基于PowerPC的脈內實時分析處理技術

曹俊紡,趙 航，吳 昊，翟曉宇

(1.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153；2.海軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

雷達信號脈沖脈內精細分析處理由于中頻數據量大，單CPU在完成數據分析與處理功能時會導致數據處理速度過慢，不滿足實時性處理要求。PowerPC是目前業界單片高性能的處理器芯片，其最高工作頻率達到1.5 GHz，而內置的AltiVec模塊提供了SIMD結構的浮點矢量運算硬件加速單元，具有很高的運算性能[1]。本文提出一種基于PowerPC的脈內實時分析處理技術，能有效提高數據處理的速度，達到實時分析處理，具有較好的性能。

1 技術原理

1.1 4片PowerPC CPU的任務劃分與脈內算法

本文的PowerPC型號為MPC8640，操作系統為VxWorks，在PC機上使用Workbench集成開發環境來開發VxWorks系統的程序代碼。在一塊PowerPC板卡上有4片處理器，可以使用VxWorks系統合理劃分各個CPU之間的任務。這樣能提高數據處理的運算速度和運行性能。為了加快脈內特征分析處理的速度，本文對4片處理器進行如下的任務設計：

(1) CPU-A接收前端硬件FPGA發送過來的脈沖數據包，開辟4段緩存存放脈沖數據；創建索引，對脈沖數據解包，并將解包的脈沖結構體變量發送給另外3個CPU中閑置的CPU；每段緩存發送完所有的脈沖數據后清空。

(2) CPU-B和CPU-C接收CPU-A發送來的脈沖結構體變量，對脈沖中頻進行下變頻等預處理；進行脈內調制類型識別、脈內特征參數估測；完善PDW結構體變量；把PDW發送給CPU-D進行匯總。

(3) CPU-D一方面處理CPU-A發送來的脈沖，進行與CPU-B、CPU-C一樣的脈內特征分析處理步驟，將得到的PDW存放在PDW緩存區；另一方面接收CPU-B、CPU-C發送過來的PDW，按順序存放進PDW緩存區；緩存存放滿時將PDW按脈沖到達時間重新排序；進行輻射源分選等操作并及時清空緩存。

主要任務劃分如圖1所示。

圖1 4片CPU的任務劃分

可以看出，分析處理由4片CPU共同完成，CPU-A不斷地往另外3片閑置的CPU發送脈沖數據進行脈內分析，實現了多處理器并行處理。對于脈內處理時間，如果把預處理后的脈沖僅僅讓1片PowerPC CPU做脈內特征分析，雖然編程更加簡單容易，不需要過多劃分CPU任務與設計中斷處理等操作，但單脈沖平均處理用時較長，浪費了信號處理板卡上的硬件資源。采用多片CPU并行處理，由CPU-A做預處理后發送給CPU-B、C、D同時做脈內特征分析處理，不僅充分利用了板卡上的PowerPC CPU資源，而且一般會有2～3倍的處理加速效果。

流程設計如圖2和圖3所示。

圖2 PPC上脈內調制類型識別的綜合設計

圖3 PPC上脈內參數估測的綜合設計

1.2 提高處理速度的方法

為了加快數據處理速度，達到實時性，需要對多CPU并行處理做一定的改進，主要步驟如下：

Step1CPU-B、C接收到CPU-A發送來的脈沖數據時默認其為常規單載頻信號，由相位差法粗測載頻，將粗估計計算的PDW發送至CPU-D。

Step2CPU-D對CPU-A發送來的脈沖數據進行相同的粗估計操作，同時接收CPU-B、C發送來的PDW。在PDW緩存區已裝滿后將PDW按TOA排序。

Step3CPU-D根據PDW中的信息，結合直方圖或PRI變換等方法，完成分選操作，形成輻射源描述字RDW。

Step4CPU-D在RDW里搜索脈沖幅度最大的若干PDW，根據索引向CPU-A索要這些脈沖的中頻數據；CPU-A發送相應的脈沖數據給CPU-D，CPU-D將其輸送至脈內調制類型識別與脈內特征參數估測模塊，對其進行脈內特征精細分析處理，完善PDW；PDW再根據索引匹配到相應的RDW，對輻射源信息增加脈內特征信息。

2 實驗分析

實驗分析數據脈內調制類型為常規單頻(NS)、線性調頻(LFM)、二相編碼(BPSK)和四相編碼(QPSK)，數據脈寬為10 μs。對于這幾種脈內調制類型，都用了128個測試中頻數據進行PowerPC上處理總用時測試(總用時包括了脈內分析、分選、融合等處理操作)。方法優化前后的用時對比如表1所示。

表1 優化前后用時對比(單位s)

由表1可以看出，優化的方法采用粗估計及參數匹配方法進行輻射源脈沖脈內分析，節約了時間，提升了數據處理速度。對于簡單的常規單載頻信號，總的處理用時有6～7倍的優化。對于復雜調制的線性調頻、相位編碼等信號，總的處理用時有14～16倍的優化。優化效果非常明顯，實時性能相比之前有了很大提高。

對含有NS和LFM兩種不同脈內調制類型的輻射源信號進行分析處理，給出的參考數值與處理結果如表2和圖4所示。

表2 測試數據的參考數值

圖4 兩種輻射源信號的處理結果圖

由圖4可以看出，優化方法先將兩個輻射源分選出來，然后通過對特定的脈沖進行索要索引、脈內分析處理的操作，對輻射源參數進行了匹配，達到了較好的效果。

最后給出適用的信噪比條件。實驗通過采集每種調制類型信號在SNR=20、15、10、5、0 dB條件下的幾組數據。多次實驗分析發現，這種優化方法因脈內精細分析的樣本減少有如下的信噪比要求：常規單載頻信號在信噪比不低于10 dB、線性調頻及相位編碼信號在信噪比不低于15 dB的情況下，可以準確做到脈內調制類型識別與脈內特征參數估測并完成輻射源信息修正。其他低信噪比條件下的數據調制類型識別會出現不同程度的錯誤率情況。因此，只要滿足一定信噪比要求，這種優化方法就可以達到提高數據處理速度并滿足工程精度要求的目的。

3 結束語

本文提出了一種基于PowerPC的脈內實時分析處理技術。首先對PowerPC板卡上4片CPU進行了合理任務劃分，充分利用板卡硬件資源，實現多處理器同時進行脈內分析處理；分析了提高數據處理速度的具體方法，即通過先粗估計PDW分選數據來源，再對部分脈沖脈內特征進行提取，然后對RDW參數進行匹配。對測試數據的實驗結果表明，不同調制類型信號的分析處理速度都有極大提高，實時性較好，在一定的信噪比條件下具有可行性，優化效果非常顯著。