雷达信号数据处理平台发展趋势探讨_于文震

第31卷 第7期

2009年7月

现代雷达

ModernRadar

Vo.l31 No.7

July2009

#专家论坛#

中图分类号:TN957.52文献标识码:A文章编号:1004-7859(2009)07-0001-07

雷达信号数据处理平台发展趋势探讨

于文震

(南京电子技术研究所, 南京210013)

摘要:针对不断提高的雷达系统功能需求,提出了雷达信号数据处理的技术需求和特征,即雷达系统的功能拓展到电子对抗和通信等领域,算法和软件是研发雷达信号数据处理的关键。结合嵌入式数据互连技术、FPGA技术、DSP/CPU技术和处理平台系统架构技术发展,如高速串行数据传输技术、高性能FPGA芯片、并行多核CPU及DSP、基于交换网络的可重构平台及技术,分析和探讨了雷达信号处理平台的发展趋势。关键词:雷达系统;信号处理;数据处理;FPGA;DSP;CPU

DevelopmentTrendofRadarSignalandDataProcessingPlatform

YUWen-zhen

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology, Nanjing210013,China)

Abstract:Aimingatcontinuousimprovementofradarsystemfunctions,thetechnicalspecificationandcharacteristicsofradarsignalprocessingarepresented,namelythefunctionsofradarsystemareconstantlybeingextended,http://binedwithtendencyofembeddeddatainterconnection,FPGA,DSP,CPUandprocessingframestructure,suchashighspeedserialinterconnection,highperformanceFPGAchipsandmult-icorepara-llelDSP/CPUareanalyzed.Thetendencyofradarsignalanddataprocessingplatformisanalyzed,too.Keywords:radarsystem;signalprocessing;dataprocessing;FPGA;DSP;CPU

0 引 言

随着集成电路技术的飞速发展,现代雷达系统的

需求也不断地增长。以往我们开发雷达信号数据处理平台时往往采用两种截然不同的途径,一种是根据需求进行雷达信号数据处理平台的研制,但这种情况下的研制结果是,一旦处理平台研制成功,会发现平台采用的技术和平台本身已经又落后了;另一种模式是平台研制者依据集成电路的发展持续开展平台的研发和更新,但往往由于缺乏对系统需求的深入分析而浪费大量的资源,研制的成果利用率较低。

本文从雷达信号数据处理相关的集成电路技术发展和雷达系统需求分析着手,探讨雷达信号数据平台的发展趋势,为雷达信号数据处理平台的研发提供指导。

标和提高距离分辨率的要求,出现了脉冲压缩(PC)、动目标指示(MTI)、动目标检测(MTD)、脉冲多普勒(PD)技术,但信号数据处理的任务仍主要完成信号的积累;干扰的拟制;目标的检测;距离、多普勒等运动参数的提取。

现代雷达系统的功能除了完成常规雷达探测的功能外,一方面向成像和目标识别拓展;另一方面向雷达以外的其他功能拓展,兼顾特定的通信、电子对抗、制导等功能,并逐步实现综合一体化系统平台。而这对信号数据处理的任务提出了非常苛刻的要求,即必须兼顾雷达、通信、电子对抗等不同需求的信号数据处理功能,同时又要求更高的性能。

对于通信而言,主要涉及到调制技术(包括各种调制技术以及扩频技术)、编码技术(包括信源编码、信道编码)。另一方面,由于信号空间传输环境非常复杂,包括通信网中的多用户、各种散射体、用户处于随机移动状态,信道衰落、扩展以及多径现象对传输信号影响严重,而且这种影响还是时变的,从接收部分本身来讲,对接收信号的准确性和可靠性要求很高,因此必须在通信信号的接收理论和方法上想办法,通过信号处理理论和实现算法的改进来弥补。

对电子对抗而言,信号数据处理的主要任务是:对

)

)

1 现代雷达系统需求

1.1 雷达系统功能的拓展

传统雷达系统的功能主要为从雷达回波信号中滤除各种干扰信号并从中发现目标,根据发现的目标提取其运动参数等目标信息,因此信号数据处理的主要任务是滤波和目标检测。随着远距离探测微弱运动目

通信作者:于文震 Emai:lyuwenzhen@http://收稿日期:2009-03-18修订日期:2009-05-16

2009,31(7)现代雷达

侦察设备前端输出的实时脉冲信号描述字流进行信号分选、参数估计、辐射源识别,并将各辐射源检测、测量和识别的结果提供给侦察系统中的显示、存储、记录和干扰信号产生等其他有关设备1.2 雷达系统性能的提高

[1]

DSP和CPU的快速发展和相互渗透,使得信号处理和数据处理呈现融合的趋势,也满足系统发展和技术进步的需求。

。

2 需求分析

根据雷达系统的发展需求,我们从某一特定的雷达系统架构进行信号数据处理系统平台的需求分析,

并以此进行技术需求的延伸分析。

(1)雷达系统采用相控阵体制;(2)采用数字化收发模块;(3)采用分布式DDS信号产生和预处理;(4)采用数字自适应多波束形成;(5)采用宽窄带同时多通道处理;(6)实现杂波和干扰抑制、目标成像、目标检测、目标跟踪、目标识别等功能。

雷达系统室外单元包括天线、数字收发模块、数字波束形成及预处理、雷达控制与定时,通过网络和光纤实现与雷达系统室内单元的高速数据传输与命令和信息交互。

雷达系统室内单元主要包括雷达信号后处理、数据处理、显示与人机交互、数据记录、通信等功能。

对上面这种技术实现相对比较典型的雷达系统平台进行分析,不难发现雷达信号数据处理系统平台呈现出双重发展趋势:(1)以天线系统为主的室外单元,其中信号数据处理功能为信号预处理,趋于分布式;(2)以综合信号数据处理为主的室内单元,通常称之为信号主处理,趋于综合集成化。

2.1 信号预处理

物理特征:预处理部分与接收系统和天线系统紧密结合,物理实现上要求嵌入式微小型化、分布式、低功耗,且对环境条件要求较高;

功能特点:主要集中在预失真、补偿、滤波和预处理部分,考虑到同时多功能,各功能部件相对独立,功能相对比较单一;

性能特点:分布、实时、高速、大数据量、快速流水方式、多样性;

适用范围:雷达系统室外处理单元。2.2 信号主处理

[4-5]

常规雷达系统一般采取的是窄带探测,其距离分辨率、速度分辨率相对较低。现代雷达系统利用带宽

资源、时间资源、频率资源、极化资源、空间资源实现对目标的高分辨率探测、高分辨率成像、空时频自适应处理等,以提高雷达对目标的探测距离、探测精度,并能够对目标进行成像和分类识别,如:

(1)利用宽带(合成宽带)信号实现目标的高分辨一维距离像;

(2)利用大时宽带宽信号(或合成宽带)实现微弱目标的探测;

(3)利用雷达平台运动或目标运动特性实现合成孔径成像(SAR)和逆合成孔径成像(ISAR)干涉合成孔径成像(InSAR)和三维合成孔径成像(3DSAR);

(4)利用空时频信号特征实现空时频多维自适应处理(STAP)拟制干扰/杂波和目标提取;

(5)利用TBD等技术实现微弱目标检测;(6)利用目标回波信号RCS信息、目标回波物理信息、目标运动特征信息及目标辐射信号特征信息进行目标识别;

(7)利用多极化、频率分集、多波束实现多目标和目标多特征的探测和提取。1.3 雷达系统实现技术的演变

随着集成电路、计算机技术和软件技术的飞速发展,雷达系统实现一直在快速地变化着,同时也促进雷达系统的演变、新体制的创新和建立。比较典型的有单脉冲和差测量雷达、相控阵雷达、脉冲多普勒雷达、数字波束形成雷达、数字阵列雷达、分布式雷达、外辐射源探测雷达、无源探测雷达。

在雷达信号处理方面,数字接收机取代模拟接收机、DSP芯片取代中小规模集成电路、软件技术取代硬件逻辑和部件。其结果是信号处理系统功能越来越强,灵活性越来越强,体积越来越小,重量越来越轻,功耗越来越低,可靠性越来越高。

随着DSP芯片的不断应用和DSP性能的不断提高,采用实时操作系统和高级语言编程已经逐步替代以往汇编和机器码编程的方法,对软件实现的效能、可靠性和安全性有了巨大的提高。

FPGA技术的出现给嵌入式处理提供了十分便捷的途径,已经融入雷达系统设备的各个方面。)

[2-3]

物理特征:要实现雷达目标成像、探测和识别等功能,即需要充分利用目标回波的延伸特征、物理特征、反射特征和统计特征,还必须将常规的信号处理与数据处理紧密结合起来方能实现。因而,必须采用兼顾信号处理和数据处理的高性能计算系统来实现,采用标准化的并行处理模块来实现,设备采取复用模式,环境条件相对室外环境要好些;

功能特征:主要集中在滤波、目标检测、目标成像、参数提取、目标识别、信息融合等,设备根据不同功能

#专家论坛#

于文震:雷达信号数据处理平台发展趋势探讨2009,31(7)

实现复用,要求系统具备在线可重构能力,功能软件化较为明显;

性能特征:超高速计算、超大存储大容量、高速数据传输、高可靠性、通用性;

适用范围:雷达系统室内处理单元。

随着高速串行通信技术的发展和成熟应用,相关协议及标准应运而生。其中主要包括:RapidIO,PCIe,千兆以太网,FC,Infiniband。各协议有各自的适用范围和优缺点。总的来说,PCIe与PCI软件兼容,

高带宽,低成本,应用最为广泛;串行RapidIO效率高,延迟低,最适合高性能嵌入式系统应用;FC-AE规定了光纤通道在航电系统中的应用,适用于航空电子总线。

PCIe可以简单地看作是PCI总线采用高速串行方式传输,其基本的架构是PCI树。适合于模块内如PC机的CPU与外设间的局部互连。

RapidIO技术主要面向高性能嵌入式系统的互连通信,它采用高性能LVDS技术,可以在4对差分线上实现10Gb/s的有效传输速率,而且具有比万兆以太网、PCIe更高的传输效率。由于RapidIO在路由、交换、容错纠错、使用方便性上有较完善的考虑,可以实现基于硬件的高性能可靠数据传输,所以必将在嵌入式系统、3G和3G之后的移动通信基站、高性能数字信号处理等系统中得到广泛应用。RapidIO是新兴的高速串行通信技术,在国内的应用还刚刚起步。但在国外如在JSF上已有应用,新一代处理器如PPC8641上集成了RapidIO接口。

FC是一种由多家计算机、网络及外设公司共同开发的新型网络互连体系结构。FC由类似于OSI的5层协议栈组成,其数据传输率可以达到10Gb/s,以铜缆或光缆为传输介质,最大传输距离可以达10km。FC还提供了多种服务来适应不同的网络应用,并透明地支持诸如TCP/IP等LAN协议。其中的FC-AE子协议规范了FC在航电系统中的应用。JSF航电系统的主干网络采用了FC-AE。3.2.2 串行总线交换技术

基于包的串行总线交换实现包的点到点、一点到多点、多点到一点互连,具有流控及总线仲裁功能,对系统传输效率有较大影响,是实现系统容错及重构的基础。

串行总线交换主要包括带内和带外2种方式。带外交换采用物理点到点连接,与通信协议无关,实现较简单并具有最小的传输延迟。但带外交换没有流控及仲裁机制,不能实现一点到多点、多点到一点互连,网络拓扑更新慢,对大型系统应用有较大限制。带内交换采用存储转发机制,具有流控及仲裁功能,可以实现基于协议的点到点、一点到多点、多点到一点互连,网络拓扑实时更新,是实现串行总线交换的主要方式。RapidIO协议采用了简单的带内交换机制,通过优化表头定义,减少了包通过交换元件时必须修改的部分,减少了交换元件的复杂度及芯片规模,提高传输效率。

)

)

3 雷达信号数据处理平台及发展趋势

3.1 雷达信号数据处理平台技术范畴

表1 雷达信号数据处理平台技术范畴

雷达信号数据处理平台技术

软件技术硬件技术系统技术

系统设计技术系统建模与仿真可视化系统开发环境系统监测与控制技术系统重构技术系统结构与环境技术模块设计技术高速电路仿真技术嵌入式系统互连技术FPGA应用技术CPU、DSP应用技术芯片设计实时操作系统中间件板级支持包

机柜、机箱、散热处理、控制、背板高速PCB协议、应用并行处理国产化第三方函数库

表1表述了雷达信号数据处理平台所涵盖的技

术。从表中不难发现其范围很宽,其中任何一个单项都是相对独立的专业技术研究领域。在这里我们不一一加以研究,就雷达系统信号预处理和信号主处理中关注的几个热点进行研究,如嵌入式系统互连技术、FPGA应用、CPU/DSP技术、软件技术、处理平台系统架构技术等。

3.2 嵌入式系统互连技术

为实现雷达系统的各种复杂功能和性能,信号数据处理平台必须具备可扩展、可重构的特点,而传统的基于并行总线的信号数据处理平台无法有效地平衡数据传输带宽、数据存储容量、数据处理能力,而随着集成电路的飞速发展,基于高速串行通信技术和串行交换的嵌入式系统互连技术为系统的实现提供了可能。3.2.1 高速串行通信技术高速串行传输技术的发展趋势是由共享的并行总线技术向内嵌时钟的高速串行总线技术发展。并行总线传输速度目前已到百兆,在工程实现上已很难有所突破,并行总线的发展空间已相当有限。基于编码技术(如8B/10B)的高速串行互连,完全打破了并行总线的束缚,目前单向波特率已突破10Gb/s,可以大幅度提高系统数据交换带宽,具有良好的发展空间。

2009,31(7)现代雷达

串行总线的物理交换模块,实现简单高效的系统互连,网络拓扑可在线更新,实现简单的系统容错和重构功能。

基于串行RapidIO总线的交换模块,采取RapidIO总线交换技术,实现灵活高效、低延时的交换,实现Ra-pidIO网络管理,是大型RapidIO网络工程应用的关键。3.3 FPGA技术

二十多年来,FPGA为世人提供了最灵活、适应性极强、快速的设计环境。早期的DSP设计人员利用FPGA实现规整的逻辑电路和数字处理电路,但随后发现将FPGA与DSP结合可以使得FPGA和DSP的性能得以最大的发挥。

在数字通信、军事、国防、视频和图像市场需求的助推下,随着乘法器和加法器性能和数量的增长,对功耗进行管理也变得越来越困难,FPGA设计厂商进一步做出调整,成功应对了一系列独特挑战,使极大规模并行实施方式跨上了一个新台阶。主要突破集中在以下几个方面。3.3.1 内嵌DSP或高速处理单元

Xilinx的工程师们设计出了DSP48Slice,使这一难题迎刃而解。DSP48Slice是一种超低功耗、高性能、全方位的数字信号处理元件,可方便地实现级联,而不占用任何FPGA架构资源。此元件在Virtex-5器件中得到进一步加强,并重新命名为DSP48ESlice,能支持更高的精度、SIMD(单指令多数据)操作、集成模式检测电路和逻辑单元。

ALTERA则提供了高速的自适应逻辑单元和快速乘法累加器。

3.3.2 高速数据传输

Xilinx在此平台中使用了运行速度达3.125Gb/s的集成高速串行通道,在芯片上输入和输出数据变得更为快捷。而ALTERA提供了更为高速的输入输出性能,达到11.3Gb/s。3.3.3 灵活的应用模式

FPGA厂商提供的Hardcopy应用可以为用户提供基于FPGA技术的ASIC应用能力。3.3.4 FPGA技术的瓶颈-功耗

FPGA虽积极使用最先进的工艺技术提升效能、降低成本,但工艺日益复杂的结果是:晶体管的漏电流愈来愈大,包括从源极到汲极之间的电流漏往基极,也包括门极直接漏至基极。不过,FPGA本身因具备可程序化的天性,其逻辑门电路用量必然高于ASIC,因此其功耗用电确实很难收敛。

到目前为止,因为功耗原因,一般使用电池的手持)

[6]

式设备均不能有效地使用FPGA,至多是使用逻辑门数目较少的CPLD。现在FPGA业者都以降低FPGA功耗为重要的研发目标。

3.3.5 FPGA在雷达系统中的应用

雷达系统不可能像商用消费电子那样大规模量产,因此ASIC技术在雷达系统中的应用势必会受到一定的限制,而FPGA因为其灵活性、适应性和快速的设计环境和较高的性能在雷达信号处理系统的各种预处理、接口控制电路中得到广泛应用。3.4 CPU/DSP

[7-8]

CPU和DSP在以往很长一段时间内是2条独立的技术路线。3.4.1 DSP

DSP强调的是高速实时运算和高速数据流水率,以TI、ADI公司为代表。其典型应用为嵌入式设备,其关键指标为低功耗。

在相当长的时期内,无线应用仍是DSP市场的驱动引擎。DSP技术仍是能够满足窄带、宽带或是无线互联网的主要手段,它还是新兴的IP电话市场的关键技术,DSP仍是整个半导体工业的技术驱动力。

在产品应用上,目前重要的DSP应用产品,如移动电话、调制解调器、HDD等个人计算机与通信领域。但种种迹象表明,数字革命促进了高性能DSP的广泛应用,如数码相机、VoIP电话和手持电子设备等。在消费电子产品上的发展更为引人注目,许多消费类电子产品需要更低成本、更易使用的DSP产品,如音响设备、DVR、机顶盒等。整体来看,DSP应用在通信领域、数字影音的产品将越来越普及。

而在雷达信号处理应用方面,DSP在分布式预处理中将会有较大的应用空间。3.4.2 CPU

CPU强调的是高性能的处理能力和便利的I/O能力,以Intel、IBM、AMD公司为代表。其典型应用为各种计算机、服务器和工作站等高性能处理机,其关键指标是高处理速度和精度。

IBM公司的Power系列处理器,基于RISC架构,2007年5月24日,IBM推出IBMPower6处理器,该款双核Power6处理器速度是上一代Power5处理器的2倍,达到4.7GHz核心频率,但是运行和散热方面所消耗的能耗是相同的。与前两代产品一样,Power6着重于系统架构。每个Power6微处理器单元(MPU)作为2路单芯片多处理器(CMP)设计来实现,340mm的一块芯片上集成了2个同步多线程处理器以及每个核心都有的专用二级高速缓存。同时Power6处

2

#专家论坛#

于文震:雷达信号数据处理平台发展趋势探讨2009,31(7)

理器推出,打造了很多个业界的第一,在硬件上进行十进制数浮点计算的微处理器。另外,Power6处理器采用IBM先进的65nm工艺技术构建,还采用了用于节省电力和降低处理器内部热量的技术,在IBMsystemp和i系列服务器中均采用Power6处理器。而即将于2010年推出的Power7采用45nm工艺,8个硬件内核,每个内核支持独立4线程机制,2颗Power7构成一个芯片模块,即每个模块为16个核心,64线程。无论生产工艺、核芯数量、浮点性能都有很大提高。据IBM报道,Power7每核芯的性能是32GFlops,是Pow-er6的2倍。

Intel公司,/Larrabee0反映了英特尔未来CPU架构的发展方向,Larrabee的核心理念是最新的x86指令LNI(LarrabeeNewInstruction,Larrabee新指令)以及CPU核心网络。而且,Larrabee还引导着英特尔主流CPU技术的发展趋势。在现有4核处理器的基础上,将先后推出6核/Gulftown0、8核/Nehalem-EX0和16核处理器。

AMD公司在目前4核的Istanbul基础上,也将很快推出8核芯的整合型处理器/Montreal0。

从雷达应用来看,CPU的应用将以服务器和工作站的形式为雷达系统提供高性能的信息处理功能,尤其在系统地面分析和后处理方面,对于未来基于网络信息化对抗体系中的雷达系统而言,大量的信息综合和融合处理、数据挖掘和人工智能技术的实现均离不开高性能的服务器和工作站。3.4.3 PowerPC

介于DSP和CPU之间的另外一种器件是Power-PC处理器,以Freescale和IBM公司为代表,其性能介于DSP和CPU之间,兼有低功耗和高性能的特点。

飞思卡尔半导体推出QorIQP4080多核处理器,一个旨在为嵌入式多核空间中的性能、功效和编程性设定新标准的非常先进的8核通信处理器。

P4080多核处理器是飞思卡尔新QorIQ产品线的标志性成员,基于45ns处理技术。它集成了增强的PowerArchitecture内核、3级缓存分层、创新TM

CoreNet片上结构和数据路径加速,可在最大30W的功率电路内提供卓著性能。

QorIQP4080能够并行处理控制平面、数据平面和应用层的处理任务,它非常适合于联网、电信、工业、军事和航天领域的一些应用,如交换机、企业和服务提供路由器、接入和媒体网关、基站控制器、无线网络控制器(RNC)和通用嵌入式计算系统。

P4080的架构特点:

TM

(1)P4080SoC内置8个增强型PowerArchitec-ture

TM

e500mc内核,目标直指1.5GHz的最高频率。

每个内核都有其自己的专用128KBL2后端缓存,并能够接入2MB共享前端L3缓存。完全的处理器独立性(包括启动和重置各单个e500mc内核的能力)是该器件最显著的特征。内核可以作为8八个对称多处理(SMP)内核、8个完全不对称多处理(AMP)内核,或者它们也可以SMP和AMP组的组合且以不同程度的独立性进行运行。此外,内核还能够运行不同操作系统(OS)或者在无OS情况下运行,为用户提供了在控制、数据路径和应用处理间进行分区的极大灵活性。

(2)整体性能通过数据路径加速架构(DPAA)得以增强,而DPAA同时又提供高联网性能,降低软件复杂性。该加速架构与内核一起,管理分组路由、安全、服务质量和深度分组检测,让内核把注意力集中到增值服务和应用处理上来。由于消除了其他多核方法中常见的一些与共享总线/共享存储器架构有关的总线争夺、瓶颈和延迟问题,CoreNet结构因此也提高了性能。

(3)QorIQP4080内置许多高速I/O技术,包括2个10-Gbps以太网(XAUI)控制器、8个1Gb/s以太网(SGMII)控制器、3个运行在最高5GHz频率上的PCIExpressV2.0控制器/端口、2个运行在最高3.125GHz频率上的串行RapidIO1.2控制器/端口。3.4.4 DSP/CPU在雷达信号处理中的应用

从雷达系统的技术需求和DSP/CPU的技术发展趋势来看,DSP处理器存在于分布式、低功耗的预处理和控制系统中;PowerPC系列的处理器对于雷达系统嵌入式综合处理器是满足高性能和实时处理的不二选择;而基于高性能CPU的服务器和工作站是雷达系统后处理的最佳选择。3.5 软件技术

实时、高速、并行处理系统中不管是DSP、CPU甚至是FPGA的应用均离不开软件,软件研发的比重越来越大,尤其在研制周期中,工作量(即人力资源成本)已经占很大比重,超过70%;另一方面,随着多核芯片、并行指令集的迅速应用,软件设计以及性能的保证不能再依赖设计人员的手工编程和调试;再者,产品研制到投入市场的时间越来越短,往往需要在半年到一年时间内完成,因此如何扩大软件规范、继承和重用是软件技术需要重点解决的技术问题。当然软件技术还涉及到软件工程过程改进、软件测试及评价等另外多个领域的知识。在此,我们仅关注与平台设计和应用密切相关的软件技术问题。

)

)

2009,31(7)现代雷达

3.5.1 模拟开发环境

随着多核芯片的迅速面世,如何加快应用开发,实现多核器件的新可视性化?即开发人员在模拟环境中开发,一切都是确定的,一切都具有可视性,一切都可以控制,一切都没有现实世界的硬件限制。采用这样的混合模式,开发人员可以对内核和代码进行分区,可以部署和运行操作系统,开发、调试和测试软件。还允许软件开发人员对他们的驱动器、中间件和应用代码进行性能调整。当然还应该支持一些高级调试,如基于Aurora协议的高速追踪、连接追踪、综合指令追踪、监视点触发、事件间触发、性能监视和其他一些调试功能,这些功能支持实现复杂交互的最大可视性所必需的动态调试,而复杂交互可能出现在运行不同内核上的任务之中。

典型的例子是飞思卡尔在QorIQP4080多核芯片开发时,同时研制和推出了这样的开发环境。3.5.2 嵌入式实时操作系统

实时系统(RTOS)是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度,而且跟这些操作进行的时间有关。/在确定的时间内0是这个定义的核心。也就是说,实时系统是对响应时间有严格要求的。如果操作系统能做到不死机,且响应速度有保证就可以用于各种控制目的。用于控制目的时,多任务是必要的,而多用户往往并不需要,尤其是在嵌入式应用中。因此,可以将UNIX多用户那部分功能去掉,并根据嵌入式应用的特点,舍弃一部分不必要的功能,即对内核进行裁剪、压缩,并提供应用程序的调试环境,以适应嵌入式应用中要求占用内存少的特点,这就是嵌入式多任务实时操作系统。

实时系统通常分为硬实时和软实时系统。前者意味着存在必须满足的时间限制,而后者意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的。

实时调度算法主要有3种,比较经典的是事件发生率单调算法。该算法事先为每个任务分配一个与事件发生频率成正比的优先级,调度程序总是调度优先级最高的就绪任务,必要时将剥夺当前任务的CPU使用权,让高优先级的任务先运行。这种算法被证明是最优的,也是为大部分实时内核所采用的调度方式。另一种流行的实时调度算法是最早截止优先算法。当一个事件发生时,对应的任务被加到就绪队列中,该队列按照截止期限排序,截止期限最短的优先级最高。对周期性事件,截止时间即为事件下次发生的时间。第3种算法首先计算各任务的富裕时间,称作裕度。如果一个任务需要运行20ms,而它必须在25ms)

内完成,则其裕度为5ms。该算法称为最少裕度法,即选择裕度最少的任务。

尽管通过这3种算法中的任何一个都可以将分时操作系统转化为实时操作系统,但实际上,由于前者的

任务切换时间太长,实时性能都比较低,所以实时系统一般都采用专用的实时操作系统。这些实时操作系统的主要特征有:规模小;中断被屏蔽的时间很短;中断处理时间短;任务切换很快。

常见的实时操作系统有VxWorks,VRTX/OS,pSOS+,RTMX,OS/9和LynxOS等等。

3.5.3 中间件技术

在软件行业时下最流行、最热门的技术可以说是中间件技术。它能够为用户提供快速赢利的研发模式。当然随着多核SOC芯片、NOC的不断推出、基于高速数据交换网络的可重构处理平台的逐渐出现,以往在互联网、分布式云计算等系统中面向各种应用的中间件技术也逐步引入处理平台,以便实现现有系统整合、不同应用、持续可用。中间件技术就是这样一种分布式事务处理的基础结构,不仅能够充分发挥现有技能和应用资源的作用,而且还具备基于标准的互操作性以简化集成。

目前中间件大多采用面向服务的架构、灵活的伸缩性、可靠性和可扩展的基础结构。

在面向服务的架构方面主要包括:高性能消息引擎、面向服务的基础结构、功能强大的API、高度分布的事务处理和基于Web的图形化管理功能。

在伸缩性和可靠性方面主要包括:复制服务框架;事务队列;监测;运行、控制和管理(OA&M)服务;安全性服务;插入型安全性框架。在可扩展的基础结构方面主要包括:域网关(DG)架构。3.6 处理平台系统架构技术

[10]

[9]

根据雷达系统对信号数据处理的需求分析和信号处理平台技术进步分析,处理平台系统架构也随着集成电路的快速发展而不断演变。考虑处理平台系统架构的核心问题是依据雷达信号处理平台所需要实现的功能和性能,平衡传输速率、存储容量和处理速率,主要涉及并行处理架构和数据交换模式。3.6.1 多指令多数据流并行处理架构

在系统架构方面,从以往的单指令单数据流(SISD)向单指令多数据流(SIMD)、多指令多数据流(MIMD)发展。采用多核、并行处理模型适应MIMD架构。3.6.2 基于高速串行数据交换的高速串行总线在系统内部互联方式上以往采取并行总线实现,如我们熟悉的Multibus、PCI、CPCI、VME总线等,而总线最

#专家论坛#

于文震:雷达信号数据处理平台发展趋势探讨2009,31(7)

大的局限在于总线的传输速率。目前最大能够达到的速率在百兆量级。而现有的雷达系统要求具备多功能、多模式。因此,需要系统具备可重构的功能,系统内部互联采取具备类似于网络交换的高速数据交换功能。

VITA46标准可以满足先进的处理平台系统架构。

VITA46定义了一种新的7排高达6.25Gb/s的高速I/O连接器,可全面支持当前和即将实现的互联标准和多Gbit串行数据率。这些标准包括sRapidIO、PCIE、AdvancedSwitching,InfinBnad,同样也包括数字视频、10GbitEthernet、SA-SCSI、SATA、RocketIO等。VITA46标准可满足防务和航空航天的典型应用,如高速I/O、空间制约、苛刻的环境、电磁兼容性等。

ofinformationwarfare[M].Beijing:NationalDefenceIndus-tryPress,2008.

[3] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京:电子工业

出版社,2006.

ZhangGuangy,iZhaoYujie.Phasedarrayradartechnology[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2006.[4] 邢孟道.雷达信号处理基础[M].北京:电子工业出版

社,2008.

XingMengdao.Radarsignalprocessingfoundation[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008.[5] 吴顺君.雷达信号处理和数据处理技术[M].北京:电子

工业出版社,2008.

WuShunjun.Radarsignalanddataprocessingtechnology[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008.[6] 王伶俐,杨 萌,周学功.深亚微米FPGA结构与CAD设

计[M].北京:电子工业出版社,2008.

WangLinl,iYangMeng,ZhouXuegong.DeepsubmicronFPGAframeworkandCADdesign[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008.

[7] 彭启琮.达芬奇技术)数学图像/视频信号处理新平台

[M].北京:电子工业出版社,2008.

PengQicong.Vincitechnology-thenewdigitalpicture/videosignalprocessingplatform[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008.

[8] 李海森,李恩纯,周 天.高速DSP原理、应用与实验教

程[M].北京:清华大学出版社,2009.

LiHaisen,LiEnchun,ZhouTian.High-speedDSPprinc-iple,applicationandexperimentcourse[M].Beijing:Tsing-huaUniversityPress,2009.

[9] 陈 慧.嵌入式软件[M].北京:电子工业出版社,2009.

ChenHu.iEmbeddedsoftware[M].HouseofElectronicsIndustry,2009.

[10] 古志民,孙贤和.并行计算机系统结构与可扩展计算

[M].北京:清华大学出版社,2009.

GuZhimin,SunXianhe.Theframeworkofparallelcom-puterandextendablecompute[M].Beijing:TsinghuaUn-iversityPress,2009.

Beijing:Publishing

4 结束语

根据雷达系统的需求分析和雷达信号数据处理技术的发展趋势,现代雷达信号数据处理平台将呈现2个主要的技术发展脉络。

1)基于FPGA或/和低功耗DSP的分布式信号预处理技术,这一部分功能和性能随着射频数字化的技术进步而发展。

2)基于多核PowerPC或/和多核CPU的信号主处理平台技术,这部分主要具有4个特征:(1)信号处理和数据处理兼容;(2)支持实时操作系统;(3)通过中间件技术和函数库技术实现应用程序高级语言化;(4)基于高速串行数据交换的可重构系统架构。

参考文献

[1] 吕广跃.电子情报(ELINT))雷达信号截获与分析

[M].北京:电子工业出版社,2008.

LvGuangyue.Electronicintelligence(ELINT)-radarsig-nalinterceptionandanalyse[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2008.

[2] 王小谟,张光义.雷达与探测)信息化战争的火眼金睛

[M].北京:国防工业出版社,2008.

WangXiaomo,ZhangGuangy.iRadaranddetect-theeye

专家介绍

于文震 男,1965年生,研究员级高级工程师,1987年毕业于南京大学数学系。历任南京电子技术研究所研究室主任、研究部主任、副总工程师、首席专家。为中国电子学会高级委员,信号处理分会会士;中国航空学会会员;中国电子科技集团公司电子测试技术国防科技重点实验室学术委员会委员;中国电子科技集团公司低温电子技术研发中心学术委员会委员;江苏省/333高层次人才培养工程0培养对象;总装通用测试技术专家组成员。

于文震首席专家长期从事雷达信号处理、数据处理、测试技术的研究与设计工作,是我国雷达信号处理、数据处理和雷达系统测试技术的学科带头人,发表论文数十篇,在系统可测试性设计、软件工程化、雷达系统工程、雷达信号处理系统和算法研究、雷达数据处理、雷达组网、数据融合和数据链应用等方面有着深入的研究和独到的见解。

)

)