多核DSP通用信号处理模块设计

2026-04-16 16:41:45

　　分析Technology AnalysisD IGITCW技术128 DIGITCW 2018.041 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 ...

　　分析Technology AnalysisD IGITCW技术128 DIGITCW 2018.041 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U 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、I 2 C、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。 （a）原理框图 （b）实物图图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 DCDC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。 （a）电源系统 （b）时钟系统图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（下转第167页）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）摘要：本文介绍了在 VPX 标准6U 板卡上，利用两片 TI 公司高性能多核 DSP 芯片 TMS320C6678加 Xilinx 公司高端 V7系列 FPGA 实现通用雷达信号处理模块的硬件设计。信号处理模块内部采用子板与载板结构形式，进行数字化、运算处理、接口模块化设计。该模块具有强大的运算处理能力和多接口数据交互能力，具备可重构性、可扩展性，已在多个相关产品的信号处理分机中得到应用，验证了模块的工程实用性。关键词：DSP ；FPGA ；通用性doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2018.04.095中图分类号：TN911.7 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2018）04-0128-02万方数据