（信号与信息处理专业论文）某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究.pdf

摘要 摘要 本文结合某雷达系统介绍了该体制雷达技术的发展和信号处理技术中的一 些关键技术。介绍了某雷达系统的数字波束形成理论以及该雷达系统中采用的自 适应杂波相消技术消除直达波和多径杂波影响的基本原理，重点讨论了在某雷达 系统中利用通用信号处理板实现数字波束形成技术和自适应杂波相消技术，并且 根据通用信号处理板的硬件资源，对数字波束形成技术进行优化，实现数据预处 理与多波束加权运算的并行处理。通过对实测数据的分析，对自适应杂波相消技 术提出改进方案，通过对实测数据的处理，得出应用改进方案对于远距离弱小回 波信息有更好的探测性能，并且结合通用信号处理板详细的讨论了自适应杂波相 消的工程实现。 关键字：数字波束形成自适应杂波相消通用信号处理平台d s p a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e so fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gw i t ha t y p eo fr a d a rs y s t e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h ep r i n c i p l eo fd i g i t a lb e a mf o r m i n g ( d b f ) a n da d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o ni n t h i sr a d a rs y s t e m ，w h i c hp e r f o r md i r e c ts i g n a l r e j e c t i o na n dm u l t i - p a t hc l u t t e rr e j e c t i o ni nr e c e i v i n ga n dd e t e c t i o n t h o s ed b fa n d a d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o na l ep r e s e n t e di ng e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r ma l e d i s c u s s e di nd e t a i lb yt h i sr a d a rs y s t e m a n dd b ff u n c t i o nb l o c ki so p t i m i z e dw i t ht h e h a r d w a r es o u r c eo fg e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m ，w h i c hr e a l d a t ap r e t r e a t m e n t a n do p e r a t i o no fm u l t i b e a m - f o r m i n gc a l c u l a t i o na r ep a r a l l e lp r e s e n t e d w i t ht h eh e l p o fr e a ld a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g ，t h ea d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o nb l o c ki s m e n d e d ，a n dt h ee f f e c to fm e n d e da d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o nf u n c t i o nb l o c ki s g i v e nc o m p a r e dw i t ho r i g i n a lw a y , w i t hw h i c ht h ew e a ke c h oo fm o v i n gt a r g e tc a l lb e d e t e c t e d f i n a l l yt h ee n g i n e e r i n gr e a l i z a t i o no fa d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o nf u n c t i o n b l o c ki sd i s c u s s e dw i t hg e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m k e y w o r d ：d i g i t a lb e a mf o r m i n g a d a p t i v ec l u t t e rc a n c e l l a t i o n d s p g e n e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gp l a t f o r m 西安电子科技大学 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另q 加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期缨z 么冲 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的 复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影 印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥 写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名： 导师签名： 缸t 蜀 至亚 r 期丝翌z ：! ：兰乡 i ：t 期鱼塑z ：厶驾 第一章绪论 第一章绪论 1 1基于通用处理平台的雷达信号处理 大运算量，高实时性，算法复杂是雷达信号处理的主要特征，近年来随着数 字信号处理技术以及高速实时信号处理技术的发展，雷达信号处理也取得了巨大 的进步。 随着近年来数字信号处理技术的发展，雷达系统的硬件平台趋向于通用化、 模块化、数字化，同时高效的数字信号处理器也在雷达系统中大量应用，最常用 的就是d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，d s p 具有高效浮点的运算能力，并且具有 强大的并行处理能力，正是这种强大的数字信号处理能力，令雷达系统的硬件实 现产生了革命性的进步。 d s p 的革命性发展给数字信号处理技术也带来了巨大的变化，d s p 是一种高 性能的数字信号处理器，其内部结构摆脱了冯诺依曼结构，采用了超级哈佛结 构，使d s p 具有更好的高速实时数据处理能力。随着信号处理技术的发展，单片 d s p 构建的系统已经不能满足高速实时系统的要求，产生了由多片d s p 并行或流 水处理的多d s p 处理系统，伴随着信号处理算法的多样性和复杂性，又诞生了适 合大数据量，高速实时系统的通用化信号处理平台，在通用平台上由多片d s p 构 成信号处理的主体，在通用处理平台上还结合了大容量的s d r a m 作为外部海量 存储。同时配有f p g a 或c p l d 芯片用来控制时序，或做一些数掘预处理工作， 以提高整个平台的高速实时性。 d s p 可以提供高效的并行处理能力，面对更为复杂的数字信号处理技术和算 法，还可以使用多d s p 处理，在硬件设计中称为耦合，在d s p 硬件设计中有紧 耦合和松耦合两种技术。紧耦合结构使多片d s p 可以通过数据总线互访，方便实 现复杂的数字信号处理算法，可以将一个大型的复杂算法分解成为并行的或流水 的结构，在紧耦合结构的d s p 硬件平台上实现。紧祸合结构的缺点就是数据总线 共享后导致多片d s p 对外部存储设备访问时容易引起总线竞争。而松耦合结构是 使d s p 以链路口相连，各d s p 可以通过链路口进行点剑点的访问，各自使用各 自的数掘总线，使每一片d s p 都可以独自完成各种数字信号处理算法。两种结构 各有优劣，在使用时要根据选择的数字信号处理算法的不同而是用不同的耦合方 式。 高速实时信号处理对电路和元器件要求很高。目自，j - 的主流d s p ，也是本文所 用到的d s p t s l 0 1 ，是一款高性能处理器，其：i ：作时钟高达3 0 0 m h z ，在通 2 某雷达系统中基丁二通用模块的信号处理技术研究 用信号处理平台上由多片t s l 0 1 紧耦合工作，提高了通用平台的高速实时处理能 力。 在通用平台上进行信号处理技术的开发应采用基于模块化、通用化、软件化 的设计思想来完成实时信号处理任务。通过采用可重构的、可扩展、可升级的通 用信号处理系统，将信号处理技术进行模块化、标准化、通用化。通过灵活的软 件编程来适应处理问题的变化和算法的发展，通过简单的硬件扩展来适应处理规 模的变化，有利于提高信号处理系统的性能。 1 2 论文内容及安排 对于某雷达系统，为了实现实时探测，必须要有性能良好的信号处理算法和 能够支持实现该算法的高速处理器以及处理平台来完成大容量的数据计算。 第一章为绪论。 第二章介绍a n a l o gd e v i c e s 公司的d s p 芯a d s p t s l 0 1 ，并且对其集成开发 环境进行了必要的说明。在此基础上，介绍工程项目中用到的由八片a d s p t s l 0 1 构建的通用信号处理板，并且给出了整个硬件系统的结构框图，说明了信号处理 流程。 第三章介绍在通用信号处理平台上完成数字波束形成模块的设计和优化。 第四章介绍在通用信号处理平台上完成自适应杂波相消模块的设计与实现， 以及为了获得更好的探测效果对该模块进行改进后的算法的实现。 第二章d s p 硬件平台介绍3 第二章d s p 硬件平台介绍 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 是专门用来实现各种 信号处理算法的高速处理芯片。利用d s p 来进行数字信号的处理具有很大的优越 性，其主要表现有运算精度高，软件编程实现算法的灵活性大，可靠性好等方面。它 广泛应用于通信系统、图形图像处理、雷达声纳、医学信号处理等实时信号处理 领域。在本章中，先简要介绍一下a d 公司的a d s p t s l 0 1 ( 以下简称t s l 0 1 ) 芯片以及基于t s l 0 1 的通用雷达信号处理板，并简要说明某雷达系统构成。 2 1 a d s p t s l 0 1 芯片及开发工具简介 d s p 适合于数值计算密集型的应用，如典型的数字信号处理算法包括f f t 、 数字滤波等。d s p 在其体系结构上采取了一系列措施，使其在数学计算方面具有 优越的性能，除了具备普通微处理器所强调的高速运算和控制功能外，针对实时 数字信号处理，d s p 在处理器结构、指令系统、指令流程上加入了一些新的特征。 此外当单片d s p 不能满足运算量和实时性的要求时，还可以用多片d s p 来构成 并行处理系统，以实现更复杂的算法。 2 2t s l 0 1 芯片简介 a d 公司提供了多个d s p 系列，其中的a d s p t i g e r s h a r c 系列中的t s l 0 1 是a d 公司最新推出的基于a d 2 1 0 6 x 的下一代高性能芯片，其内部集成有更大容 量的r a m ，它可以在单周期内执行4 条指令，且可以很方便地实现多片并行处 理系统的扩展，这些新添的特性更增加了高速实时信号处理的可行性。 t s l 0 1 系统结构逻辑框图如图2 1 所示。t s l 0 1 依旧采用超级哈佛结构，并 运用流水线技术，目前可达到8 级流水线( 3 级取指，5 级执行) ，其结构特点如下： ( 1 )具有特殊的指令集和较长的指令字，一个指令字可以同时控制芯片 内多个功能单元的操作； ( 2 ) 片内集成有可由用户自己定义的6 m b i t 大容量s r a m 存储器； ( 3 )具有2 个独立的计算单元，每个单元都有算术逻辑单元、乘法器、移 位器、寄存器组及相关的数据对齐缓冲器，并可通过加速器支持 t r e l l i s 解码( 如v i t e r b i 和t u r b o 解码) 和复数相关运算： ( 4 ) 带有两个i n t e g e ra l u ，每个i a l u 含有两个通用寄存器组，因而具有 某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究 强大的地址产生能力，可支持环形缓冲和位反序寻址； ( 5 ) 支持s i m d 操作。 图2 1t s i o i 系统结构逻辑框图 l 通用算法性能： a d s p t s l 0 1 是由a d s p 2 1 0 6 x 2 1 1 6 x 系列发展起来的一款高性能的静态超 标量处理器，专为大的信号处理任务和通信结构进行了优化。该处理器将非常宽 的存储器宽度和双运算模块( 支持3 2 b i t 和4 0 b i t 浮点及8 ，1 6 ，3 2 和6 4 位定点 处理) 组合在一起，建立了数字信号处理器的新标准。t i g e r s h a r c 的静态超标 量结构使得d s p 每周期能够执行多达4 条指令、2 4 个1 6 位定点运算和6 个浮点 运算。 由图2 1 可知，三条相互独立的】2 8 位宽的内部数据总线，每条连接3 个2 m b i t 内部存储器块中的一个，提供4 字的数据、指令及i o 访问和1 4 4 g b s 的内部存 储宽度。运行在3 0 0 m h z 时，a d s p t s l 0 1 内核的指令周期为3 3 n s 。利用其单指 令多数据特点，a d s p - t s l 0 1 可以提供2 4 亿次4 0 位m a c 运算或者6 0 0 0 0 万次 8 0 位m a c 运算。 表2 1 给出了a d s p t s l 0 1 通用运算性能的有关性能指标。按照1 0 2 4 点复数 f f t 指标来看，a d s p t s l 0 1 的运算速度大约是a d s p 一2 11 6 1 n 的2 8 倍，是 a d s p 2 1 0 6 0 的1 4 倍。 表2 13 0 0 m h z 运行时通用剪法性能 性能指标 l 速度 i 时钟周期 3 2 b i t 算法，6 亿m a c s 峰值性能 1 0 2 4 点复数f f t ( 基2 ) i 3 2 7 6 l 9 8 3 5 第二章d s p 硬件平台介绍 1 0 2 4 点输入5 0 抽头f i r 9 1 6 7 2 7 5 0 0 重f i rm a c1 8 3 o 5 5 1 6 b i t 算法，2 4 亿次m a c s峰值性能 2 5 6 点复数f f t ( 基2 )3 6 7 1 1 0 0 1 0 2 4 点输入5 0 抽头f i r 2 4 o 7 2 0 0 单f i rm a c0 4 7 l a so 1 4 单复数f i rm a c 1 9 p s0 5 7 i o d m a 传输速率 外部端口 8 0 0 m b sn a 链路口( 每个) 2 5 0 m b sn a 2a d s p t s l 0 1 的结构： a d s p t s l 0 1 的结构框图如图2 1 所示。 其中包括： 双运算模块，每个运算模块包含一个a l u 、乘法器、6 4 位移位器和3 2 字的 寄存器组，以及相关的对齐缓冲器( d a b ) ； 双整数a l u ( i a l u ) ，每个有独立的3 1 个字的寄存器组用于数据寻址； 一个有指令对齐缓冲器( i a b ) 、分支目标缓冲器( b t b ) 和中断控制器的程 序控制器： 三条相互独立的1 2 8 位宽度的内部数据总线，每条连接3 个2 m b i t 内部存储 器块中的一个； 片内s r a m ( 6 m b i t ) ； 一个提供与主机处理器、多处理器空间( d s p ) 、片外存储器映射外设、外部 s r a m 和s d r a m 相连的外部端口； 一个14 通道d m a 控制器； 四个链路口； t i g e r s h a r cd s p 使用静态超标量体系结构，其内核能通过两个运算单元同 时执行1 4 条3 2 位指令。由于d s p 在运行期间并不重新排列指令顺序，用户需 要在运行周期以自尊选择哪几条指令并行执行，故程序指令执行的顺序是静念的。 除了少数例外，指令行中无论包含1 条、2 条、3 条，还是4 条3 2 位指令， a d s p t s l0 】都使用一个周期执行完毕。 为了优化d s p 程序的执行，程序员必须遵从指令并行执行规则。总的柬晚， d s p 能否在单周期完成并行执行，依赖于每个指令行中的资源核指令中使用的源 6 某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究 和目标寄存器。程序员能够直接控制三个内核模块i a l u 、运算模块和程序控 制器。 在大多数情况下，a d s p t s l 0 1 具有一个两周期完全互锁的指令流水线，因 此，在任何情况下，当一个运算结果对于另个操作来说是不能使用的时候，d s p 会自动插入一个或多个延迟周期。使用独立指令来高效的编程能够去除大部分运 算和对内存传输的依赖。 另外，a d s p t s l 0 1 通过两种方式来支持单指令多数据操作s i m d 运算 模块和s i m d 运算。程序员能够使用两个运算模块操作相同的数据( 广播发布) 或不同的数据( 合并发布) 。另外，每个运算块能同时执行4 个1 6 位或8 个8 位 s i m d 运算。 2 3d s p 的集成开发工具v i s u a ld s p + + 及软件开发流程 随着信号处理技术的发展、d s p 功能的不断复杂化以及对d s p 产品开发周期 不断缩短，对d s p 开发系统和调试工具也提出了相应的要求，例如为设计者建 立了一个良好的软件环境；可以很方便地对软、硬件进行跟踪和调试等等。为顺 应这种要求，a d 公司的d s p 开发工具也由开发软件包a d id s p 到v i s u a ld s p ， 再到现在的升级版本v i s u a ld s p + + ，功能变得越来越强大。 v i s u a ld s p + + 基本软件包包括两个部分：v i s u a ld s pe n v i r o n m e n t 和v i s u a l d s p d e b u g g e r 。v i s u a ld s pe n v i r o n m e n t 也称集成开发环境( i d e ，i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ，它为d s p 应用程序的开发提供了非常灵活的工程式 管理，包括了创建和调试d s p 工程文件的各种入口。i d e 包含有文本编辑器，可 以创建和修改源文件，并浏览由s h a r ct o o l s 生成的列表( 1 i s t ) 或影射( m a p ) 文件，该编辑器采用多语法彩色高亮条显示，方便查错和修改。它将用于生成可 执行代码所需的一个或多个源文件以及链接描述( l d f ) 文件，集中在一个工程 文件下，可以随时添加和删除。v i s u a ld s pd e b u g g e r 集成了软件模拟器 ( s i m u l a t o r ) 、硬件仿真器( e m u l a t o r ) 和开发板监控等功能，而且都用相同的功 能和统一的图形界面。此外，调试器还支持c 源代码调试，可以同时查看编辑窗 口、输出窗口、反汇编窗口、跟踪变量和堆栈等。在调试源文件时，可以在标号 或地址上设詈断点，也可以在寄存器、堆栈或存储器的位置上设置条件观察点， 根掘不同的条件使处理器挂起等。 v i s u a ld s p + + 将 r 编器、链接器、模拟器、仿真器、引导加载器、c 编译器 等全部集中在v i s u a ld s pe n v i r o n m e n t 和v i s u a ld s pd e b u g g e r 这两个部分。其最 突出的一个特点是在硬件的支持下能在一个界面平台上同时调试多个处理器 程序，这是实时应用中多处理器板优化的关键。多处理器可以同时操作，如单步 第二章d s p 硬件平台介绍7 运行、连续运行和挂起等，也可以只集中在某一个处理器上进行调试，查看其状 态窗口和反馈信息等。 v i s u a ld s p 集成开发环境支持d s p 应用程序开发的整个过程，各种d s p 的 开发调试过程是基本相同的，开发过程如图2 2 所示，一般为： 图2 2a d s p - t s l0 1 的开发i j ；c 程 1 创建一个新的工程。在v i s u a ld s p 下d s p 的所有应用开发都是基于工程的， 所以创建一个工程文件是整个软件开发的第一步。工程文件( 宰d p j ) 中存放程序 的编译链接信息：源文件列表、文件相关信息和开发工具的选项设置等。 2 设置工程选项。在给新建的工程加入文件之前，必须先设置工程选项，否 则就接受默认的设置。 3 添加或编辑工程源文件。用d s p 的汇编语言编写a s m 程序，或者用c 语 言编写c 程序，或者编写c 和汇编的混合程序。 4 编译链接。如果用d s p 汇编语言编写程序，就要用汇编器、链接器将a s m 程序生成可模拟、仿真、固化的代码：如果用c 语言编写程序，就要用编译器、 链接器将c 程序生成可模拟、仿真、固化的代码。链接的功能有两个：一个是将 设计所包括的主程序、子程序、库函数结合在一起，形成一个d s p 的执行代码文 件；再就是在链接过程中，为地址浮动的主程序、子程序、库函数、数据文件中 的各个逻辑段，分配具体的( 绝对的) 、物理存在的存储器地址。因此，在链接前， 用户必须编写一个存储器配胃文件，称为链接描述文件，链接描述文件( 1 d f ) 先对实际存在的存储器、i o 地址空l 日j 进行定义，再将程序中的代码段、数据段 内容指定到这些可用的存储器、i o 地址上。 5 软件模拟。模拟器是一种脱离硬件的纯软件仿真工具，它将程序代码加载 某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究 后，在一个窗口工作环境内，可以模拟d s p 的绝大多数操作。但程序运行速度很 慢，也不能模拟d s p 与外部设备的相互动作。 6 硬件仿真。硬件仿真器要工作必须连接包含d s p 的硬件目标系统，通过 特制电缆将装有仿真软件、仿真卡和p c 机等平台与实际调试的目标系统连接起 来，能真实的仿真程序在实际硬件环境下的功能。 7 固化。将调试正确的程序代码固化到d s p 片外的r o m 或f l a s h 中。 2 4 基于a d s p t s l 0 1 芯片的通用信号处理板简介 某雷达系统的信号处理部分有很大的数据量，而且需要很高的实时性，t s l 0 1 作为数字信号处理的核心芯片可以满足苛刻的实时性要求。为了提高系统的可编 程能力以及方便的进行系统扩展和升级，本文将雷达信号处理机模块化、标准化、 通用化。这样可以通过灵活的软件编程来适应处理问题的变化和算法的发展，通 过简单的硬件扩展来适应处理规模的变化。图2 3 所示的是信号处理板的结构框 图。 前而板b i 出：2 4 - s c s l 5 0 8 个i 。i n k 。i 1 - s c s l 2 6 ( 柠制和时钟) 二】匝亚耍巫 二 l 总缓 厂i i 彳i i - i ，。一。，。，。、，_ j 图2 3 通川信号处理极的结构框图 第二章d s p 硬件平台介纠9 信号处理板采用6 u 的标准，每块信号处理板上叠加两块子板。信号处理板 的核心芯片是8 片t s l 0 1 ，分成a 、b 两组( 每组对应一块子板) 。a 子板d s p 的编号0 3 根据它们的i d 2 0 管脚确定。为区分名称，另一块子板内的u 0 一u 3 也 用u 4 u 7 来标识。这样每块予板上有4 片t s l 0 1 ，它们通过共享总线与s d r a m 、 f i f o 署f l a s h 相连。 选用p c i 9 0 5 4 作为桥接芯片，p c i 9 0 5 4 局部侧的信号( 连d s p ) 与c p c i p c i 总线的接口信号几乎是一一对应的。但c p c i 总线经p c i 9 0 5 4 局部侧信号与d s p 的信号并不兼容，必须用c p l d 进行逻辑转换。c p l d 用来完成译码、控制时序 和控制f i f o 的双向操作。根据t s l 0 1 主机访问的要求，把p c i 9 0 5 4 的地址线l a 2 3 和l a l 9 2 5 连接到c p l d 、d s p 上，把子板a 和子板b 上的地址线a 0 1 和a 1 7 2 3 也连接c p l d 上，在c p l d 中完成译码，用来选择信号处理板中的某个d s p ( 根 据t s l 0 1 的西) 。除此之外，还需要控制d s p 的读写信号( 丽和面) 、主机请 求信号( 丽) 、主机应答信号( 丽) 、d s p 准备好信号( r e a d y a 和r e a d y b ) ， 以及p c i 9 0 5 4 的r e a d y 信号，l w r 信号以及局部中断请求l i n t 信号。 信号处理板的通信示意如图2 2 。每片t s l 0 1 分别与同子板的另两片d s p 用 链路口相连，构成环形通路。同一载板上的两块子板之间的d s p 分别用链路口两 两相连。此外，每片d s p 均有一个链路口引出，用于处理板之间的数据传输。而 且，每块子板均有一个f i f o ，并且定义了一个f p d p 接口，大大提高了系统的数 据输入出能力。在某雷达系统构建中，本文正是充分发挥了f p d p 总线的能力， 才保证了系统的实时性。 2 5 某雷达系统的硬件结构 1 信号处理单元结构： 系统中采用的通用信号处理平台是基于c o m p a c t p c i ( c p c i ) 之上的。之所 以选择c p c i 平台，主要原因是微型计算机非常普及，有完善的操作系统，丰富 的软件，而且各种数字信号处理的工具软件也都是基于微型计算机系统；p c i 总 线是当今最流行的微机局部总线，c p c i 总线与p c i 兼容，改进了机械特性和较 多的扩展i o ，增强了p c i 系统在电信或其它条件恶劣的工业环境中的可维护性、 可靠性及数据通讯能力。 c p c i 总线标准在1 9 9 5 年由“p c i 工业计算机厂商联盟”提出，c p c i 的c p u 及外设同标准p c i 是相同的，并且c p c i 系统使用与传统p c i 相同的芯片、防火 墙和相关软件。在电气规范、驱动软件上说，它们是一致的，因此操作系统、驱 动和应用程序都感觉不到两者的区别，将个标准p c i 插卡转化成c p c i 插卡几 乎不需要重新设计，只要物理上重新分稚就可以了。应该说，c p c i 汲取了v m e l o 某雷达系统中基丁通州模块的信号处理技术研究 总线技术的大部分精华。 c p c i 板卡遵从e u r o c a r d 工业标准，定义了3 u ( 1 0 0 m m 1 6 0 m m ) 和6 u ( 2 3 3 3 5 m m 1 6 0 m m ) 两种板尺寸。c p c i 使用符合i e c 1 0 7 6 国际标准高密度气 密式针孔连接器，其背板连接器共有5 个插座，j 1 j 5 。规范只定义了j l 和j 2 和 的信号管脚。 本文采用的c p c i 系统配置为1 4 槽背板，其中有一块为系统板( s y s t e ms l o t ) 。 系统板即主机板，为所有的硬件板卡提供仲裁、时钟分配和复位功能。主机板负 责执行系统的初始化，管理每一个本地板的i d s e l 信号。与v m e 总线相比，c p c i 总线具有诸多优势：c p c i 的带宽远大于v m e 总线，3 2 位3 3 m h z 的c p c i 总线 的最大传输速度为每秒1 3 2 m b ，6 4 位3 3 m h z 时为每秒2 6 4 m b ，6 4 位6 6 m h z 时 的峰值速度可达每秒5 2 8 m b ；而3 2 位的v m e 总线的最大理论带宽为4 0 m b s 。 2 信号处理整体结构： 系统采取了如图2 4 所示的信号处理方案： 信号天线阵列 j ! ； 一1i 一jr 一1 7 - ! 一 一一自适应杂波相消；一一距离、多普勒处理；一| 一 ：接to ；一一一j 2 。- 。! ：z 鬈嚣桨 参考犬线 ：装： ； ： 矗蓑鬟嚣 一- 。 一。广一一：显小按u ； ：- 一l 一；一- i 一苎雪竺竺翌，! 二竺竺兰吨，! 图2 4 某雷达系统信号处理流程 前端参考和信号天线的数据由接收机获得，再经过信号转接板传至信号处理 系统中。信号转接板和接口板通过d s p 的链路口进行握手。信号转接板通过其板 上的f p g a 模拟d s p 链路口的通信协议，将一秒钟积累时i b j 内的参考天线数据 ( x x xk ) 、x x 路信号天线数据( x x xk x x ) 传输至d b f 板上的s d r a m 中。 前端数据传输每一帧中的参考和天线数据的顺序安排如图2 5 所示。完成x 秒的 数据传输，共需要进行1 0 0 帧这样的传输操作。 斟2 5 每一帧中参考利天线数据的顺序 第二章d s p 硬件平台介绍 经过d b f 之后的f 个波束的数据由前面板的s c s l 5 0 端口，通过f p d p 总线 ( 分别采取一拖二和一拖三的方式) 传送给f 个波束的信号处理板。各个波束的 数据处理结束之后的目标信息再通过各载板上子板b 的链路口0 汇总到检测板。 由于检测板上只有四个可以连接的链路口，所以将波束l 和波束2 的数据通过 d b f 板上两片d s p 进行汇总转接。组合成一路信号，再通过d b f 板上的链路口 传至检测板的链路口0 。 接收机把接收下来的x x 路天线阵列信号和x 路参考信号经过带通滤波，放 大，混频等一系列的处理变成基带的数字信号，由实部和虚部两部分组成。 d b f 进行通道校正后形成f 个波束，并同过两条f p d p 总线分发这f 个波束 的数据。具体结构将在下文中详细讨论。 自适应杂波相消采用的是数字自适应抽头延时线的时域相消结构，其基本原 理在下文中会详细讨论。 距离一多普勒处理模块通过相关和f f t 运算以得到目标的距离和多普勒信息， 其实现结构如图2 6 所示。图中的目标信号抽头延时线的各节延时长度为一个采 样周期，各抽头的输出相当于不同的距离通道的多普勒分布，然后将输出格式转 换为距离频率形式的检测单元数据，进行后面的恒虚警检测。 d 目标距离和多普勒信息 图2 6 距离一多普勒处理方法 检测板是整个信号处理机中信号处理流程的最后一部分硬件板，主要完成对 前面距离多普勒处理单元送过来的二维数组数据做恒虚警目标检测处理，完成测 角，并最终将检测出的目标信息进行航迹处理。工控机通过c p c i 总线读取d s p 中的最终目标信息，将其显示出来。 系统采用的是通用信号处理板( 总共7 块通用信号处理板，如图2 7 所示) ， 通用板有其优点，但它毕竟不是针对某雷达系统而设计的，所以在系统构建时要 考虑到更多的问题。 d b f 板通过链路口接收经过转接板送来的t t 路数据( x x 路信号和x 路参 1 2 某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究 考) ，做完d b f 后形成了f 个数字波束，通过两条f p d p 总线分发这f 个波束的 数据。由于固定波束加权的计算量并不大，用l 片t s l 0 1 就可以及时完成计算。 d b f 模块独自占用一块处理板主要是因为通用板的接口资源有限，1 片d s p 的直 接接口只有两个( 一个公用的f p d p 口，一个链路口) ，满足不了分发大量数据的 要求。 整个系统由七块通用信号处理板( 其中有一块处理板只配备了一块子板b ) 、 接口板、信号转接板构成，具体结构由图2 7 所示。 图2 7 系统硬件结构框图 第二章d s p 硬件平台介绍 某雷达系统为降低旁瓣电平同时也为了获得高的积累增益以提高对动目标的 检测能力，需要对信号进行长时问相干积累。系统采用的是每秒x x xx x x 的采 样率，相干积累时间为y s ，总共x x 路数据，a d 转换器是1 6 位的，这样每个 采样点的实部和虚部可以拼成一个3 2 位数，这样接收的每秒数据总量是： x x xx x x x x = x x x xx x x ( 3 2 位数据，t s l 0 1 是3 2 位的d s p ) ( 2 一l ) 在d b f 中先要把1 6 位定点数转换成3 2 位浮点数，这样数据量就增加了一倍。 每个波束都有l 路信号和l 路参考，于是每个波束的数据长度是： x x xx x x 2 2 = 4 x x xx x x( 3 2 位数) ( 2 2 ) 做完d b f 之后形成了f 个波束，这样需要传出的数据总量是： x x xx x x 2 2 f = 4 x f x x x xx x x ( 3 2 位数) ( 2 3 、) 在实时的、不浪费任何数据的前提下完成信号处理，这个十分巨大的数据量 不仅给随后的计算带来很大压力，更是给数据传输提出了更高的要求。 在d b f 之后是自适应杂波相消模块和距离多普勒处理模块。这两个模块各 占用同一块处理板的两块子板，每块处理板只处理一个波束，那么f 个波束就需 要f 块处理板。 距离一多普勒处理模块在实际系统构成中还完成对目标的检测并把目标信息 通过链路口传给检测板。检测板主要完成测角以及和c p c i 主机的通信。检测程序 的计算量很小，而且只接收f 个波束的很少的目标信息，所以检测板只需一块子 板。一块子板仅有4 个链路口，还差一路接收的端口，故在d b f 板中把两个波束 的目标数据汇总后再传给检测板。由于数据量很小，转接板传输数据时问少到可 以忽略，不会阻塞系统。 2 6 本章小结 雷达信号处理硬件平台采用通用的雷达信号处理板是一种优秀的工程丌发的 模式，专用板可以节省成本，而且可以根据实际的需求设计，但是专用板的升级 性、重构性、扩展性是一个不可避免的瓶颈，根据作者的经验，在通用平台上进 行丌发的时候可以方便的改变算法，也就是说软件编程的灵活性非常好，同时当 _ 血对从t s l 0 1 到t s 2 0 1 的垂直升级时整个处理算法的流程基本上不需要进行大改 动，仅需要修改几个寄存器的设置就可以了。 第三章某雷达系统中的数字波束形成技术1 5 第三章某雷达系统中的数字波束形成技术 d b f ( d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) 技术是一种以数字方法来实现波束形成的技术。 由于在基带上保留了天线阵列单元信号的全部信息，因而d b f 可以采用先进的数 字信号处理技术对天线阵列信号进行处理，以获得优良的波束性能。d b f 波束特 性是由权矢量控制的，关于权矢量的获得：一是用自适应阵列信号处理技术，自 适应的使方向图在目标方向形成极值而在干扰方向形成零点，从而天线具有较好 的自校f 和低副瓣性能，但代价是很高的。另一种方法是采用固定权值的方法， 即用事先准备好的一组权矢量形成n 个固定方向的波束。固定加权的基本原理的 研究已经十分成熟，还有一些实际问题需要考虑。本章主要讨论d b f 在实际应用 中存在的一些问题，对于d b f 的理论并不过多涉及。 3 1自适应波束形成的基本原理 3 1 1固定加权的波束形成原理 数字波束形成保留了天线孔径收到的全部有效信息，它与灵活的数字处理相 结合，具有许多现有常规雷达所不能实现的优异特性。数字波束形成实质上是数 字式空间滤波处理，更为复杂的数字波束自适应零位控制或数字波束自适应副瓣 控制则包括了数字时空二维滤波问题。为简化系统设计，某雷达系统采用了常规 固定加权d b f 技术。 丫 阵列信号 图3 1 阵列大线阵结构 d b f 技术在发射模式和接收模式两种情况下都可以应用，本文所讨论的d b f 技术是针对某雷达系统的。某雷达系统的天线是由x x 个二元八目天线为阵元构 成x x 元等间距直线阵对准目标方向，如图3 1 所示。另外还有一个参考天线做 1 6 某雷达系统中基于通用模块的信号处理技术研究 参考接收工作。所有天线均处于接收状态，接收的0 为回波信号指向各阵元的方 向角，d 为相邻阵元间距，入为信号波长，则相邻阵元的空间相位差为： 西：塾d s i n0 兄 ( 3 1 ) s ，是第i 个阵元收到的0 方向的信号，可以表示为 s j = 彳。p 。地m ( 0 i n 1 )( 3 2 ) 式中2 = 一1 ，a 。为回波信号振幅，巾为基准通道( o 通道) 的相位，n = 8 。接 收通道的波束指向为吼，则阵内相邻通道相位补偿值应为 九：孚掘n o s 九 ( 3 - 3 ) 对s ，进行相位补偿后相加得到的阵列输出为 其绝对值为 y o ：掣墨e 卅i 九) = 缸= s ，卅地九) = 彳o p i = 0 k i = a 。 以竿( 妒俐s i n 【譬( 庐一虢) 】 s i n 【警( 矽一九) 】 s i n 【吉( 一九) 】 s i n 【三( 声一铴) 】 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 从上式可见，l y 。l 的最大值出现在矽= 九处，即0 = 0 厅时输出最大，形成了 这个方向上的接收波束。 降低波束方向图副瓣是d b f 技术实现空域扫描应满足的! r 作条件，为此进行 幅度加权。常用的窗函数由切比雪夫窗，汉宁窗，汉明窗等。令第i 个阵元的幅 度加权系数为臼，则有 式中w ，= 口，p 小以一为复加权系数。这样，通过调整式( 3 3 ) 彰jo 口来调整九 即| l j j 得到所需方向上的接收波束，这就是d b f 的基本原理。 在某雷达系统中d b f 要形成f 个波束，每个波束相距大约x 。以覆盖f 自订方 石 o s 彬 瑚 = 如 八 ps臼 瑚 = k 第三章某雷达系统中的数字波束形成技术 1 7 x x 。左右的空域。为了能准确的完成比幅测角，各阵元信号之问保持严格的相对 相位关系，保持各通道所用的本振信号和中频相参信号的相位应严格相同，各接 收通道也应保持严格的振幅和相位均衡。 从图3 1 中看出各阵元信号均有独立的接收通道，在实际工作环境下，每个 通道都包括阵元和馈电线路，混频，中频放大，i o 支路和a d 变换的数字输出。 任何环节有误差都会引起通道不一致。显然，由于模拟器件和模拟器件所构成的 电路都不可能做的完全相同，并且在工作中，模拟电路的状态也会不断的变化。 因此，对于众多的接收通道要求其工作特性在任何时刻完全一致是不可能的。互 耦的存在使得各个阵元的输出不同，各个接收通道的幅、相误差以及同一通道内 i o 支路的正交误差都是造成通道不一致的重要因素。 基于上述说明，通道之间特性的不一致对于阵列信号处理系统的性能影响非 常大，特别是对于本文所述的某雷达系统中( 连续波体制) ，不论是目标的速度， 角度还是距离都是基于相位的测量，所以相位特性不一致的影响是尤为突出的。 3 1 2自适应d b f 原理 自适应天线由自适应阵列阵元组成接收组件。n 元自适应阵列有n 1 个自由 度，当信号数目小于阵元数时。利用加权信号处理可以在干扰信号到达方向形成 天线辐射方向图零陷，达到删除干扰信号的作用。在信号数目大于阵元数目时， 阵信号加权处理之后可以在干扰方向形成小的功率增益，达到抑制干扰信号的功 能。 自适应处理器是自适应天线系统的核心，波束形成网络的复加权系数是由自 适应处理器进行调整的。波束形成网络加权系数的选择，对多波束天线自适应干 扰调零起决定性的作用，自适应算法是其中的关键。自适应算法的选择决定了在 环境变化时，波束自适应控制能力和反应速度，以及实现算法所需硬件的复杂性。 在自适应天线系统中，常用的最佳加权系数准则有以下三种。 1 最小均方误差( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ) 准则：最佳加权使得阵列输出和有 用信号误差最小，该准则需要参考信号。 2 最大信扰t ：l ( m a x i m u ms i g n a l t o i n t e r f e r e n c er a t i o ) 准则：最佳加权使得输出信 噪比最大，该准则需要事先知道信号的来向。 3 最小方差( m i n i m u mv a r i a n c e ) 准则：最佳加权使得输出噪声的方差最小，该准 则需要事先知道信号的来向。 采用这三种准则的最佳加权系数值都服从“维纳解”( w i e n e rs o l u t i o n ) 。 d b f 技术的发展使天线信号处理可全部在取样后用数字方法来完成，因而提 供了不失真地进行多种复杂信号处