基于TMS320C6678 DSP的雷达数字信号处理软件设计

何文洲

（四川九洲防控科技有限责任公司，四川绵阳，621000）

0 引言

在现代雷达中，雷达所处的环境越来越复杂，为了应对新的战场环境，对雷达提出了各种新的需求，如高带宽、更复杂的算法，但同时也要满足实时性要求。在现阶段，雷达信号处理的架构大都是采用FPGA+DSP的方式，FPGA主要负责中频信号的采集、波束形成、脉冲压缩等算法逻辑操作，而DSP主要负责实现MTI、MTD、CFAR、杂波图等较复杂的算法。TMS320C6678 DSP作为业界目前最先进的多核DSP、一共集成了8个核，每个内核有512Kbyte的核内L2数据存储区、32KByte的L1D数据存储区和 32KByte的L1P程序存储区，片上集成了4MByte的共享存储区，支持RapidIO高速数据传输、支持外围扩展DDR3存储器，支持片内多核间EDMA硬件传输数据 最高主频达到了1.25GHz，同时还提供了丰富的软件库函数，如算术操作库、数字信号处理库、图像库等，丰富的硬件与软件资源为其成为雷达信号处理的平台提供了保障。

1 雷达软件结构

在某低慢小目标探测雷达设计中，雷达采用方位上360度机械扫描、俯仰上发射宽波束，接收上通过数字波束合成形式形成多个俯仰指向的多波束完成对俯仰空域的覆盖。雷达的软件结构如图1所示。雷达软件主要包含DBF（数字波束形成）软件、信号处理软件、数据处理软件、操控终端软件。其中DBF软件主要对雷达天线接收的回波信号进行数字采样，并且下变频到中频信号，最后通过形成多个指向的数字波束数据，并将数据传输到信号处理软件，信号处理软件主要完成脉冲压缩、相参积累与点迹检测功能，并将检测到的目标点迹传给数据处理软件，数据处理软件主要对检测到的点迹数据进行点迹预处理、航迹起始、航迹更新等功能，操控终端主要进行航迹与点迹显示功能。如图1所示。

2 雷达信号处理软件

某低慢小目标探测雷达共有4个波束，根据带宽和处理速度分析，雷达系统中信号处理共使用1片V7 FPGA+ 2片C6678 DSP的硬件结构，首先在FPGA内完成4路DBF处理数据的数据提取、脉冲压缩、乒乓处理等，波束1和波束2的数据输出到DSP1，波束3和波束4的数据输出到DSP2，分别完成4路回波数据的数据重排、MTD、CFAR、杂波图处理等。软件处理框图如图2所示。

3 TMS320C6678 软件设计

C6678 DSP共有8个核，要满足软件算法的功能性及运行时间的实时性要求，对于核之间处理流程及处理算法的均衡性设计十分重要，结合C6678 DSP的硬件特点，信号处理软件算法在DSP中的主要任务如图3所示。

图1 雷达软件处理流程

图2 信号处理软件结构

图3 DSP软件

■3.1 核0初始化

C6678 DSP要能够正常工作，必须完成相应的硬件初始化工作，首先需要初始化包括DSP工作的时钟即完成内部PLL的初始化，为了达到最大的运行速度，DSP工作在主频1Ghz的情况下，外接时钟输入为100MHz，由于雷达信号处理的数据特点，用在实时性要求高和数据量大的场景时，DSP 内部的存储空间一般不能完全满足应用需求；为了能够快速访问 DSP 外的存储器，C6678DSP 拥有了一个 64 位的DDR3 外部存储器访问接口（EMIF），最高访问速度可达 1600MHz，且可访问的最大 DDR3数据存储为 8GB；在 C6678 上集成了EDMA 模块，用来在完成存储器之间大数据之间的快速搬移, 由于多核处理器的特点，在进行信号处理计算时，片上许多资源由多核共享，需要多核同步以保证严格的时序,C6678 片上共有 32 个硬件信号量，与其他片上资源没有固定的映射关系；6678为Key Stone 架构，拥有高速串行 Rapid I/O接口，又叫作 Serial Rapid I/O（即 SRIO）；它是一种内部互联规范，可以用来实现芯片间或板卡之间每秒千兆字节的数据通信；外部设备可以直接把数据写到 DSP 的存储空间，特别适合大数据交换。DSP与V7 FPGA之间采用5Ghz，4Ⅹ模式进行雷达数据的传输。SPI为一种简单可靠串行通信协议，最大支持66MHz传输速度，可用于DSP与外部设备进行小数据的传输。完成PLL、EDMA、IPC中断、RapidIO、SPI初始化后，DSP的所有硬件准备完成，可以进行雷达数据的接收。

■3.2 核0雷达波束数据与工作参数接收

一片DSP处理两个波束的数据，由于接收的数据量较大，且内部从0xc000000开始的地址无法满足整个处理需求，因此通过RapidIO接收的数据将存储在DDR3从0x80000000开始的地址中，各个核根据各自处理需要，分别从DDR3中胗EDMA硬件传输方式将数据传输到各自核内的LL2空间，完成算法的计算。

■3.3 相参积累

由于雷达工作时，有杂波与噪声的影响，通过建立工作环境下杂波与噪声的数学与物理模型，可以有多种处理方法，本雷达信号处理软件中采用动目标显示（MTI）与动目标检测（MTD）技术完成相参积累。其中动目标显示采用两延迟对消滤波器以消除慢速或静态杂波对目标检测的影响。相比于单次延迟杂波对消器，两延迟杂波对消可以更好地抑制静止或低速杂波。MTD实现采用对多帧接收的雷达数据在距离上使用多普勒滤波器组，每个多普勒滤波器的通带覆盖一定的频率区域，经过滤波器的输出判断是否有动目标及动目标的多普勒速度。MTD采用FFT的方法进行计算，在进行FFT计算时将个脉冲分做个频段做运算，每个点分别积累个脉冲时长的数据，每个点的运算都相当于是一个带通滤波器，每个滤波器都有一定的副瓣，可以考虑使用窗函数加权的方法抑制杂波。但滤波器在零频及脉冲重复频率整数倍处是没有凹陷，所以自然是无法抑制静态杂波的，必须有其它方式帮助解决这个问题。因此采用MTI+加窗+FFT方法进行计算。相参积累后的数据为多普勒维与距离维的二维距离，且其中的数据包含实部与虚部，需要进行求模计算。

■3.4 恒虚警目标检测

雷达在进行自动检测目标时，为了减少干扰信号对雷达正常工作的影响，目标进行检测过程中需要加入恒虚警处理。恒虚警方法就是采用自适应门限的方式代替固定门限，自适应计算的门限能实时计算被检测点的背景噪声、杂波和干扰，如果背景噪声、杂波等干扰较大，自适应门限就调高，反之，自适应门限就变低。在本雷达中采用均值类（单元平均恒虚警检测器）CA-CAFR、GO-CFAR、SO-CFAR来进行恒虚警目标检测。

■3.5 杂波图慢速CFAR检测

均值类 CFAR在噪声背景下可以保持良好的检测性能，但是杂波的存在会导致均值类CFAR方法的检测性能急剧下降。杂波一般在距离和方位的变化上较为剧烈，如果使用均值类 CFAR，只能采用很少的参考单元，会导致很大的恒虚警损失。虽然杂波在距离和方位上变化较为剧烈，但是在某个距离单元的杂波来说，其强度随时间的变化是相对比较缓慢的，采用在时间上多次采样来对该距离与方位单元进行估计运算，杂波图检测的基本思想是利用杂波和目标回波的时间积累特性不同，完成二者的有效分离。

杂波图的一阶递归流程如图4所示。其中l表示天线扫描周期.一次扫描得到的杂波单元幅度是Dnm(l)，已知杂波图值 为Ynm(l−1)，通过下式可以得到新的杂波图值Ynm(l)。

其中K是小于1的衰减因子。对于变化缓慢的杂波背景，K了较小，对于变化较快的K取大值。

图4 杂波图更新

通过Kalmus滤波器去除地杂波低频直流分量，然后对杂波剩余与慢速目标的多普勒频率重叠区，采用杂波图CFAR，改善对低速目标的检测性能，杂波图CFAR主要由Kalmus滤波器与杂波剩余时间平滑两部分组成。

图5 杂波图检测

■3.6 目标凝聚与目标信息形成

经过恒虚警检测与杂波图检测后的目标信息包含目标点的距离、方位、多普勒通道等信息，但是检测后的目标点通常在多普勒与距离维上扩展几个多普勒与距离门，因此包含一定的冗余信息，需要进行目标凝聚，结合具体运用，采用在多普勒与距离维上3点凝聚的方法完成。 目标信息形成主要是根据要发送出目标信息的协议形式将目标按照要求的格式打包。

图6 算法运算软件结构

■3.7 目标信息发出

完成目标的形成后，需要将目标信息通过SPI口发送到外部。此功能在核7中完成。

4 结论

现代雷达高带宽、复杂算法的要求对于硬件与软件提出了高要求，本文分析了雷达信号处理在FPGA+DSP结构上处理的流程，并结合信号处理算法，提出了算法在C6678 DSP上具体实现的流程，通过文中所述的软件算法实现方法，能够完成雷达算法实现并满足实时性要求。