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基于DSP的多片流水分段脉压设计
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2017-11-03
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1 引 言
作为一种探测目标信息的工具，雷达在现代战争中发挥着举足轻重的作用。在雷达回波信号处理中，通常利用线性调频信号脉冲压缩技术来获得高的距离分辨率。他有效地解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾，可以在保证雷达作用距离的情况下提高雷达的距离分辨力。数字脉冲压缩就是利用数字信号处理的方法来实现雷达信号的脉冲压缩，分为时域和频域两种实现方式。时域脉压常用数字滤波器实现，而频域脉压常用专用的FFT芯片或DSP完成。一般而言，对于小时宽带宽积信号，用时域脉压较好；但对于大时宽带宽积信号，用频域脉压较好。随着通用DSP芯片本身处理能力的不断提高，基于并行DSP芯片的雷达信号处理系统基本能够满足雷达脉冲压缩信号处理实时性的需求。
本文针对雷达回波的实时脉冲压缩处理，首先分析了频域脉压处理方法，介绍了分段脉压原理。然后研究了基于DSP的多片流水分段脉压设计，以某宽带雷达回波为例，提出了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件处理平台设计。最后给出了硬件实现和实验结果。
2 频域脉压实现分析
对接收到的信号作数字脉压，等同于信号通过一个加权的匹配滤波器。从时域来说，输出为信号与加权的匹配滤波器的线性卷积，等价于二者在频域的乘积。需要注意的是两离散信号频率域相乘相当他们在时域作圆卷积，为使圆卷积与线性卷积等价，待处理的信号须加零延伸，避免圆卷积时发生混叠。
设输入序列x（n）长度为L，系统冲击响应h（n）长度为M（M《L），输出y（n）。对于频域处理，其运算为：
式（1）实际上是圆卷积运算，在运算时，x（n）和h（n）必须至少补零到L+M-1点，等到x（n）完全读入后，开始脉压运算，得到的y（n）有效输出长度为L点。因此频域脉压处理时间大致分为数据块读入读出时间和脉压运算时间。总运算量包括L点x（n）数据输入、L+M-1点复FFT，L+M-1点复点乘、L+M-1点复IFFT以及L点y（n）数据输出。
当输入序列x（n）的长度L》M，直接做L+M-1点的脉压不仅运算量大、存储单元多，而且有很大的数据读入读出延迟。可以采用重叠保留法进行分段脉压处理。设x（n）均匀分段，每段长度为N（满足N≥M，N+M-1接近2的整数次幂），在每段后面再补上后一段的前M-1个输入序列值，组成N+M-1点序列，若为最后一段，则补M-1个零。每个N+M-1点序列与h（n）脉压后，输出的结果取前N点为每段的有效输出。这样按顺序拼接在一起即可得到输入序列x（n）的脉压输出。其原理如图1所示。
3 基于DSP的多片流水分段脉压设计
当分段脉压处理时，可以采用多个分段同时脉压的并行处理技术来减少整个脉压过程的处理时间。流水线技术（Pipeline）为并行处理系统设计中实现时间并行性提供了一种有效方法，他将输入流水线的任务分为一串子任务，相继的任务不断流人流水线，利用子任务在执行时间上的重叠（Time Interleaving），使得每个子任务都处在整个操作流程不同的处理段中，且保持在不同的完成阶段来达到操作级并行。
作为一种探测目标信息的工具，雷达在现代战争中发挥着举足轻重的作用。在雷达回波信号处理中，通常利用线性调频信号脉冲压缩技术来获得高的距离分辨率。他有效地解决了雷达作用距离与距离分辨率之间的矛盾，可以在保证雷达作用距离的情况下提高雷达的距离分辨力。数字脉冲压缩就是利用数字信号处理的方法来实现雷达信号的脉冲压缩，分为时域和频域两种实现方式。时域脉压常用数字滤波器实现，而频域脉压常用专用的FFT芯片或DSP完成。一般而言，对于小时宽带宽积信号，用时域脉压较好；但对于大时宽带宽积信号，用频域脉压较好。随着通用DSP芯片本身处理能力的不断提高，基于并行DSP芯片的雷达信号处理系统基本能够满足雷达脉冲压缩信号处理实时性的需求。
本文针对雷达回波的实时脉冲压缩处理，首先分析了频域脉压处理方法，介绍了分段脉压原理。然后研究了基于DSP的多片流水分段脉压设计，以某宽带雷达回波为例，提出了基于4片ADSP-TS101芯片的高性能并行DSP硬件处理平台设计。最后给出了硬件实现和实验结果。
2 频域脉压实现分析
对接收到的信号作数字脉压，等同于信号通过一个加权的匹配滤波器。从时域来说，输出为信号与加权的匹配滤波器的线性卷积，等价于二者在频域的乘积。需要注意的是两离散信号频率域相乘相当他们在时域作圆卷积，为使圆卷积与线性卷积等价，待处理的信号须加零延伸，避免圆卷积时发生混叠。
设输入序列x（n）长度为L，系统冲击响应h（n）长度为M（M《L），输出y（n）。对于频域处理，其运算为：
式（1）实际上是圆卷积运算，在运算时，x（n）和h（n）必须至少补零到L+M-1点，等到x（n）完全读入后，开始脉压运算，得到的y（n）有效输出长度为L点。因此频域脉压处理时间大致分为数据块读入读出时间和脉压运算时间。总运算量包括L点x（n）数据输入、L+M-1点复FFT，L+M-1点复点乘、L+M-1点复IFFT以及L点y（n）数据输出。
当输入序列x（n）的长度L》M，直接做L+M-1点的脉压不仅运算量大、存储单元多，而且有很大的数据读入读出延迟。可以采用重叠保留法进行分段脉压处理。设x（n）均匀分段，每段长度为N（满足N≥M，N+M-1接近2的整数次幂），在每段后面再补上后一段的前M-1个输入序列值，组成N+M-1点序列，若为最后一段，则补M-1个零。每个N+M-1点序列与h（n）脉压后，输出的结果取前N点为每段的有效输出。这样按顺序拼接在一起即可得到输入序列x（n）的脉压输出。其原理如图1所示。
3 基于DSP的多片流水分段脉压设计
当分段脉压处理时，可以采用多个分段同时脉压的并行处理技术来减少整个脉压过程的处理时间。流水线技术（Pipeline）为并行处理系统设计中实现时间并行性提供了一种有效方法，他将输入流水线的任务分为一串子任务，相继的任务不断流人流水线，利用子任务在执行时间上的重叠（Time Interleaving），使得每个子任务都处在整个操作流程不同的处理段中，且保持在不同的完成阶段来达到操作级并行。
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