韓衛(wèi)國，朱　潤，陸廣馳(.9404部隊(duì)，河北秦皇島06600;.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京53)

?

基于VxWorks與PowerPC的雷達(dá)信號(hào)分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓衛(wèi)國1，朱潤2，陸廣馳2
(1.91404部隊(duì)，河北秦皇島066001;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153)

摘要:針對(duì)當(dāng)前密集復(fù)雜的電磁環(huán)境下雷達(dá)信號(hào)分選實(shí)時(shí)性與有效性問題，介紹了一種雷達(dá)信號(hào)分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks與高性能PowerPC處理器的組合平臺(tái)，并采用了一種密集電磁環(huán)境下的自適應(yīng)信號(hào)分選算法。通過合理分配任務(wù)結(jié)合相適應(yīng)的任務(wù)間和CPU間通信方式，使得整個(gè)算法流程能夠在四片PowerPC上有序高效地運(yùn)行，從而在平臺(tái)與算法兩方面保證雷達(dá)信號(hào)分選的實(shí)時(shí)性與有效性。

關(guān)鍵詞:VxWorks; PowerPC;雷達(dá)信號(hào)分選

0　引言

隨著雷達(dá)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境下，空間電磁環(huán)境空前復(fù)雜、密集，這對(duì)電子偵察的手段與性能都提出了更高的要求［1］。作為電子偵察的重要環(huán)節(jié)——雷達(dá)信號(hào)分選處理的數(shù)據(jù)量愈加龐大，任務(wù)愈加繁重，算法愈加復(fù)雜。通常采用的高速DSP由于算法設(shè)計(jì)難度較高，軟件繼承性較差，已越來越難以應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的問題。一種基于新體制通用處理平臺(tái)的雷達(dá)信號(hào)分選系統(tǒng)便成為了迫切需求。

1　VxWorks與PowerPC簡介

采用“高性能通用處理器+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”組合的平臺(tái)具有運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性高、算法設(shè)計(jì)靈活、軟件可移植性與可繼承性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好地滿足現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)分選的需求。

1.1實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是風(fēng)河公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。VxWorks操作系統(tǒng)主要有如下特點(diǎn):

·實(shí)時(shí)性:通過極短的任務(wù)間切換時(shí)間(微秒級(jí))與高效的多任務(wù)控制機(jī)制(優(yōu)先級(jí)搶占調(diào)度與輪轉(zhuǎn)調(diào)度)，充分保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

·多任務(wù):由于外部事件的異步性，VxWorks允許對(duì)各個(gè)外部事件建立多個(gè)任務(wù)來執(zhí)行。系統(tǒng)通過給這些任務(wù)分配CPU時(shí)間來獲得并發(fā)性。

·可剪裁性:開發(fā)者可以根據(jù)自己的需要對(duì)Vx-Works操作系統(tǒng)的功能與大小進(jìn)行增減，從而能夠保留更多的系統(tǒng)資源用于應(yīng)用程序。在某些應(yīng)用中，Vx-Works可能只有幾十KB的大小。

·可靠性:穩(wěn)定、可靠一直是VxWorks的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。自從對(duì)中國的銷售解禁以來，VxWorks以其良好的可靠性在中國贏得了越來越多的用戶。

1.2高性能PowerPC處理器

PowerPC通常指的是使用PowerPC指令集的處理器。隨著PowerPC的發(fā)展，其在性能、集成度、功耗等優(yōu)勢方面不斷得到突破，使用PowerPC架構(gòu)的處理器已經(jīng)在通信、工控、國防軍工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的VPX6-Q8640D處理板包含了四片F(xiàn)reescale公司的先進(jìn)雙核處理器MPC8640D。該處理器具

有如下特點(diǎn)［2］:

·雙核處理器:處理器工作主頻1.0 GHz，具有兩個(gè)e600內(nèi)核，支持對(duì)稱多處理器(SMP)工作模式，便于組成多處理器并行處理系統(tǒng);

·集成度高:內(nèi)部集成DDR2內(nèi)存控制器、I2C控制器、可編程中斷控制器(PIC)、以太網(wǎng)控制器等多種設(shè)備，支持4x Serial RapidIO與8x PCI Express兩種高速通信接口標(biāo)準(zhǔn);

·矢量浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng):支持AlteVec矢量處理技術(shù)，具有32GFLOPS的最高處理能力;

·功耗較低:典型功耗為14 W，相比x86架構(gòu)的CPU具有更好的性能/功耗比;

2　雷達(dá)信號(hào)分選流程

整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)分選的流程如圖1所示。

圖1　信號(hào)分選流程

數(shù)據(jù)接收部分主要接收前端送來的數(shù)據(jù)包，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)、解包，完成PDW(脈沖描述字)格式轉(zhuǎn)換。

預(yù)處理部分主要利用AOA(脈沖到達(dá)角)、CF(載頻)、PW(脈寬)等進(jìn)行聚類，對(duì)脈沖流密度進(jìn)行稀釋，從而降低后面信號(hào)分選的計(jì)算壓力。

信號(hào)分選常見的算法有累積差直方圖法(CDIF)［3］、序列差直方圖法(SDIF)［4］。這兩種算法不具備二次及高次諧波的抑制能力。Nelson提出的PRI變換法［5］加入了相位因子，能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的抑制，同時(shí)也較大地增加了算法計(jì)算的復(fù)雜度。綜合考慮雷達(dá)信號(hào)分選的實(shí)時(shí)性與有效性，本系統(tǒng)采用了一種密集電磁環(huán)境下的自適應(yīng)信號(hào)分選算法［6］。該算法基于PRI變換法，可以根據(jù)脈沖流密度自適應(yīng)地調(diào)整信號(hào)分選算法處理的相關(guān)參數(shù)，將信號(hào)分割為高、低重頻分別進(jìn)行分選，較好地解決了密集電磁環(huán)境下的信號(hào)分選問題［6］。

數(shù)據(jù)合并編批部分主要完成周期內(nèi)信號(hào)分選結(jié)果合并、虛假結(jié)果抑制、周期間分選結(jié)果關(guān)聯(lián)、方位濾波、分選結(jié)果編批等工作。

結(jié)果發(fā)送部分根據(jù)后端的需求格式將結(jié)果進(jìn)行打包，按約定的通信方式發(fā)送結(jié)果。

3　信號(hào)分選在VxWorks與PowerPC平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

本次選用的VPX6-Q8640D處理板包含了四片PowerPC處理器，信號(hào)分選在該平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)主要會(huì)涉及到三個(gè)方面:信號(hào)分選在四片CPU上的任務(wù)分配、同一個(gè)CPU上各任務(wù)之間的通信、不同CPU之間的通信。

3.1信號(hào)分選在各CPU上的任務(wù)分配

雷達(dá)信號(hào)分選在四片CPU上的任務(wù)分配采用了串行與并行處理相結(jié)合的方法。根據(jù)仿真測算，在信號(hào)分選整個(gè)流程中，系統(tǒng)的主要資源消耗集中于信號(hào)分選部分，故在四片CPU中分配兩片用于信號(hào)分選算法的并行處理，剩余兩片分別用于信號(hào)預(yù)處理與分選結(jié)果合并編批，這兩部分與信號(hào)分選算法形成了串行處理。任務(wù)分配如圖2所示。

CPU1接收到前端送來的PDW數(shù)據(jù)后進(jìn)行解包、預(yù)處理。在完成預(yù)處理后發(fā)送PDW給CPU2與CPU3之前需輪詢兩個(gè)CPU當(dāng)前的狀態(tài)，若其中任何一個(gè)處于空閑，則將PDW發(fā)送給此CPU進(jìn)行分選操作。CPU2與CPU3分選結(jié)束將完成信息反饋給CPU1，將自己置為空閑狀態(tài)，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送給CPU4進(jìn)行數(shù)據(jù)合并編批，并將完成編批的結(jié)果發(fā)送出去。

圖2　任務(wù)的分配

3.2 CPU內(nèi)任務(wù)間的通信

在同一個(gè)CPU內(nèi)不同任務(wù)間存在相互通信的情況，如圖2中CPU1內(nèi)PDW接收與預(yù)處理兩個(gè)不同任務(wù)都需要訪問PDW緩存。對(duì)與此情況VxWorks操作系統(tǒng)提供了豐富的任務(wù)間通信機(jī)制，用于協(xié)調(diào)多個(gè)獨(dú)立任務(wù)間的活動(dòng)。任務(wù)間的通信方式主要有如下幾種方式:

(1)共享內(nèi)存:任務(wù)間最常用的通信方式。操作系統(tǒng)中所有的任務(wù)都處于同一個(gè)線性地址空間中，所以通過共享內(nèi)存來共享數(shù)據(jù)比較容易實(shí)現(xiàn)。

圖3　共享內(nèi)存

(2)信號(hào)量:在VxWorks操作系統(tǒng)中，該通信方式被高度優(yōu)化，并提供了最快的任務(wù)間通信機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)資源互斥與任務(wù)同步。

(3)消息隊(duì)列:可以有多個(gè)任務(wù)讀寫，交換信息的基本單位為消息，允許多個(gè)不同長度的消息排列在緩沖器中。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用了共享內(nèi)存和信號(hào)量兩種通信相結(jié)合的方式。共享內(nèi)存主要用于任務(wù)間傳遞數(shù)據(jù)，但由于可能出現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)訪問該內(nèi)存導(dǎo)致某個(gè)任務(wù)讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的同時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)被另一個(gè)任務(wù)改寫，從而發(fā)生錯(cuò)誤。為避免任務(wù)間的競爭，采用二進(jìn)制信號(hào)量能有效地對(duì)共享內(nèi)存的訪問進(jìn)行互鎖。圖2中CPU1中PDW接收與預(yù)處理兩個(gè)不同任務(wù)訪問PDW緩存的流程如圖4所示。

圖4　PDW接收與預(yù)分選任務(wù)通信流程

3.3 CPU之間的通信

在使用多CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸與同步需要CPU之間可以進(jìn)行通信。VPX6-Q8640D處理板CPU之間的通信方式主要有網(wǎng)絡(luò)、PCIE、Serial RapidIO(SRIO)等。本系統(tǒng)選用SRIO方式來實(shí)現(xiàn)CPU之間的互聯(lián)通信。每個(gè)CPU通過板上SRIO SWITCH與其他CPU進(jìn)行互連，每個(gè)CPU有一個(gè)×4的3.125Gbps SRIO串行總線接口，提供雙向1.25GB/s的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)帶寬連接到板上SRIO SWITCH。由于SRIO交換機(jī)是非阻塞機(jī)制的，多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸可以在同一時(shí)間并發(fā)。例如，CPUA可以傳輸數(shù)據(jù)到CPUB，同一時(shí)間CPUB可以發(fā)送數(shù)據(jù)到CPUD。

本系統(tǒng)CPU之間使用SRIO方式進(jìn)行通信的主要流程如圖5所示。

圖5　CPU之間SRIO通信方式

在通信開始前，發(fā)送CPU與接收CPU需分別初始化自己的發(fā)送、接收窗口，將自己的內(nèi)存窗口地址映射到通信總線。發(fā)送CPU通過DMA方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線地址，此時(shí)由于接收CPU已將自己的內(nèi)存地址映射到總線上，通信的數(shù)據(jù)相當(dāng)于直接寫入了接收CPU內(nèi)存中。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后，發(fā)送CPU向接收CPU

發(fā)送門鈴，通知其數(shù)據(jù)已傳輸完畢。接收CPU收到門鈴后產(chǎn)生中斷，獲取門鈴號(hào)，通過門鈴號(hào)從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并執(zhí)行與門鈴號(hào)相對(duì)應(yīng)的操作。

4　結(jié)束語

隨著通用處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，基于高性能通用處理器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)將更富競爭力。相比DSP專用處理器，該平臺(tái)能夠在操作系統(tǒng)支持下既能保證實(shí)時(shí)性，又能增加軟件設(shè)計(jì)的靈活性，縮短開發(fā)周期，降低后期維護(hù)成本。此外在較為復(fù)雜的多任務(wù)程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行合理的任務(wù)分配、任務(wù)間與CPU間通信機(jī)制的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性有著至關(guān)重要的作用。此雷達(dá)信號(hào)分選系統(tǒng)在某型號(hào)雷達(dá)中得到具體應(yīng)用，經(jīng)過長時(shí)間驗(yàn)證運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，取得了良好的效果，對(duì)基于VxWorks與PowerPC平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒作用。

參考文獻(xiàn):

［1］王文光，常偉光，王俊.對(duì)基于PRI譜計(jì)算脈沖重復(fù)間隔的一種改進(jìn)方法［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2006(4):22-24.

［2］Freescale Semiconductor Inc.MPC8640 and MPC8640D Integrated Host Processor Hardware Specifications［M］.America: Freescale Semiconductor Inc，2014.

［3］Mardia H K.New Techniques for the Deinterleaving of Repetitive Sequences［J］.IEE Proceedings，1989，136(4):149-154.

［4］Milpjevic D J，Popovic B M.Improved Algorithm for the Deinterleaving of Radar Pulse［J］.IEE Proceedings，1992，139(1):98-104.

［5］Nelson，D J.Special purpose correlation functions for improved signal detection and parameter estimation［C］.In Proceedings of International Conference on Acostics，Speech，and Signal Processing(ICASSP’93)，1993.4:73-86.

［6］蘇彥華，胡進(jìn).一種密集電磁環(huán)境下的自適應(yīng)雷達(dá)信號(hào)分選算法［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2012，32(3): 12-15.

Design of radar signal sorting system based on VxWorks and PowerPC

HAN Wei-guo1，ZHU Run2，LU Guang-chi2
(1.Unit 91404 of the PLA，Qinhuangdao 066001，China; 2.No.724 Research Institute of CSIC，Nanjing 211153)

Abstract:In view of the real-time and effectiveness problems of radar signal sorting under the dense and complex electromagnetic environment，a radar signal sorting system is designed.Based on the combined platform of the VxWorks real-time operating system and the PowerPC high-performance processor，the system adopts an adaptive signal sorting algorithm in the high-electromagnetic-density environment.Reasonable task allocation combined with the suitable communication modes between the tasks and the CPUs is used to make the whole process of the algorithm run orderly and efficiently on four PowerPCs.Therefore，the real-time performance and effectiveness of radar signal sorting are achieved in both the platform and the algorithm.

Keywords:VxWorks; PowerPC; radar signal sorting

作者簡介:韓衛(wèi)國(1965-)，男，高級(jí)工程師，研究方向:雷達(dá)試驗(yàn)與測量技術(shù);朱潤(1984-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理;陸廣馳(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

收稿日期:2014-12-19;修回日期:2015-01-05

文章編號(hào):1009－0401(2015)01－0021－03

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):TN911.7