多核DSP通用信号处理模块设计

朱玉军，邹绍涛，张绍华，唐亚川

（零八一电子集团有限公司，成都 611731）

1 引言

信号处理是现代雷达的核心，实现目标的检测、跟踪、成像及目标识别，并且集成了角度解算、距离跟踪、速度测量等功能。信号处理功能的增加及性能的提升，要求信号处理硬件模块具备一定通用性，系统软件功能可升级、可重构。FPGA+DSP是目前雷达信号处理系统主流的平台架构形式。DSP除了具备FPGA的功耗低、良好环境适应性优点外，还具备多种高速交换网络和共享总线，可实现系统良好扩展，适合构建大带宽、复杂流程的雷达系统。

TMS320C6678是TI公司高性能多核DSP，其单片集成了8个TMS320 C66xDSP 核，单核可达40GMAC 的定点计算性能和20GFLOP 的浮点运算速度。TMS320C6678还集成了包括串行RapidIO、PCI-Express、Hyperlink 等的高速接口，支持芯片到芯片和板卡之间的通信，便于多片扩展。

基于多核DSP的优异性能，本文以TMS320C6678和Virtex-7系列FPGA为核心器件，设计基于VPX总线的通用信号处理模块，该模块能够满足各种常规体制雷达的信号处理功能需求。

2 系统设计

2.1 系统构成

本模块采用VPX总线标准的6U尺寸设计，主处理芯片为2片TMS320C6678，1片Virtex-7系列XC7VX485T的FPGA。如下图1（a）所示，两片DSP之间通过PCIe、Hyperlink高速差分互联，其中每片DSP外挂4GB的DDR3作为外部存储，FPGA与DSP之间接口则包含SRIO、I2C、GPIO、EMIF、UART。板上另一片小的FPGA主要负责硬件的上电及逻辑控制。

图1 通用信号处理模块示意图

整板对外接口则包括差分、单端、网口、光纤、FMC接口，FMC将I/O接口与载板分离，不仅简化I/O接口模块设计，同时最大化载卡的重复利用率。通用信号处理模块的实物图如上图1（b）所示。

2.2 电源、时钟设计

良好的电源设计是整个系统能正常稳定工作的关键，必须满足系统功耗要求，并且需要提供一定的功耗余量。整个电源系统VPX的+12V提供，然后根据需要通过DC—DC转换分别给FMC，FPGA及DSP提供相应的电源，电源系统设计如下图2（a）所示。DSP严格的上电顺序要求，通过FPGA进行控制。

图2 电源、时钟系统设计

本系统中FPGA与DSP结构复杂，功能强大，对时钟的要求也非常高，不仅种类多而且精度高。本模块中采用TI公司的CDCM6208频率合成器实现系统的时钟解决方案，其实现框图如上图2（b）所示。

2.3 接口设计

基于标准化，通用化的设计思想，为满足多个产品的需求。在对外接口的设计上，背板采用了VPX架构，可进行功能的扩展。前面板设计了两片FMC子卡接口，可作为AD，DA的数据输入输出或其它功能的扩展。同时，该板卡还支持光纤通信，千兆以太网通信。

FMC 接口将载卡与子卡物理分离，通过灵活的引脚分配，最大限度地减少设计的精力和资源，能够提高效率，进而在设计重复利用性，兼容性、稳定性方面带来诸多显著优势。例如，当前端的AD采样速率根据应用场景发生了变化，由40MHz变到80MHz时，可以采用定制的内部板设计或者直接采购商用成品（COTS）ADC子卡并对 FPGA 设计略作调整即可，这就极大的提高了载板的通用性。

3 工程应用

3.1 连续波雷达信号处理

在LFMCW雷达中，利用本振信号与回波信号混频得到差拍信号，信号处理对经过放大滤波后的差拍信号进行AD采样，并作FFT频谱分析，通过回波时延与差拍频率的线性关系得映射到距离向，并通过MTD进行杂波抑制及信号积累，再经过CFAR检测得到目标信息，最后进行角度解算，并将点迹信息送后续数据处理。下图3信号处理分系统的处理原理框图，A/D模块由FMC子卡接入，采样率可灵活调整。FPGA中主要完成低通滤波及FFT频谱分析功能，DSP实现慢时间维的多普勒处理并做角度解算。

3.2 单脉冲雷达信号处理

单脉冲雷达信号处理主要完成对中频回波信号进行采样、数字下变频、脉冲压缩、MTD、恒虚警处理、目标信号的后处理等工作，其信号处理流程如下图4（a）所示。A/D变换由FMC子卡实现，数字下变频功能映射到FPGA中，DSP中则完成后续的脉压、MTD及CFAR处理。

图3 LFMCW雷达信号处理原理框图

图4 单脉冲雷达信号处理

当目标为行人，其信噪比SNR=-12 dB，杂噪比CNR=14 dB，初始距离为9.8km，速度为0.5m/s，加速度为0.3m/s2，波形为时宽54us，带宽15MHz线性调频，经过信号处理后结果为上图4（b）。

4 结束语

本文以TI公司的多核DSP芯片TMS320C6678，Xilinx公司的高性能Virtex-7系列FPGA设计了一款多核DSP通用信号处理模块，并采用FMC接口接入子卡形式，具备较强的灵活性。多核DSP与高性能、大容量FPGA便于系统功能升级优化，具备一定通用性，基本可满足常规体制雷达的信号处理功能及性能需求。通过笔者单位实际产品的工程应用，验证了其通用性，未来还将在更广的范围进行推广。

[1] 刘文政.多核DSP TMS320C6678的电源设计，舰船电子对抗，2015（10）.

[2] 邓豹.TI6678多核DSP时钟电路的设计与实现，航空计算技术，2015（11）.

[3] 卢建章，刘洋.TMS320C6678多核DSP的HyperLink应用，微型机与应用，2017（2）.