基于国产化DSP的雷达信号处理软件设计

喻荣梅 李涛 吕潇君

（南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039）

1 引言

近年来，战场环境日趋复杂，雷达信号处理技术飞速发展，对信号处理软、硬件提出了更高要求。同时，随着中美贸易战升级，实现装备自主可控迫在眉睫。由我国全自主研发的高性能华睿2 号DPS 芯片[1-2]，具备实时性、灵活性等优点，满足雷达信号处理功能、性能需求。

本文将介绍一种基于华睿2 号国产化平台的雷达信号处理信号处理软件，该软件架构灵活、基础构件跨平台通用、运行效率高。

2 国产化处理平台

华睿2 号DSP 是面向嵌入式高性能计算的处理器，该DSP 内部集成了8 个异构处理器核，包括4 个向量DSP 核和4 个可配置专用处理核，向量DSP 核兼容MIPS64 指令集。华睿2 号信号处理模块包含四片华睿2 号DSP，FPGA、RapidIO 交换芯片、PCIe 交换芯片和网络交换芯片各一片，以及存储器、外围接口电路和电源模块等。模块主要性能指标如下：

（1）最高工作主频为800MHz，峰值运算能力达409.6 GFlops；

（2）每片华睿外接两通道DDR3，DDR 传输率800MT/s，单通道容量4GB，板载内存总容量32GB；

（3）支持x4 模式RapidIO 交换互连，模块对外提供4x4RapidIO接口，单通道速率可达5Gbps；

（4）具备网络交换互连，对外提供4 路x1 SGMII 千兆以太网接口；

（5）提供两路I²C 总线接口。

3 信号处理软件设计

信号处理软件系统基于软件化雷达设计理念[3-5]，采用开放式分层架构设计，系统可分为信号处理应用构件、集成框架、中间件、基础软件以及硬件平台，如图1 所示。

3.1 应用构件

应用构件完成本软件的功能处理，可独立部署、加载与运行，雷达信号处理应用构件包括杂波抑制、干扰抑制、目标检测、目标识别、数据处理等算法功能模块。以数据按通道、脉冲、距离段拆分进行并行处理原则，综合处理效率、算法升级、产品跨领域通用的需求，采用灵活可控的构件颗粒度划分，支持即插即用。

图1：信号处理软件分层架构

图2：串行处理架构示意图

图3：轮询处理架构示意图

3.2 集成框架

集成框架上承信号处理应用构件，下接跨操作系统跨平台中间件，其主要功能包括：

（1）硬件资源管理、各处理节点资源配置；

（2）软件资源管理，包括软件任务资源配置、数据管理、状态监测等。

本文从两方面进行集成框架并行设计:

（1）处理器间并行设计。

图4：处理器内并流处理流程图

图5：信号处理系统平台组成

传统实时信号处理架构采用处理节点间串行处理架构，如图2所示，其中每个DSP 处理器为一个处理节点。该架构制约了信号处理功能升级、软件重构，且难以保证各处理节点均匀的执行效率加大了系统处理延时，而随着系统复杂度提升，串行节点随之增加，导致系统稳定性大大降低。本文采用基于处理节点轮询机制的并行处理架构，如图3 所示，由数据分配模块完成数据分发，所有处理节点独立执行相同的信号处理任务，该方案满足系统可重构、易升级、易维护的应用需求。

（2）处理器内并行设计。

信号处理平台正向着多核趋势发展，因此需考虑充分利用多核资源，有效提高系统运行效率。华睿2 号具备4 个向量核，核间可采用以下方式处理：

①任务级串行，即每个核绑定一个不同的处理任务，每个任务完成一个或多个信号处理功能，任务间以数据流为驱动串行执行，类似于处理节点串行方式，该方法受制于处理时间不均匀增大处理延时，且不利于系统重构、升级；

②任务级并行，每个核绑定一个相同的处理任务，任务间并行处理不同通道、脉冲数据，该方法优于①，但在功能升级方面不够灵活；

图6：信号处理软件架构

③构件级并行，每个核绑定一个相同的处理任务，每个任务执行多个信号处理功能，由主处理任务针对当前数据特点，将数据按通道、脉冲或距离段尽可能均匀地进行划分，分配给各任务执行。

本文采用第三种方法完成处理器内多核并行处理。创建主处理任务和并行处理任务，其中主处理任务完成数据管理等功能，根据数据特点划分并行处理颗粒度，按需选择并唤醒相应数量并行处理任务执行功能处理；并行处理任务为通用处理任务，绑定在不同的核上独立运行，通过解析主任务输入的参数，从基础构件库选择当前配置的构件完成功能处理，随后将结果返回主任务；主任务与并行处理任务间通过信号量实时通信。核间并行处理流程如图4 所示。

3.3 中间件

中间件通过标准软件接口向集成框架和应用构件提供服务，屏蔽硬件底层环境，实现软硬件解耦。采用基于国际标准VSIPL（Vector Signal Image Processing Library）的计算中间件[6]，形成了跨平台通用的基础构件库。

3.4 基础软件

表1：实测结果

基础软件为应用提供软件运行环境，主要包括实时操作系统、驱动/BSP 等。华睿2 号支持国外WindRiver 公司的vxWorks，国内中电32 所的ReWorks、翼辉公司的SylixOS 等操作系统，本文基于SylixOS 操作系统[7-8]完成设计。

4 基于华睿2号处理平台的信号处理软件实现

4.1 信号处理系统平台搭建

基于华睿2 号模块搭建信号处理系统平台，硬件组成如下：

（1）4 块华睿2 号处理模块；

（2）1 块数据分配模块；

（3）1 套回波产生模拟器；

（4）1 个调试插箱。

信号处理系统组成如图5 所示。

4.2 信号处理软件实现

雷达信号处理主要完成杂波抑制、干扰抑制、目标检测、目标识别等功能[9]，本文设计信号处理流程包括脉冲压缩、MTI、求模、CFAR、检测提取。处理架构如图6 所示，4 块华睿处理模块共16个DSP 处理器，其中15 个DSP 用于并行处理，1 一个DSP 用于数据合并。模拟器产生模拟雷达回波，数据输入数据分配模块，数据分配模块根据各处理节点的忙闲状态，完成数据的轮询分发，各并行处理节点完成功能处理后将数据发送到合并节点，合并节点完成视频、回波发送。

4.3 实测结果分析

设定模拟器产生MTI 工作方式模拟回波。处理器内架构分别采用串行和构件并行方式，以4 核处理为例，测试结果如表1 所示。

实测结果显示，多核并行处理总处理延时为2922us，而核间串行处理方式总延时达8886us，多核并行处理延时较串行处理提高了67%。同时可以看出，由于脉压、MTI、求模功能颗粒度划分较细，充分利用了4 核资源，检测提取功能受功能限制颗粒度较大因而导致存在空核运行情况，未能完全发挥多核并行处理优势，但对于实际的雷达系统而言，信号处理功能更为丰富，大颗粒度构件占少数，多核并行处理架构具备明显优势。

5 结束语

本文介绍了国产化华睿2 号处理平台，分析了不同处理架构的优劣，设计了一种雷达实时信号处理软件，并搭建系统平台进行验证。结果表明，该软件满足架构与构件跨平台通用、支持软硬件灵活重构、系统延时短。目前该软件已应用于某雷达产品，具备开阔的应用前景。