引言
dsp是一種基於精簡指令集的可編程數學計算晶片，可以對數位訊號進行時頻域變換、頻譜分析、濾波、估值、增強、壓縮等處理，廣泛應用於家用電器、多媒體系統、雷達、衛星系統、移動通信、網絡會議、醫學儀器、實時圖像識別與處理、語音處理、自適應制導控制、模式識別、定位、導航、聯合戰術無線電系統和智能基站等領域。本文重點介紹通用dsp在雷達信號處理系統中的典型應用，以及研製基於dsp的雷達信號處理系統的關鍵技術。
dsp在雷達信號處理中的典型應用
作為面向數位訊號處理的可編程嵌入式處理器，dsp具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實時性好等特點。雷達信號處理系統所涉及的主要技術，包括數據重採樣、參數估計、自適應濾波、恆虛警處理、脈衝壓縮、自適應波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重複性的實時計算。dsp可以利用硬體算術單元、片內存儲器、哈佛總線結構、專用尋址單元、流水處理技術等特有的硬體結構，高速完成fft、fir、複數乘加、相關、三角函數以及矩陣運算等數位訊號處理。因此，dsp非常適合雷達數位訊號處理算法的實現。
fft是雷達信號處理的重要工具。dsp內部的硬體乘法器、地址產生器（反轉尋址）和多處理內核，保證dsp在相同條件下，完成fft算法的速度比通用微處理器要快2到3個數量級。因此，在雷達信號處理器中，大量採用dsp完成fft/ifft，以實現信號的時-頻域轉換、回波頻譜分析、頻域數字脈衝壓縮等。
fir濾波器是雷達信號處理中常用設計之一。在動目標指示（mti）或動目標檢測（mtd）中，採用fir濾波器可以濾除雜波幹擾，提高信雜比，而通過恆虛警處理（cfar）完成目標的檢測。在機載都卜勒雷達中，為了抑制地雜波的幹擾，採用了複雜的自適應濾波器組。在陣列信號處理以及波束形成中，進行數據校正及加權係數計算和控制，均需要大量的複數運算。這些複數加權濾波器、都卜勒濾波器組或者矩陣運算都是覆信號的乘法累加運算，可根據不同算法的需要，採用dsp進行靈活編程實現。
數據重採樣主要是為了得到雷達回波數據局部細節信息，實現數據校正或者配準。例如在sar圖像處理中，距離徙動校正中的多點插值算法和insar進行圖像配準之前進行8倍像素細化，均可採用dsp完成一維和二維的插值運算。
dsp在參數估計方面也得到了廣泛應用。典型的應用實例是sar成像處理中的最大對比度算法。最大對比度算法是一種優秀的都卜勒調頻斜率估計方法，它通過對方位向數據的重複脈衝壓縮，最後通過計算對比度，得到最優的普勒調頻斜率。其中，採用dsp完成大量的fft、ifft和複數乘法，實現實時的參數估計。
此外，dsp可以利用其存儲器管理和計算能力，分析雜波強度、面積、雜波的都卜勒頻率、起伏分量以及地雜波等，建立雜波圖，完成雷達回波的統計分析、信息保存及存儲器控制等任務，最終實現cfar處理。
由此可見，dsp在雷達信號處理器設計中具有很大的靈活性和適用範圍，它不僅增強了信號處理的速度和能力，大大提高了信號處理系統的性能指標，而且適合多功能可編程並行處理和陣列處理，滿足高速並行處理的要求。
基於dsp的新體制雷達信號處理系統的關鍵技術
高適應性和多功能是現代雷達系統所應有的兩個基本特徵，一方面要求雷達在複雜雜波環境下具有很高的檢測概率和很低的虛警率；另一方面要求雷達在相同的平臺上具有多功能，不但需要發現並測定目標的位置和運動參數，還要進行分析處理，判定其屬性和威脅程度，進行輔助決策，並將目標信息直接傳遞給信息中心。因此，在現代雷達信號處理系統的設計中，不僅要考慮運算量、運算速度、數據傳輸速度、體積的要求，還要考慮系統的標準化、通用性、模塊化、可擴展性及其相關的技術。下面從系統結構、數據傳輸與互連技術、存儲技術和軟體開發四個方面介紹dsp在雷達信號處理系統的應用。
基於dsp的雷達信號處理系統結構設計
現代雷達信號處理系統是典型的實時並行處理系統，採用模塊化設計，多種模塊構成一個通用硬體平臺，根據軟體雷達的思想，通過改變算法和軟體，使其適應不同的工作環境和任務需要。由於多dsp處理模塊具有運算密集、體積小、實時性好以及處理時間可嚴格預測等特點，通常可作為系統的核心模塊。例如我國最新研製的wrsp1（weather radar signal processor 1）全功能天氣雷達信號處理器，由三類標準模塊構成，採用了多dsp並行方式，通過軟體編程能夠實時完成當今天氣雷達信號都卜勒處理的ppp（脈衝對）、fft等五種算法，與我國原有系統相比較，具有高集成、高精度、高度靈活、高穩定、高成像質量和低成本等特點。
另外，同一種dsp處理模塊採用不同的結構進行組合，也會直接影響系統的工作效率、適應性等技術指標。國內某大學研製了大存儲容量4 dsp通用高速信號處理板，並採用多種不同結構應用於sar實時成像處理器研製中。圖1（a）採用並行處理方式，處理模塊中的多個dsp組成一個獨立處理單元，運行相同的成像處理程序，負責一景圖像的處理。系統的多個模塊完成多景圖像的處理，是典型的單指令流多數據流（simd）結構。該結構可以適應大多數sar成像算法。圖1（b）採用總體串行、局部並行的布局，對於距離脈壓，採用串行處理，提高處理速度；對於方位向處理，採用並行處理，完成參數估計和方位向脈壓，是典型的多指令流多數據流（mimd）。mimd結構處理效率高，但是系統結構和算法流程存在相當程度的耦合，算法適應性不如前者。
根據上面的實例，對現代雷達信號處理系統結構特點做如下總結：（1）採用模塊化設計，能夠通過簡單地增加或者刪減模塊數量，調整整體系統處理能力；
（2）內部模塊以及外部設備之間，採用標準的接口和傳輸協議，保證良好的可擴展性；
（3）處理模塊具有海量存儲、高速數據傳輸和密集運算能力，能夠適
應多種算法的需要；
（4）系統具有良好的互連方式，可以適應多種拓撲結構，便於系統結
構優化；
（5） 接口模塊具有可編程能力和高速存儲能力，能適應外部設備和
數據傳輸率的變化；
（6） 硬體對軟體有良好的支持，通過軟體編程實現不同的算法，完成
對回波信號的處理。
數據傳輸與互連技術
數據傳輸與互連技術的選擇直接影響雷達信號處理系統結構。數據傳輸與互連技術隨著dsp晶片技術發展而逐步完善更新換代。在此將相關技術分為4類，進行分析和比較。
（1）基於高性能工作站或者分布式通用計算機網絡構建的實時雷達信號處理器，通常採用千兆乙太網或者光纖網絡，構成系統的互連結構。其特點是技術成熟，可構成不同的拓撲結構。但是網絡結構傳輸速率相對較低，難以滿足sar、相控陣雷達等信號處理中的海量數據傳輸要求，通常用於雷達系統目標信息交換和組網。
（2）採用總線結構實現數據交互是常見的一種數據傳輸與互連技術，可以分為專用總線和通用總線兩類。專用總線應用較少，而通用總線如pci系列、vme系列等，由於是工業標準，可以得到很多廠商產品和軟硬體技術支持，有著廣泛的應用。現有的高性能dsp都開始提供通用總線接口，例如tms320c64系列、powerpc系列都提供了pci或者pci-x總線接口，sharc系列dsp若需要進行簡單的邏輯轉換便可直接與pci總線連接。dsp藉助總線接口，通過pci橋可以實現多dsp總線互連，共享彼此的資源，使dsp之間可以直接進行數據交換。通用總線結構存在的主要問題是：當系統總線存在多個設備時，每個設備共用總線帶寬，需要通過仲裁分時佔用總線，造成每個設備可使用的總線帶寬不足。通用總線提高性能的辦法是增加總線位寬，提高頻率，流水處理，切分傳輸。
（3）交叉開關數據傳輸與互連技術是一種動態互連技術，採用通道開關或者asic晶片實現，可以動態地改變拓撲結構，使用戶在通信過程中能方便地實現點對點的數據傳輸，提高通信帶寬。該技術是目前發展最快的高速數據傳輸與互連技術，部分dsp如mpc85/86系列提供了rapidio接口，可以直接實現晶片以及板間互連。部分針對dsp的橋接晶片也提供了交叉開關互連接口，如starlink接口等。
（4）專用數據傳輸與互連技術是指一些dsp等晶片獨有的數據傳輸技術。典型代表是sharc系列dsp使用的link技術。link技術可以使所有dsp之間形成一個立方體連接形式，實現一種動態的全網際網路；通過中間結點的接力，使得任意兩dsp均可互通。因此，基於sharc系列dsp構建的處理板，既可以實現板內互連，又可以實現板間互連。但缺點是採用了存儲轉髮式的操作，延時大，降低了數據傳輸的效率。
由於各種傳輸與互連技術都各有優缺點，雷達信號處理器在設計中通常採取總線+專用數據傳輸與互連技術，或者總線+交叉開關等方式，構成dsp、模塊或者設備之間的數據傳輸和系統互連的通道，保證系統良好的可靠性和可擴展性。
存儲技術
隨著晶片製造技術的發展，通用dsp採用多內核技術，工作主頻越來越高，運算速度不再是雷達信號處理的瓶頸。在一些新體制雷達中，如sar成像處理器和相控陣雷達信號處理器中，需要進行海量數據存儲和處理，存儲技術就成為實時處理的關鍵技術之一。
雷達信號處理器的數據存儲載體分為動態存儲器（dram）、靜態存儲器（sram）、雙口存儲器（dual-port ram，簡稱dpram）、先進先出存儲器（fifo）等。此外，硬碟和磁帶也可用於原始數據和處理結果的存儲，例如sar成像處理系統的存儲子系統設計。fifo、dpram和sram通常用於局部存儲器設計，存儲空間有限，而sdram具有容量大、成本低、速度快的優點，通常作為數據矩陣的存儲介質。sdram對於連續地址存儲空間的訪問效率非常高，但是在地址跳變的隨機訪問情況下，大量的翻頁操作使得訪問效率降低數倍。例如在sar成像處理中，需要對數據矩陣轉角存儲。一般情況下，數據矩陣在存儲器中以行為單位順序存放，當dsp讀取矩陣列時，由於進行非連續地址訪問，嚴重降低了sdram的讀寫效率，直接影響實時成像。
當前，高性能dsp，如ts201/101和tms320c6000系列，都提供了sdram控制器，實現了dsp對海量數據的高效管理，但是，相對於新一代雷達對存儲能力和訪問速度的需求還存在一定的差距。許多公司提供了更先進的接口技術，例如tundra公司的tsi108接口橋晶片就提供了2gb空間、133mhz的ddr sdram控制器。此外，還可以通過fpga開發ddr sdram和ddr ii sdram控制器，使dsp訪問sdram效率得到成倍提高。
雷達信號處理器軟體的開發
軟體是系統的靈魂，硬體是系統的基礎。雷達信號處理系統軟體開發不同於一般的軟體，其核心是基於dsp的嵌入式軟體，主要任務不是對數據執行變換，而是在各種硬體設備上執行相應的算法，完成相應的功能，而計算機僅僅提供人機互動界面，進行系統監控和顯示結果。這種軟體系統的開發採用了分層方法，把軟體分為底層軟體和頂層軟體兩個相對獨立的部分。其中底層軟體完成 dsp 等硬體資源的控制和相應的算法，頂層軟體運行於底層軟體之上，完成面向用戶的應用級設計。這種層次化的軟體結構，可以提高整個軟體系統的可維護性、可移植性、通用性；而且由於軟體開發人員只需要考慮自己層次的開發內容，有效提高了軟體代碼的開發效率。下面重點討論底層軟體的開發。
底層軟體包含嵌入式軟體，主要完成 dsp 寄存器、存儲器的操作，控制多 dsp 間的通信，以及處理在多個 dsp 之間的分配等任務。需要研究、解決底層控制軟體與硬體平臺的最優適配問題，包括多 dsp 之間的通信協議、多 dsp 的控制信令設計、處理任務的粒度劃分、處理任務的動態調度和分配等。底層軟體非常強調時間性、並發性、活動性、異構性、反應性，一般採用數據流驅動。當雷達信號處理系統的規模越來越大，軟體高度複雜，任務調度和分配頻繁，這時需要採用實時作業系統完成上述軟體功能。當前市場上的實時作業系統主要有wind river systems公司開發的virtuoso、vxworks，qnx系統軟體公司的qnx，美國微軟公司的windows ce等，其中vxworks得到了廣泛的應用。
vxworks是一個實時的多任務系統，由一個體積很小的內核以及一些可以根據需要進行定製的系統模塊組成。微內核支持實時系統的一系列特徵，包括多任務、中斷支持、任務搶佔式調度和輪轉調度。微內核設計使vxworks縮減了系統開銷並加速了對外部事件的反應。vxworks內核只佔用了很小的存儲空間，並可高度裁減，保證了系統能以較高的效率運行。vxworks具有專門為實時嵌入式系統設計開發的作業系統內核，提供了高效的實時多任務調度、中斷管理，實時的系統資源以及實時的任務間通信。因此，在dsp軟體開發過程中，用戶可根據需要對vxworks相對獨立的目標模塊進行裁剪和配置，然後自動連結，完成系統的功能。因此，對於多dsp系統採用vxworks開發，可以提高效率，並有效地保證軟體的安全性、可靠性和可移植性。
結束語
近年來，國內外雷達技術研究進展迅猛，各種新體制雷達相繼問世，對雷達信號處理器的處理能力、存儲能力、可擴展性、軟體開發以及數據傳輸與互連能力等各個方面都提出了更高的要求。dsp技術的採用，增強了數據處理能力，提高了系統的性能指標，促進了現代雷達信號處理技術的發展。尤其是各種新型的dsp產品，對軟體、外圍接口技術和互連技術的良好支持，使雷達信號處理平臺系統結構、拓撲結構得到優化，系統的可擴展性得到提高。隨著dsp的開發和應用的深入，dsp將在信息與信號處理、通信與信息系統、自動控制、雷達、軍事、航天和航空等許多領域得到更加廣泛的應用。