DSP技术在雷达信号处理中的应用

杨思军

（中国船舶集团有限公司第七二三研究所 江苏省扬州市 225101）

现阶段，雷达技术不断发展升级，在信号处理方面提出了更多要求，包括保持数据高精度、可完成大量运算、能处理复杂算法等等。同时，对于雷达信号处理模块来说，其具备明显的兼容性与集成化特征，因此需要以更为灵活的方式实施信号与数据处理。为实现上述目标，切实满足当前对雷达信号处理提出的高要求，在雷达信号处理中引入DSP技术，并依托DSP技术构建雷达信号处理系统受到重点关注。

1 相关概念简述

1.1 DSP技术

1.1.1 DSP技术的主要内涵

DSP技术（数字信号处理技术）主要随着计算机技术与信息技术的发展而兴起与不断发展，发展至今，已然在多个领域内得到广泛性应用。在DSP技术的实际运行过程中，主要在计算机设备、专用处理设备的支持下，以数字的形式完成采集信号、变换信号、滤波、增强或压缩信号、识别信号等处理任务，最终生成人们所需要的信号形式并投入实际应用。通常情况下，DSP 主程序的一般性流程如下所示：在完成上位机的复位后，从FLASH 搬运程序以及数据；初始化处理，在McBSP 的支持下实现对A/D 模块实际工作的设置；等待外部中断；判断是否转入中断状态，若判断结果为“否”则返回上一操作；若是判断结果为“是”，自动跳转至数据采集状态；对采集到的数据实施处理；判断DMA 传输是否中断，若判断结果为“否”则返回上一操作；若是判断结果为“是”，自动将数据传递至上位机内，并反馈等待外部中断步骤，以此循环运行。

1.1.2 DSP技术的主要特点

在使用DSP技术进行数字信号的处理操作中，普遍会产生较多的实时性计算量，且常用FFT 与FIR 滤波法这两种计算方式。海量数据的处理过程中，DSP技术不需要重复性处理数据，因此具备着更为理想的精准程度，且数据计算与处理的速度更快、功耗更低、稳定性偏高。同时，DSP技术还拥有着实时性的特征，可以作为通用处理器，实现对数字信号处理算法现实需求的更好满足。

1.2 雷达信号处理

1.2.1 雷达信号处理系统的基本功能

当接收到雷达回波信号后，雷达信号处理系统可以对相应信号及时实施模数转换，同时全面清除杂波，以此达到强化信号稳定性的效果；抗干扰性能相对理想，即便在存在大量噪声的环境中，依然可以完成目标检测、提取所需要的信息数据，并在人机交互界面上直接现实显示出目标信息[1]。基于此，相关工作人员能够迅速、准确、全面获得目标位置、距离等高价值信息数据。

1.2.2 雷达信号处理系统的发展需求

（1）信号的预处理。在当前雷达信号处理系统的实际运行过程中，要求可以在更短的时间内获取、处理海量的实时性信息数据，为了实现这一目标，应当对信号实施预处理操作，方便后续数据信息处理与应用环节的高效展开。同时，应当持续降低雷达信号处理系统在运行过程中所产生的能源消耗，并保证可以在更为复杂的环境中也能够保持相对理想的运行状态。

（2）主信号的处理。雷达信号处理系统在实际的运行过程中，需要更为灵活的完成数据与信号处理，这需求着更为强大的系统功能支持。基于这样的情况，应当积极引入更多功能软件以及先进技术，以此推动系统在海量数据处理、计算、传输与保存操作中获得更好的效果。

2 DSP技术在雷达信号处理方面的典型应用分析

2.1 基于DSP技术的硬件平台

对雷达系统的实际运行情况、雷达信号处理的现实水平展开全面性了解，并在此基础上在雷达信号处理系统内引入DSP技术，保证提前落实对雷达信号处理系统中DSP技术引入与使用过程中出现的重难点问题，并以此为基础，实现对基于DSP技术的雷达信号处理系统使用规范以及注意事项的明确设定。在当前的信号高速处理实践中，ASIC+DSP+大容量RAM 或是FPGA+DSP+大容量RAM 较为常见用，相比较而言，FPGA 的灵活性水平更为理想，结合DSP技术所具备的良好数字信号处理能力，能够在雷达信号处理过程中发挥出更为明显的优势。同时，在多数DSP 中，普遍包含着大容量RAM，且支持外扩RAM 的加设与运行，因此在海量数据存储方面有着更高应用优势，为雷达处理系统展开目标检测以及录取工作提供更为理想的技术支持。

依托DSP 编程可以实现对雷达信号处理硬件平台的设计与构建，实际运行中，当雷达信号处理系统接收到雷达回波后，即可迅速组织信号转换工作的展开；在FPGA 的支持下，能够采集雷达信号并落实时序控制；依托DSP技术的引入，检测目标并提取信息，并在人机交互界面上反馈目标信息。相比于纯硬件的雷达信号处理系统而言，通过应用DSP 编程后，由于结合应用硬件平台以及软件算法，所以构建起的硬件系统有着更为强大的灵活性，能够参考实际处理需求对参数实施随时变更，因此的搭建起的雷达信号处理系统性能更加理想。

2.2 依托DSP技术的参数化设计

在雷达信号处理系统的实际运行过程中，依托对会对雷达信号产生干扰的回波信号的全面剔除，即可实现对目标的精准检测，并在此过程中提取高价值信息，包括运用参数等等。在针对雷达信号处理系统展开参数化设计的过程中，可以积极引入DSP技术。实践中，将硬件平台的构建作为入手点，结合雷达信号处理系统所具备着的函数特征，对雷达信号处理系实施参数化设计，包括对重频的参数化设计、对雷达信号脉冲的参数化设计等等，以此达到对函数处理过程实施简化处理的成效。

2.3 应用DSP技术的雷达系统功能模块设计

数字类信号是DSP技术的主要处理对象，在使用DSP技术展开对雷达信号处理的过程中，需要先使用数模转换落实对了雷达信号的处理，在此过程中，可以依托DSP技术进行雷达系统功能模块的设计，并在此基础上，使用DSP 编程，对信号处理方式实施优化。实践中，出于对最大程度发挥出DSP技术在高速运算、精准程度理想等方面的优势，应当引入DSP技术（例如FFT 算法等）对数据处理功能模块展开设计，以此实现对雷达信号处理中算法细节的优化改进，促进雷达信号处理程序在雷达系统中的内存占比进一步下降，推动信号处理速度大幅提升，减少数据运算的实际数量，并提升运算的精准程度。

2.4 雷达数字信号处理算法的实现

DSP 是一种面向数字信号处理的可编程嵌入式处理器，拥有较为理想的应用优势，包括处理速度快、灵活性与使用可靠性强、能够进行编程、应用中产生的能源消耗偏低、接口数量多且种类丰富、实时性能良好等等。在雷达信号处理系统中，一般涉及到数据重采样、脉冲压缩、自适应滤波、自适应波束形成、参数估计、恒虚警处理、旁瓣对消等技术[2]，实际运行中，要求实时性完成大量的、重重复程度偏高的计算。通过引入DSP技术就能够收获相对理想的成效。在DSP 中，依托对硬件算术单元、专用寻址单元、片内存储器、流水处理等多种特有硬件结构的应用，即可以依托多种算法并以更快的速度完成数字信号的处理。从这一角度来看，对于DSP技术而言，其适用于雷达数字信号处理算法的实现。

2.5 其他

DSP技术拥有相对强大的存储器管理与计算能力，在杂波强度、面积、多普勒频率、起伏分量以及地杂波的分析过程中发挥出较高的优势，可以促使杂波图得到精准构建，从而为统计分析雷达回波、保存信息以及控制存储器等工作任务的完成提供支持，促使CFAR处理成为现实。能够看出，在雷达信号处理，特别是雷达信号处理系统的设计与实现过程中，DSP技术能够发挥出更为明显的优势与应用价值，灵活性更高、适用范围更广，可以在促进雷达信号处理能力与速度的基础上，推动雷达信号处理系统的性能指标表现出明显上升的状态。同时，DSP技术在多功能可编程并行处理以及阵列处理中也能够展现出较为理想的适用性，可以达到切实满足高速并行处理现实需求的效果。

3 基于DSP技术的雷达信号处理系统的构建方案设计

3.1 系统的总体设计

在本次基于DSP技术的雷达信号处理系统设计中，主要引入上位机、信号处理板、工控机、阵列采集这些单元结构完成搭建，其中，上位机与信号处理板之间使用网口连接、信号处理板与工控机之间使用PCIE 连接、工控机与阵列采集之间使用TCP/UDP 连接。在该系统实际的运行过程中，阵列材质单元承担着采集回波数据的任务，并依托TCP/UDP 将这些数据传递至工控机内；工控机在接收到相关数据后，分析数据以及现实情况，对雷达接受状态进行调控。经过中频处理的回波信号会保存在工控机内，滑窗时间维持在2 秒左右；在PCIE 接口的支持下，这些数据传递至DSP 板卡内进行后处理；信号处理板接受到雷达三波束的中频回波数据，并在完成信号处理后结合网口将这些经过处理之后的数据传递至上位机内，从而实现雷达测距与测速。

为实现上述目标，在本次雷达信号处理系统的设计与构建过程中，处理核心器件选用型号为TMS320C6678 的DSP 芯片。对于该芯片而言，其在实际运行中所产生的能耗更低，且包含着FFT 协处理器，因此性能更为理想。

3.2 数据通信接口的设计

在本系统中，来源于工控机的回波数据主要依托PCIE 传递至信号处理板内，并由DSP 实施后续处理。出于对满足不同系统需求的考量，DSP 可以在多种模式的支持下转入启动状态，利用PCI接口，外部主机向片内存储器加载程序。

上位机将数据传递至DSP 的DDR3 内[3]。实际运行性过程中，DDR3 初始化进程结束后，程序在特定存储器内完成加载；在0 核转入运行状态后，1-7 核内的程序入口地址在各个核内实现保存；依托各核之间的通信实现对中断的触发，从而推动1-7 核转入各自入口地址程序的执行状态。其中，主核、从核的启动流程主要设定如下：第一，主核的启动流程。对BOOTMODE 当前的状态进行检测，判断是否为PCIE BOOT，如果判断结果为“不是”则转入其他后续处理；如果判断结果为“是”，则自动落实对PCIE 工作环境的配置，并等待数据传输工作的展开；等待上位机中断发送，并在Boot Magic Address 内写入对应的入口地址；转入程序运行状态，读取代码，设置IPC 并推动主核core0 启动。第二，从核的启动流程。将IDLE 转入启动运行状态，等待IPCC 消息；对是否接收到IPC 消息实施检测，如果判断结果为“否”则跳转或上一步骤操作；如果判断结果为“是”，则自动跳转到入口程序地址，并执行、运行对应程序。

同时，上位机与DSP 之间的数据传输流程主要设定如下：在完成初始化后，转入网络监听状态；发动连接请求，若请求未通过，则返回网络监听状态；若请求通过，则自动连接主机，并组织数据传输；完成数据传输后，再次返回网络监听环节，循环运行。

3.3 基于DSP技术的多波束雷达信号处理

在PCIE 或是以太网的支持下，信号处理板可以完成与外部之间的数据交换。在单一DSP 芯片内，包含着千兆以太网模块，能够在DSP 与外部设备之间承担起数据传输中介的任务，促使两者之间的数据交换过程更为高效、高可靠性与高安全性。网口通信依托NetCP 提供支持，其中包含着SGMII 接口，数量为2 个。在PCIE 的支持下，DSP 芯片能够与PEX8624 开关之间实现畅通连接，且单一PCIE 数据通路可以为数据传输提供5Gb 左右的传输速度支持[4]。同时，在8 通道PCIE 接口的支持下，上述开关可以将信号处理板连接至外部主机中。在基于7 核的信号处理中，回波数据传递至信号处理板内，并在外部存储器DDR3 中实现保存，对任意通道接收到的回波信号实施处理，包括分离复合信号脉冲、下采样处理等等；随后，设定一组信号包含着12 路信号，以组为单位组织DBF 处理；处理后，结合预存的DBF 系数（相乘），即可获取到第一波束、第二波束以及第三波束的左右波束；对子波束（数量为6 个）分别实施复合信号的脉压以及MTD 处理。

3.4 复合信号的数字下变频设计

宽脉冲与窄脉冲构成本系统中的线性调频复合信号，在数字下变频处理的过程中，可以引入数字正交调解的方式。此时，需要引入脉冲分离处理。以频域为切入点展开分析，宽脉冲与窄脉冲出于对称状态，对称轴为中频16 兆赫兹，分别为1-15 兆赫兹以及17-31 兆赫兹[5]。因此，要引入FIR 带通滤波器，以此完成信号分离处理，为后续回波下变频操作的展开提供基础性条件。选用fir1函数在MATLAB 内实现带通滤波器的生成，提取滤波器系数，并在通过验证后将其导入CCS 与接收回波信号，以此完成卷积处理。在此过程中，如果滤波器产生的通带为1-15 兆赫兹，则实现窄脉冲信号的过滤；如果滤波器产生的通带为17-31 兆赫兹，则实现宽脉冲信号的过滤。

3.5 单波束的脉冲压缩设计

对左右波束实施DBF 处理，导出在MATLAB 内产生的左权值与右权值。此时，通道数量与获取权值数量保持在相同水平。实践中，在MSMC 内映射左权值与右权值，并将其设定为常量；提取从核对应的通道数据矩阵，分别与相应左权值与右权值想成，以此即可实现左子波束与右子波束的DBF 计算；将计算得到的数据在DDR对应空间内保存，以此实现整个左右波束的DBF 处理。

3.6 动目标检测设计

宽脉冲与窄脉冲信号的完整获取是实现动目标检测的基础性支持，其中，宽脉冲主要承担着对远距离目标实施探测的任务；窄脉冲主要承担着对近距离目标实施探测的任务。基于这样的情况，对远距离探测信号与近距离探测信号实施拼接处理为必然选择。对于远近距离门信号的拼接而言，主要结合基于宽脉冲的探测距离门范围以及基于窄脉冲的探测距离门范围，压缩脉冲，并在DDR3 内存在的新矩阵中落实存储。

4 总结

综上所述，DSP 在海量数据存储方面有着更高应用优势，为雷达处理系统展开目标检测以及录取工作提供更为理想的技术支持。在当前的实践中，基于DSP技术的硬件平台、依托DSP技术的参数化设计、应用DSP技术的雷达系统功能模块设计、雷达数字信号处理算法的实现为基于DSP 的雷达信号处理典型应用模式，而为了最大程度发挥出DSP 的优势，应当构建起基于DSP技术的雷达信号处理系统。系统中，通过设置上位机、信号处理板、工控机、阵列采集这些单元结构，能够促使信号处理板在完成信号处理后结合网口将经过处理之后的数据传递至上位机内，由此达到雷达测距与测速的效果，并实现多波束信号的高效处理。