基于DSP的并行信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

自數(shù)字計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)的處理能力已經(jīng)增長了100 k倍以上。然而，現(xiàn)有性能最高的計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類對計(jì)算速度無止境的追求。

　　在科學(xué)計(jì)算、地質(zhì)分析、氣象預(yù)測、仿真模擬、圖像處理以及實(shí)時(shí)信號處理領(lǐng)域，對計(jì)算機(jī)處理速度的要求尤為迫切。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，采用超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的處理單元功能越來越強(qiáng)，然而單處理器性能的提高受到了諸多限制。因此，滿足對運(yùn)算速度的巨大需求目前只能通過并行處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　1 概述

　　本文中設(shè)計(jì)了一種并行信號處理系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是：

　?。?）具有強(qiáng)大的處理能力，可以完成多種信號處理模式。

　?。?）信號處理功能通過大量信號處理芯片（DSP）的并行計(jì)算完成。

　?。?）信號處理功能的改變通過軟件實(shí)現(xiàn)。

圖1所示的是動目標(biāo)檢測雷達(dá)信號處理機(jī)的主要組成部分，虛線中的處理模塊是本文要完成的工作。

　　2 幅相計(jì)算、CFAR檢測、M/N檢測

　　2.1 幅相計(jì)算

　　幅相計(jì)算指從復(fù)數(shù)據(jù)計(jì)算其幅度和相位，假使：

　　2.2 CFAR檢測和M/N檢測

　　雷達(dá)信號的檢測總是在干擾背景上進(jìn)行的，為了在強(qiáng)干擾中提取信號，不僅要求有一定的信噪比，而且必須有恒虛警處理設(shè)備，恒虛警處理的目的是保持信號檢測時(shí)的虛警率恒定，這樣才能使處理機(jī)不致因虛警太多而過載。

　?。?）單元平均恒虛警（CFAR）檢測器

　　已經(jīng)知道，在低分辨率的脈沖雷達(dá)中，海浪和雨雪等分布雜波可以看作很多獨(dú)立照射單元回波的迭加，因而雜波包絡(luò)的分布服從瑞利分布，如果檢測背景中存在此類雜波，檢測門限可以通過計(jì)算雜波的均值得到，但是由于雜波在空間分布的未知性，求雜波均值只能從被檢測目標(biāo)鄰近單元來獲得，這就是比較常用的單元平均CFAR檢測器。為了減少這類檢測器在雜波邊緣內(nèi)側(cè)虛警顯著增大問題，一般采用其改進(jìn)電路-兩側(cè)單元平均選大電路，如圖2所示。在被檢測單元的兩邊，為了防止目標(biāo)本身對門限值的影響各空出了一個保護(hù)單元。

　?。?）二維CFAR檢測器

　　當(dāng)雷達(dá)工作于FFT方式時(shí)，CFAR檢測器的輸入數(shù)據(jù)包括距離和頻率2個變量，所以需要采用二維CFAR,如圖3所示。除0# 濾波器輸出送雜波圖處理外，其他多卜勒濾波器輸出各接一個單元平均CFAR檢測器。各CFAR檢測的結(jié)果合起來作為目標(biāo)判斷。

　?。?）M/N檢測

　　M/N檢測在CFAR檢測后進(jìn)行，其中，N為積累脈沖數(shù)，M為小于N的值。我們設(shè)定M/N檢測的準(zhǔn)則為2/3,即相同距離門的信號在3個脈沖重復(fù)周期里至少2次過門限判定有目標(biāo)。

　　2.3 雜波圖

　　雜波圖技術(shù)就是將雷達(dá)周圍的二維平面分成許多方位距離單元，把方位距離單元的接收信號存入一個存儲器中，每個存儲單元對應(yīng)一個方位距離單元，并且隨著天線的掃描，每個單元存儲的信號進(jìn)行遞推更新：

　　其中：K是一個小于1的因子，xn和yn分別代表輸入、輸出。

　　所以天線多圈掃描以后，雜波圖中存貯的是相應(yīng)方位距離單元的雜波均值。檢測門限H根據(jù)式

　　（5）計(jì)算，如果被檢測信號xn大于門限H,我們就判為有目標(biāo)，否則就判無目標(biāo)。

　　H=Cyn（5）

　　其中：C為一個門限乘子，C的大小決定著檢測概率的虛警概率。

　　3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　并行處理的目的是通過采用多個處理單元同時(shí)對任務(wù)處理來減少任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，如何能以最短的時(shí)間完成任務(wù)成為并行處理機(jī)設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題，對這一問題的反映表現(xiàn)在處理機(jī)的2個基本性能指標(biāo)：加速比和并行效率。而并行處理機(jī)的這2個基本性能決定于組成并行處理機(jī)的3個要素：處理單元、并行處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并行算法程序和任務(wù)分配方法。三者之間緊密聯(lián)系，互相依賴。

　　3.1 處理單元的選擇

　　處理單元的性能可以說是決定處理機(jī)性能最基本的因素，高性能的處理單元可以提高系統(tǒng)性能、減少系統(tǒng)體積和功耗、降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和提高軟件可維護(hù)性。處理單元按應(yīng)用范圍大致可分為中央處理單元、專用ASIC芯片、FPGA/EPLD、數(shù)字信號處理器。在實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理應(yīng)用上，DSP仍具備明顯優(yōu)勢。

　　在并行處理中，更強(qiáng)調(diào)DSP是否具有適于構(gòu)成并行處理機(jī)的特殊功能，如高速通信口的通信能力、共享存貯器的接口功能等。TMS320C40和ADSP21060在結(jié)構(gòu)功能上有很多相似之處，相比較而言，綜合性能較好地并行DSP是ADSP21060,他的運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)吞吐能力、片內(nèi)存貯器容量都遠(yuǎn)優(yōu)于TMS320C40,相對于其他類型DSP.他的突出特點(diǎn)是：FFT速度快、片內(nèi)存貯器容量大，很好地共享存貯器接口。各種兼容型號ADSP2106X的選擇余地也較大，他還與最新推出的ADSP21160代碼兼容，結(jié)構(gòu)與接口形式也類似。

　　3.2 并行處理機(jī)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　并行處理機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的主要功能是為各處理單元提供數(shù)據(jù)交換的通路并負(fù)責(zé)子任務(wù)傳送和控制調(diào)度信號的傳遞。處理單元之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大致可分成2類：

　?。?）共享總線（共享存貯器）系統(tǒng)，稱為緊耦合式并行系統(tǒng)。

　　（2）處理單元有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)存貯器而通過通信口相連的分布式并行系統(tǒng)，又稱松耦合式系統(tǒng)。緊耦合式的共享總線系統(tǒng)在處理單元個數(shù)較少的情況下，以其無需數(shù)據(jù)通信而能獲得較高的加速比。當(dāng)處理單元個數(shù)很多時(shí)，共享總線將造成頻繁的總線沖突和等待，而且共享總線結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)充性和靈活性不及分布式系統(tǒng)，不適于大規(guī)模并行處理系統(tǒng)，可重構(gòu)能力和容錯能力都遠(yuǎn)不如分布式系統(tǒng)。

　　通用并行DSP的通信口速度在30~60 MHz,這為在處理單元數(shù)目很多的大規(guī)模并行處理采用分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。TMS320C40或ADSP21060提供的多達(dá)6個高速通信口的總通信能力與其指令速度或平均運(yùn)算能力相當(dāng)，而同時(shí)TMS320C40或ADSP21060都提供了共享數(shù)據(jù)總線的接口，TMS320C40有2套獨(dú)立的總線，其中一套可以用于和其他TMS320C40共享數(shù)據(jù)，而ADSP21060的片內(nèi)具有共享總線仲裁邏輯，可以在無需添加外部控制電路的情況下，將不多于6個ADSP21060直接相連。

　　以上分析表明，分布式并行系統(tǒng)更適合于大規(guī)模并行系統(tǒng)，而共享總線式系統(tǒng)在小規(guī)模的并行處理機(jī)上可以得到較高的性能。以ADSP21060為例，當(dāng)處理單元小于5時(shí)共享總線系統(tǒng)的效率較高；反之，分布式并行系統(tǒng)將更好。

3.3 并行算法、任務(wù)分配和軟件編程

　　并行算法的好壞主要以其并行度高低來衡量，并行算法和并行程序的設(shè)計(jì)復(fù)雜度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的串行算法和串行程序設(shè)計(jì)，他更多地依賴于處理機(jī)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的并行算法遠(yuǎn)不能滿足并行處理的需要，而且目前還缺乏一種有效的并行開發(fā)系統(tǒng)和并行設(shè)計(jì)語言，但對于雷達(dá)信號處理這一領(lǐng)域來說，信號處理任務(wù)的類型基本上是確定的，這就縮小了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)范圍，從而大大減少了程序設(shè)計(jì)的難度。

　　采用上文所述的并行DSP作為處理單元構(gòu)成的信號處理機(jī)將是完全可編程和軟件可重載的，根據(jù)需要可以對不同并行子模塊重新進(jìn)行功能定義。算法軟件以標(biāo)準(zhǔn)模塊存放在DSP的RAM或ROM中，當(dāng)處理單元的功能改變時(shí)，可調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊。

　　任務(wù)分配和調(diào)度仍是并行處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個難題，至今尚無實(shí)用的任務(wù)自動分配方法，而任務(wù)分配所帶來的成本又太高。根據(jù)雷達(dá)信號處理固有的特點(diǎn)，可以將其定義成帶有輸入?yún)?shù)的軟件模塊，每個模塊隨著其輸入?yún)?shù)的不同，其輸出參數(shù)如運(yùn)算時(shí)間、數(shù)據(jù)通信時(shí)間、數(shù)據(jù)通信路徑都將不同。

　　采用數(shù)據(jù)流全驅(qū)動的方式是將處理過程中的全部數(shù)據(jù)分割成一定大小的數(shù)據(jù)包，在每個數(shù)據(jù)包中，除了實(shí)際數(shù)據(jù)還包括有如下信息：數(shù)據(jù)包長度、處理方式、數(shù)據(jù)描述、校驗(yàn)碼。處理方式中含有足夠的處理信息，用于指示DSP或子模塊如何處理此包數(shù)據(jù)，即選擇多普勒濾波、MTI、CFAR等。數(shù)據(jù)描述信息詳細(xì)地給出了此包數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，包括距離門起止號、多普勒號、通道號等。DSP接收到一個數(shù)據(jù)包后，如果此包數(shù)據(jù)的處理相對于其他數(shù)據(jù)包是獨(dú)立的，他就立即進(jìn)行處理，否則等待其他包數(shù)據(jù)到齊或者向其他DSP轉(zhuǎn)發(fā)。