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基于多DSP的雷達檢測錄取器的設計
基于多DSP的雷達檢測錄取器的設計
 更新時間:2009-6-5 9:13:13  點擊數:2
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【摘要】 介紹了以多片DSP和可編程器件可編程門陣列(FPGA)相結合構成的雷達檢測錄取單元,給出了系統的軟件流程圖,分析了實時處理的速度。用此方法設計的雷達檢測錄取器具有體積小、可靠性高、通用性強的優點。
  【關鍵詞】 多DSP,FPGA,雷達檢測錄取

1 引言

  現代雷達的檢測錄取器不但要完成目標信號檢測、回波信息的提取, 在三坐標雷達和一些機載、艦載雷達中還要求錄取器對目標角信息進行預處理、完成距離解模糊等功能。因其實時性的限制,傳統的檢測錄取器只能用硬件實現。由于雷達數據率的提高,帶來了設備量的成倍增加及聯調復雜的矛盾,很難適應現代雷達的各種需求。DSP芯片以高速、穩定、方便、價廉的特點,在信號處理、通信等許多領域得到了廣泛的應用。本文所介紹的DSP檢測錄取單元,采用AD公司新推出的ADSP21060芯片與大規?删幊蘁PGA結合,硬件資源根據需要自由配置,內部運算由指令完成,系統級聯后可適用于不同雷達的檢測錄取。采用這種檢測錄取單元大大減少了系統的設備量,縮短了研制周期,使產品可靠性更高,柔性更好,通用性更強。

2 檢測錄取的基本原理

  檢測錄取是雷達的重要組成部分,檢測錄取工作的好壞,直接影響后級數據處理計算機對目標的跟蹤質量,從而影響整個雷達的性能。圖1是雷達檢測錄取的基本原理框圖。

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圖1 檢測錄取的原理框圖

  雷達的檢測錄取,前級送來和、仰角差、方位差三個通道數據,每個通道又包含I、Q兩個正交分量。檢測錄取的主要工作是對和支路回波信號進行信號積累和門限判別,如發現目標,則對仰角差支路和方位差支路的數據進行通道修正和測角運算,產生方位、仰角及距離的估值,數據結果錄取緩存后送數據處理機。下面對檢測準則的判定及方位仰角的運算作一簡述。

2.1 目標檢測準則的判定

  目標檢測器有多種類型,這里以相掃雷達為背景,用常規的二進制檢測為例加以說明。檢測門限的選值應保證在虛警概率Pfa一定的條件下,使檢測概率Pd最大。

(1)

(2)

式中:N為雷達掃描某波位的重復周期數,K為某距離單元判為有目標至少必需具有的過第一門限的個數,即第二門限的值,Pd1為單次照射周期檢測概率,Pfa1為單次照射周期虛警概率。
  從(1)、(2)式可以看出,檢測性能既和Pd1 、Pfa1有關,又和第二門限K的值有關。而Pd1 、Pfa1是由第一門限決定的,根據迭代法求出以上K的值。在實際過程中,也可用經驗公式表示為:

(3)

  二進制量化檢測的具體過程為對雷達掃描波位內每個距離單元的所有重復周期過一次門限總數的統計,結果與K值比較,如大于等于K值,則判該距離上有目標。

2.2 目標方位及仰角的運算

  當某距離上發現目標后,就必須對目標的角度進行估值運算。根據函數運算得到目標與波束中心偏移的仰角和方位增量及偏轉方向。
  設第i個目標采樣輸出值為:
  IΣ(i):和支路I通道第i個目標輸出值,QΣ(i):和支路Q通道第i個目標輸出值;IΔα(i):方位差支路I通道第i個目標輸出值,QΔα(i):方位差支路Q通道第i個目標輸出值;IΔβ(i):仰角差支路I通道第i個目標輸出值,QΔβ(i):仰角差支路Q通道第i個目標輸出值;KΔα、KΔβ:方位差、仰角差支路對和支路的增益修正系數;FΔα〔x〕、FΔβ〔y〕:方位、仰角的角敏函數。
  以和支路對差支路進行幅度歸一化,經過通道修正后得到第i個目標方位與波束中心偏移值為:

(4)

第i個目標仰角與波束中心偏移值為:

(5)

  偏移方向的確定:由于實際系統允許有一定相位誤差,當(6)式的值小于90°時,偏移方向為同相;(6)式的值大于90°時,偏移方向為反相。

(6)

  檢測錄取經過以上運算,將形成的點跡信息送數據處理,由計算機進行跟蹤處理。

3 多DSP的雷達檢測錄取器硬件的實現

3.1 ADSP21060芯片簡介

  ADSP21060的主要特點:
  
.
獨立的并行運算單元:ALU乘法器、加法器和移位器都執行支持IEEE32位單精度浮點數的數據格式,運算全部為單周期指令,采用四級流水結構取指令運算,其浮點運算周期達到25ns~50ns,三部分可并行處理。
  
.
片內雙口SRAM:有4Mbit的片內SRAM,一個周期可同時完成讀出與寫入操作,可用于不同的代碼和數據存儲,可隨機配置16位或32位、48位字寬和深度。
  
.
DMA總線結構:10個DMA通道,可設置成2個串口、4個連接口、4個外部并口格式。
  
.
可在時鐘為20M-40M的速率下運行。
  
.哈佛結構總線:雙數據線,程序指令,輸入/輸出口全并行運行。

3.2 系統硬件組成

  從通用性考慮,采用ADSP21060芯片與大規模可編程FPGA及少量外圍芯片組合一個高速檢測錄取單元。三坐標雷達一般有3個通道6路數據,分別為和支路(I、Q)、仰角差支路(I、Q)和方位差支路(I、Q)。如每個DSP處理單元接收處理一個通道的數據,則一部三坐標雷達只要三個DSP處理單元即可解決其檢測錄取的數據輸入,目標回波信息錄取緩存后,數據通過另一單元送出(圖2)。四個處理單元的數據總線、地址總線、DMA總線、HOST界面并接即可實現一多DSP芯片系統。ADSP21060的HOST接口允許在使用少量附加硬件的情況下,完成芯片與標準微處理總線的連接,支持同步和異步數據傳送,采用握手信號REDY來識別每一次傳送的結束。HOST可以訪問任何掛在總線上的芯片,這些芯片可以用芯選信號來選,又可采用存儲器映射的方法。對于每片ADSP21060,均有10個DMA通道可設置,實現各處理單元間的數據傳送。不論雷達檢測錄取內容如何變化,均可通過軟件的編程來完成其功能。如雷達增加匿影通道等,可級聯增加DSP處理單元。

圖2 雷達檢測錄取的實現

  高速檢測錄取單元如圖3所示。在該單元內EPROM提供DSP所需的指令及對FPGA的編程加載,FPGA可根據需要編程為對外控制與接口電路。 FPGA上的I/O口與DSP芯片的數據與地址總線相連,數據通過FPGA與DSP數據總線進行交換,DSP芯片上的FLAG0~3可提供一些對外數據交換的控制信號。

圖3 高速檢測錄取單元框圖

3.3 系統DMA通道的定義

  檢測錄取中各單元間的數據傳輸主要通過DMA總線進行。傳統的中斷傳送方式是由CPU通過程序來傳送數據的,每次還要作保護斷點、保護現場等操作。這對高速外設和成組交換數據速度顯得太慢。DSP芯片所具有的DMA總線方式傳送數據,即直接存儲器存取方式,確保了雷達系統的高實時性要求。DMA方式傳送數據不通過CPU,而由外部設備和內存直接交換數據。ADSP21060可以在內部存儲器、外部存儲器與外設之間進行DMA操作,也可以在內部存儲器和串口或連接端口間作DMA。此時,CPU將總線控制權交給DMA控制器,CPU只需對DMA控制器進行初始化,即該DMA通道的數據傳送方向(讀還是寫)、數據存取內存的首地址、地址增量、傳送字節數等,大大提高了數據的傳送速率,節省了程序的運行時間。檢測錄取各單元的DMA通道定義見表1。

表1 檢測錄取的DMA通道定義

DMA通道

DMA工作方式數據傳送方向

主 要 作 用

檢測錄取
單元1

DMA1

并口數據線

輸入

接收和支路(I、Q)數據

DMA2

連接口0

輸出

向單元2送目標和支路信息

檢測錄取
單元2

DMA1

并口數據線

輸入

接收仰角差支路(I、Q)數據

DMA2

連接口0

輸入

接收單元1來的目標和支路信息

DMA3

連接口1

輸出

向單元4送目標仰角信息

檢測錄取
單元3

DMA1

并口數據線

輸入

接收方位差支路(I、Q)數據

DMA2

連接口0

輸入

接收單元1來的目標和支路信息

DMA3

連接口1

輸出

向單元4送目標方位信息

檢測錄取
單元4

DMA1

并口數據線

輸出

向數據處理送目標回波數據

DMA2

連接口0

輸入

接收單元2來的目標仰角信息

DMA3

連接口1

輸入

接收單元3來的目標方位信息

4 雷達檢測錄取器的軟件設計

4.1 軟件組成

  檢測錄取軟件主要根據系統要求編寫相應的程序,每個檢測錄取單元實現部分檢測錄取功能,各個模塊之間通過DMA通道實現數據傳輸。檢測錄取軟件主要分為以下幾部分:
  
.
檢測錄取單元1:檢測模塊;
  
.
檢測錄取單元2:仰角判別模塊;
  
.
檢測錄取單元3:方位判別模塊;
  
.檢測錄取單元4:目標錄取模塊。

4.2 軟件運算速度的估算

  從以上可以看出,雷達檢測錄取的數據處理過程基本是流水作業方式。從運算量來看,顯然角度判別模塊的運算量最大,它要對雷達回波的每個重復周期都作角度判別、極性判別、通道修正等處理,是系統處理的瓶頸。下面對雷達最高處理能力作一估算:
  該雷達主要有搜索與跟蹤兩種工作方式,當處于搜索方式時,前一級提供的最高數據速率假定為104MHz。在雷達工作整個作用距離內非每個距離單元都有目標,假定每波位目標數不超過50個,相對于某重復周期內每個目標的角度判別運算量最大約為600條單指令周期,則在最短重復周期下處理速度達到 10MIPS,可滿足系統要求。當處于跟蹤方式,在最短重復周期下處理能力必須達到12MIPS以上。由此可見,雷達重復周期的長短及單周期內目標數的多少受DSP芯片處理速度的制約,即處理速度越快,就可在較短的重復周期內對更多的目標進行角度處理。ADSP21060的處理能力最快能達到 40MIPS,因此滿足該雷達的處理速度要求。

4.3 程序流程框圖

  圖4~6 給出了檢測模塊、仰角判別模塊及目標錄取模塊的程序流程圖,方位判別模塊的框圖與仰角判別模塊相似,在此略去?紤]到系統的實時性要求及程序的執行效率,運算量大的地方,如目標檢測運算、角度判別等,用匯編語言編寫。在高級語言編譯器的支持下,在運算量不大的地方可采用高級語言。使用這種方法,既可縮短軟件開發的周期,提高程序的可讀性和可移植性,又能滿足系統實時運算的要求。

圖4 檢測模塊程序框圖

圖5 仰角判別模塊程序框圖

圖6 目標錄取模塊程序框圖

5 系統的仿真及調試

  DSP高速處理單元可實現6片DSP的級聯,通過一個標準JATG口,用計算機對其中任一片DSP芯片實現仿真運行。JATG具體接口如圖7所示。

圖7 多DSP芯片的系統仿真連接

6 結束語

  隨著DSP技術的日臻成熟,它的應用已滲透到了各個領域,在雷達檢測錄取中的使用,充分體現出了DSP芯片在數據處理上速度塊、體積小、靈活方便的優點。本文采用了多DSP實現雷達的檢測錄取,在系統中采用了高集成度、高速高性能的芯片,加上靈活多變的可編程結構,易于實現模塊化設計,但因其速度快,時鐘速率高達40MHz,在印制布線、系統接地設計、外設電纜的屏蔽等要充分考慮到電磁兼容性的影響。

作者簡介:錢 芳 工程師,1989年畢業于東南大學無線電工程系,獲學士學位。主要從事相控陣雷達的控制、檢測與錄取技術研究。目前研究的重點是DSP芯片在雷達中的應用。
     王 銳 1995年畢業于東南大學無線電工程系。現在南京電子技術研究所從事信號處理研究工作。

作者單位:南京電子技術研究所 南京210013

參考文獻

  1 ADSP-2106X SHARC User′s Manual. Analog Devices Inc.,1995
  2 丁鷺飛,張平編.雷達系統.西安:西北電訊工程學院出版社,1984
  3 劉剛.同一波束內多目標角誤差信息提取技術及其精度分析.現代雷達,1998,20(3):38~43
  4 張雄偉編.DSP芯片的原理與開發應用.北京:電子工業出版社,1997

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