基于TS201的外辐射源雷达信号处理系统

王 魁 杨 健

（清华大学电子工程系，北京，100084）

引 言

外辐射源雷达作为一种不主动发射电磁波，而利用非合作照射信号进行目标探测的被动雷达系统，除了其接收站与发射站分置的双／多基地体制能够有效对抗反辐射导弹和隐身技术外，还具有成本低、机动灵活性强等显著优势，因此近年来一直是一个热点的研究课题［1，2］。

由于采用非合作的辐射源，进入接收通道的雷达信号功率一般比较小，因此通常采用长时间相干积累的方法来获得高信干比的检测信号［3－5］。此外，由于双／多基地体制中特有的直达波和多径干扰问题，需要在处理单元进行运算量巨大的干扰对消处理［6，7］。这些对雷达信号处理系统的动态范围和运算能力提出了较高要求。在工程应用上，实时外辐射源雷达信号处理机需要针对具体所采用的非合作辐射源信号，根据雷达系统的指标参数要求，进行硬件和软件系统的设计。

目前外辐射源雷达处理机的工程方案主要有以下几种：（1）基于计算机的后处理方案，将基带采集数据存储在硬盘中，通过计算机进行后处理，此方案无法满足雷达实时信号处理的要求；（2）基于FPGA的信号处理方案，此方案可以达到很高的处理速度，但在浮点运算和算法设计方面存在较高的工程复杂性；（3）基于DSP的处理方案，此方案既能够保证数据处理实时性的要求，又能满足高动态范围数据处理和各种算法灵活实现的要求，是实现外辐射源雷达处理机的理想工程方案。

本文针对电视伴音外辐射源雷达的大数据量、高实时性、大动态范围的要求，设计了一种基于TS201DSP［8］处理器的信号处理机，通过DSP级联的方式，对经过接收机和数字采样后的基带信号进行流水处理，实现信号预处理、干扰对消、长时间相干处理、恒虚警检测等功能。由于系统要处理的数据量大，而处理结果的实时性要求又较高，因此在信号处理流程方面对系统的DSP拓扑关系进行了优化设计。系统内的数据传输利用处理器自带的高效LINK数据口实现。每片DSP附带SDRAM，作为数据的缓冲存储器。

1 系统设计

1.1 应用需求分析

系统用于基于电视伴音信号的外辐射源雷达信号处理，包括信号预处理、干扰对消、长时间相干处理、恒虚警检测等功能。此外还需要DSP实现信号处理系统初始化、数据采集系统配置和检测数据上报等功能。

雷达系统基带数据率200K／s，积累时间设定为800ms，目标检测距离设定为300km。雷达探测时采用天线扫描方式，对检测信息上报频率要求较高。例如在天线6r／min的扫描速率下，每20°方位对应一次检测，此时检测信息上报时间间隔约为90ms。

可以推算出，在此系统条件下，单次积累运算数据量为160K。此时假设600MHz的TS201处理器最优状态下满额工作，估算时域对消处理时间需500ms以上，二维相关处理时间需450ms以上，恒虚警检测需要50ms以上。由此可见，由于数据量大、运算复杂，单片单级处理系统难以满足实时性、高刷新速率的要求。

1.2 系统方案

系统对处理算法流程进行规划，采用多片DSP处理器级联的方式实现。系统总共采用6片TS201处理器，拓扑关系及信号流向如图1所示。

其中TS1直接与雷达处理机的数据采集系统连接，负责系统初始化、接收机配置、工作模式选择以及采集数据的载入和前级处理，包括幅相校正和增益调整。处理后的数据合并为直达波和回波两个通道，按传输协议打包后传送给后级。TS2对回波中的干扰信号进行对消。TS3，TS4，TS5在系统中处于平级关系，用于进行二维相关运算及恒虚警检测。由于该级运算量巨大，运算结果刷新率要求高，因此分配了三片处理器进行并行处理。TS6对前级得到的检测信息进行数据融合，检测结果加上方位码等信息后，依据通信协议上报给雷达处理机的信息显示存储系统。

图1 系统DSP拓扑结构

TS1的基带采样数据载入采用数据总线DMA方式；TS6的检测结果数据采用通用差分串行总线，依据雷达系统规定协议传输；处理器间的数据都利用TS201自带的LINK数据口，采用DMA方式传输。

每片处理器配备SDRAM，作为本级处理的数据缓冲器。系统配置FLASH存储器，存储处理器的固件程序，系统上电后自动加载。

1.3 系统参数

系统采用6片TS201，主频600MHz，峰值运算能力16GFLOP／s；系统内部数据传输采用LINK口，传输速率250MB／s；系统数据存储量140MB；基带采样数据由TS201直接访问数据采集系统的数据FIFO载入，数据读取率30MB／s；检测结果由通用差分串行口上报，数据传输率115.2Kbps。

2 软件设计

2.1 系统加载及自检

由于本系统采用了多片DSP处理器，拓扑关系较复杂，为满足工程应用的需要，对程序加载和自检方案进行了专门设计。

受限于应用环境的装配约束，处理系统电路板空间有限，因此仅TS1和TS6装配FLASH存储器，独立加载程序。系统上电后，二者分别由各自配置的FLASH进行程序加载。TS1完成自身加载后，从FLASH中读取固件文件对TS2进行动态加载；TS6完成自身加载后对TS3，TS4，TS5进行动态加载。按照总体设计要求，本系统程序加载在2s内完成。

各片DSP在程序加载完成后，进入主程序开始进行配置，之后进行存储器自检。存储器自检采用间隔写入校验字（0x5A／0xA5），读回校验的方式。

TS5是系统中最后一片完成加载及存储器自检的处理器，其就绪后发送命令包到TS2告知就绪，TS2响应该命令并转发到TS1。TS1根据此状态启动数据传输通路检测机制。TS1向数据采集系统发送数据传输测试命令，进行全系统的数据传输通路检测。数据采集系统启动发送一个长度为8K的整型连续数测试数据包，模拟真实工作状态的数据传输。TS1对应启动DMA接收，完成后检查正确性，将状态写入对应状态位保存；之后TS1发送LINK测试命令包到TS2，然后等待返回结果；后续各片按照图2的顺序进行LINK测试包的接收、检测和转发，并将状态写入对应状态位保存。

图2 系统自检流程图

按照总体要求，程序加载和自检在5s内完成。如果数据传输中断，上位机等待超时自动报错。TS1在规定时间内接收到回送的自检包后，解析其中的自检状态位，无异常即自动进入正常工作模式。

2.2 信号增益调整

伴随雷达接收天线转动，进入接收通道的雷达信号强度随方位发生变化。为了充分利用信号处理系统的动态范围，由雷达处理机的TS1处理器实时判断接收信号功率，并对信号采集系统的数控增益进行动态调整。信号采集系统的数控增益分为接收机增益和ADC数控衰减两个环节。调整原则是以固定功率为调整目标，使接收信号与其尽可能接近。接收机和ADC的数控精度不同，分别对应增益粗调和精调，由TS1根据增益调节算法对接收数据进行实时计算设置。

2.3 信号幅相校正

接收通道的采集信号I，Q两通道存在幅度和相位误差，会对后续信号处理的性能产生影响。考虑正交通道幅度不平衡、相位不平衡以及随机误差等因素，在雷达处理机系统中设置幅相校正工作模式。在该模式下，利用信号采集系统的FPGA控制ADC对已知的标准正交信号进行采样，信号处理系统的DSP对ADC数据进行FFT分析，得到正交校正系数并存储在信号采集系统FPGA的修正系数寄存器中。系统工作时，调用该修正系数对I，Q通道的幅、相进行修正，以满足后续信号处理的要求。修正系数可随时进行刷新，以适应系统的变化。幅相校正过程如图3所示。

图3 幅相校正示意图

2.4 数据传输

基带采样信号数据率200K／s，相干积累时间800ms，对应数据长度160K。为了便于数据传输和级联处理，将数据流划分为长度8K的数据块（对应时间50ms）。

信号采集系统的采样数据连续发送到本处理系统的FIFO中。当数据接收数量达到处理门限时，通过中断方式触发TS1的中断响应程序，TS1启动EDMA载入该块数据。主程序的数据接收采取PING／PONG接收机制，PING空间数据载入后，将再次启动DMA，并将目的地址设为PONG空间首地址。一个数据块载入完成后，主程序开始进行处理。为保证不发生数据阻塞，单个数据块处理时间应小于50ms。数据包的协议格式如表1，2所示。

表1 DSP间数据包传输格式

表2 附加格式说明

2.5 软件优化

本系统除了采用处理器流水级联、大运算环节多片并行的拓扑结构外，还充分利用DSP自身的架构特点进行优化，提升处理效率。

2.5.1 Ping／Pong及DMA

处理器间的数据传输全部通过DMA进行。处理器只消耗极短的时间片对传输进行配置，具体数据传输过程由DMA控制器管理。在传输过程中，DSP继续进行数据运算处理。采用Ping／Pong方式提升总线效率，划分独立的存储空间，数据传输和数据处理采用各自空间的数据，互不影响，避免了数据处理阻塞总线或数据传输占用运算时间资源。

TS201提供了24Mbit高速的内置存储器，分为6个独立的blocks，并在片内有两条独立的数据总线和独立SOC总线。系统完全利用该资源，所有数据经外部SDRAM缓存后，在处理前先通过DMA载入内部存储器，再送内核运算单元处理。参考信号和回波信号数据分别存放在不同的block中，且各分为Ping／Pong两套空间，共占4个block；所有运算需要的加权系数、中间数据等，占用另外两个block。当数据中断发生时，DMA控制器将本块数据存入一套空间；同时DSP内核运算单元处理另一套已写入的数据。DMA控制器采用链式方式，参考信号数据块链接回波信号数据块，在数据就绪中断响应程序中启动参考信号传输；参考信号数据传送完成后由DMA控制器自动加载回波数据传输的配置参数，避免了对运算单元的干扰；数据传输完成后产生DMA中断，表示通道空闲。大部分的DMA配置在代码初始化阶段完成；中断响应程序中进行DMA的Ping／Pong地址指向的变换和DMA寄存器写入。

2.5.2 并行处理

TS201是浮点DSP，直接支持浮点数据格式，解决了在雷达信号运算中的大动态范围数据问题。该DSP包含了双运算单元，各包含乘法器、加法器、移位器等；还包含了两套寻址单元，可以提供相互独立的寻址操作。为了满足性能要求，系统对算法进行汇编级优化，使算法中的乘、加和数据寻址运算并行占用对应的功能单元，使DSP核的流水运算单元饱和运行，达到最大的处理能力。

采用汇编并行化优化的算法环节包括干扰对消（LMS算法）、二维相关（预加权FFT、相关运算）。滤波器阶数按仿真分析应大于100阶。在软件处理系统中设为200阶（4的指数倍），以满足TS201的128bit总线宽度，提升总线传输效率。TS2以一个数据块（8K）为单位进行一次对消处理。LMS滤波对消逐点运算处理，设滤波器阶数为N，每次递归的运算量包括以下几个部分，如表3所示。系统流水信号处理时序图如图4所示。

表3 对消算法运算量估计

每个复乘需要4次乘法，两次加法。加法和乘法可以并行处理，不单独计算。因此，两个乘法单元全负荷运行时，一次复乘至少需要2个指令周期。

综上可以得到，M点长的数据块进行N阶LMS对消，系数叠代更新和滤波的运算所耗指令周期约为：10×N×M。运行于600MHz的TS201处理器上，该条件下以上部分运算耗时26.7ms。为了达到最大运算效率，需要充分利用TS201的128bit总线宽度，在处理前需要将数据进行错位排序。此操作耗时小于5ms。

图4 系统流水信号处理时序图

在TS3，TS4和TS5的二维相关环节，主要运算包括预加权操作、延时相关运算和加窗FFT运算。根据仿真分析，设定系统运算参数如表4所示。

表4 二维相关运算参数

所耗费的指令周期分别为N／D×Nh×2和N／D×Tdmax×Nh×2。在TS201处理器上，该条件下以上部分理论运算耗时27.4ms。

恒虚警检测算法不具备连续数据乘加操作的特征，难以针对处理器架构进行优化。该部分算法采用C语言代码实现，利用编译器的代码优化功能进行寻址算法效率的提升。

2.6 系统指标

本系统在外场进行了工程验证，系统指标情况如下：基带数据率：200K／s；信号带标称宽：80 kHz；检测数据刷新率：800ms。50ms数据块处理各种算法耗时如表5所示。

表5 50ms数据块处理算法耗时 ms

3 结束语

针对电视伴音外辐射源雷达的大数据量、高实时性、大动态范围的要求，本文设计了一种基于TS201DSP处理器的信号处理机，通过级联的方式，将算法分布于多级处理器，对雷达接收信号进行流水处理，实现信号预处理、干扰对消、长时间相干处理、恒虚警检测等功能。除利用多片处理器协同工作外，还在软件上对核心运算量大的算法针对处理器架构进行了优化，提升整理处理效率。经过外场试验验证，本平台满足了该雷达系统的功能、性能指标要求。

［1］ Griffiths H D，Baker C J.Passive coherent location radar systems.Part 1：Performance prediction［J］.IEEE Proceedings，Radar，Sonar and Navigation，2005，152（3）：153－159.

［2］ Baker C J，Griffiths H D，Papoutsis I.Passive coherent location radar systems.Part 2：Waveform properties［J］.IEEE Proceedings，Radar，Sonar and Navigation，2005，152（3）：160－168.

［3］ Griffiths H D，Baker C J，Ghaleb H，et al.Measurement and analysis of ambiguity functions of off－air signals for passive coherent location［J］.Electronics Letters，2003，39（13）：1005－1007.

［4］ Stein S.Algorithms for ambiguity function processing［J］.IEEE Transactions，Acoustics，Speech and Signal Processing，1981，29（3）：388－399.

［5］ Tolitieri R，Winograd S.Computing the ambiguity surface［J］.IEEE Transactions，Acoustics，Speech and Signal Processing，1985，33（5）：1239－1245.

［6］ 吴海洲，陶然，单涛.数字电视辐射源雷达基于空域滤波的直达波获取［J］.兵工学报，2009，30（2）：226－230.Wu Haizhou，Tao Ran，Shan Tao.Direct－path signal obtaining to digital video broadcasting transmitter radar based on the spatial filtering［J］.ACTA Armamentarii，2009，30（2）：226－230.

［7］ 陈文英.“空防暗哨”—— 无源雷达［J］.电子工程信息，2006，3：9－13，38.Chen Wenying.“Silent sentry”— Passive radar［J］.Electronic Engineering Information，2006，3：9－13，38.

［8］ Analog Devices Inc.ADSP－TS201TigerSHARC processor hardware reference［EB／OL］.（2013－05－12）.http：∥www.analog.com／static／imported－files／processor－manuals／396096833ts201－hwr.pdf.