二維距離，且其中的數據包含實部與虛部，需要進行求模計算。

■3.4 恒虛警目標檢測

雷達在進行自動檢測目標時，為了減少干擾信號對雷達正常工作的影響，目標進行檢測過程中需要加入恒虛警處理。恒虛警方法就是采用自適應門限的方式代替固定門限，自適應計算的門限能實時計算被檢測點的背景噪聲、雜波和干擾，如果背景噪聲、雜波等干擾較大，自適應門限就調高，反之，自適應門限就變低。在本雷達中采用均值類（單元平均恒虛警檢測器）CA-CAFR、GO-CFAR、SO-CFAR來進行恒虛警目標檢測。

■3.5 雜波圖慢速CFAR檢測

均值類 CFAR在噪聲背景下可以保持良好的檢測性能，但是雜波的存在會導致均值類CFAR方法的檢測性能急劇下降。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 CFAR，只能采用很少的參考單元，會導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，但是在某個距離單元的雜波來說，其強度隨時間的變化是相對比較緩慢的，采用在時間上多次采樣來對該距離與方位單元進行估計運算，雜波圖檢測的基本思想是利用雜波和目標回波的時間積累特性不同，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。對于變化緩慢的雜波背景，K了較小，對于變化較快的K取大值。

圖4 雜波圖更新

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

圖5 雜波圖檢測

■3.6 目標凝聚與目標信息形成

經過恒虛警檢測與雜波圖檢測后的目標信息包含目標點的距離、方位、多普勒通道等信息，但是檢測后的目標點通常在多普勒與距離維上擴展幾個多普勒與距離門，因此包含一定的冗余信息，需要進行目標凝聚，結合具體運用，采用在多普勒與距離維上3點凝聚的方法完成。 目標信息形成主要是根據要發送出目標信息的協議形式將目標按照要求的格式打包。

圖6 算法運算軟件結構

■3.7 目標信息發出

完成目標的形成后，需要將目標信息通過SPI口發送到外部。此功能在核7中完成。

4 結論

現代雷達高帶寬、復雜算法的要求對于硬件與軟件提出了高要求，本文分析了雷達信號處理在FPGA+DSP結構上處理的流程，并結合信號處理算法，提出了算法在C6678 DSP上具體實現的流程，通過文中所述的軟件算法實現方法，能夠完成雷達算法實現并滿足實時性要求。