TI的片上系統(tǒng)SoC實(shí)現(xiàn)SAR成像設(shè)計(jì)

高性能航空電子和國(guó)防應(yīng)用(包括雷達(dá))，對(duì)大多數(shù)機(jī)載系統(tǒng)的功耗限制都非常敏感。在功率有限的情況下，處理性能和功耗之間建立最佳平衡對(duì)每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都至關(guān)重要。這些系統(tǒng)擁有業(yè)界最長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期，通常以幾十年而不是幾年來(lái)衡量，因此可靠性和壽命也是選擇嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

電子戰(zhàn)，信號(hào)情報(bào)，軍事、監(jiān)視和氣象雷達(dá)，軍用飛機(jī)和通用航空控制系統(tǒng)等應(yīng)用都需要高吞吐量、高速的數(shù)據(jù)采集和處理。在將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分發(fā)給終端用戶之前，這些系統(tǒng)需要能夠從信號(hào)中提取巨大的數(shù)據(jù)量，在原始數(shù)據(jù)上應(yīng)用強(qiáng)大的信號(hào)處理算法，以提高準(zhǔn)確度和精度。



TI的66AK2L06片上系統(tǒng)(SoC)使雷達(dá)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)者能夠在系統(tǒng)成本、尺寸、重量和功率(SWaP)方面在當(dāng)前解決方案的基礎(chǔ)上提高性能。 JESD204B接口與66AK2L06 SoC的集成不僅降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且還減少了雷達(dá)應(yīng)用的空間需求。

SoC集成了可編程數(shù)字前端(DFE)，使得適應(yīng)性和可擴(kuò)展性能夠滿足不斷變化的高速數(shù)據(jù)采集和生成的需求。 開(kāi)發(fā)人員可以利用SoC上的快速傅立葉變換協(xié)處理器(FFTC)進(jìn)一步優(yōu)化SAR算法的延遲問(wèn)題?？傊鰪?qiáng)的性能、更低的功耗、更小的占地面積可以將整個(gè)系統(tǒng)成本降低50%，面積降低66%。

如何消除SWaP限制？

合成孔徑雷達(dá)由于其靈敏度高、精度高、不受天氣和大氣條件的影響以及探地能力，已成為飛機(jī)或航天器成像的首選傳感器。SAR系統(tǒng)由于信號(hào)處理的密集性，需要很大的數(shù)字處理能力?？陀^條件下SWaP的限制對(duì)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法的實(shí)現(xiàn)提出了很高的效率要求。隨著SAR設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)使用需求的不斷發(fā)展，適應(yīng)性在實(shí)現(xiàn)中也至關(guān)重要。

更高的實(shí)現(xiàn)效率和適應(yīng)性要求，讓可編程DSP核與專用加速器相結(jié)合的片上系統(tǒng)(SoC)成為了首選的處理平臺(tái)。SoC解決方案在非常低的功率水平下提供了很強(qiáng)的信號(hào)處理能力，可支持航空電子和國(guó)防(包括雷達(dá))、測(cè)試和測(cè)量、醫(yī)療和其他工業(yè)應(yīng)用。 基于TI新的KeyStone II多核架構(gòu)，66AK2L06 SoC集成了多種處理元件，包括TI固定和浮點(diǎn)型TMS320C66x數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核、最快的ARMCortexA15內(nèi)核和高級(jí)加速器。 66AK2L06 SoC配備高速JESD204B直接連接到TI高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和模擬前端(AFE)的接口。集成了用于數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波的軟件可編程DFE，進(jìn)一步減少了功率和空間，在較小的占地面積內(nèi)產(chǎn)生每瓦最佳功率。

獲得浮點(diǎn)精度不犧牲性能？

多DSP核的使用是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它有助于使越來(lái)越復(fù)雜的信號(hào)處理算法朝著波形密集型應(yīng)用的前沿發(fā)展，如航空電子、雷達(dá)、聲納、測(cè)試和測(cè)量以及波束形成。多核功能，加上擴(kuò)展的AccelerationPacs陣列和多核DSP的開(kāi)發(fā)工具，使得在非常低的功率下以緊湊的外形實(shí)現(xiàn)高性能。 航空電子和國(guó)防應(yīng)用需要多核DSP來(lái)滿足這些任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用的發(fā)展要求，包括更高的處理吞吐量、更好的分辨率，提高精確度和先進(jìn)接口的集成度。這些需要依賴于浮點(diǎn)計(jì)算來(lái)達(dá)到所需的精度。 KeyStone II體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是其多核導(dǎo)航器、TeraNet和多核共享內(nèi)存控制器，從而為JESD附加應(yīng)用程序提供了一種高度靈活和可擴(kuò)展的解決方案。

66AK2L06主要特點(diǎn)：

?兩個(gè)ARM Cortex-A15 RISC核@1.2GHz，8400 DMIPS；ARM核以超低功耗水平提供高性能RISC處理，以處理控制和管理功能

?四個(gè)TMS320C66x數(shù)字信號(hào)處理器核@1.2GHz，帶定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理，提供76GFLOPs和153GMACS

?集成DFE技術(shù)(可編程濾波器、IQ不均衡校正、上采樣/下采樣等)減輕信號(hào)處理負(fù)擔(dān)

?先進(jìn)的集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器將IP路由和IP終端從ARM/DSP核移開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)和對(duì)加密和安全的有效支持。

?FFTC將FFT/iFFT執(zhí)行的延遲提高到8K個(gè)點(diǎn)，與定點(diǎn)DSP實(shí)現(xiàn)相比具有更好的性能

?集成多核共享內(nèi)存控制器(MSMC)，核和加速器共享2兆字節(jié)內(nèi)存

?多核導(dǎo)航器為多核SoC軟件設(shè)計(jì)提供單核簡(jiǎn)單操作

?帶4×1GbE端口的以太網(wǎng)交換機(jī)

?兩個(gè)單通道PCIe Gen2接口，最多支持5 GBaud

?高度集成的SoC降低了物料清單(BOM)成本、系統(tǒng)規(guī)模和功耗

?高速JESD204B到芯片的接口優(yōu)化了電路板布局(更少的通道和管腳)，并降低了多個(gè)ADC/DAC/AFE的最多四通道(最高SerDes速度為7.37 Gbps)接口的功耗。

JESD204B

除了在硅片層面的更大集成度外，66AK2L06 SoC還實(shí)現(xiàn)了更小的BOM，降低了電路板生產(chǎn)成本。通過(guò)使用JESD204B串行通信鏈路接口，簡(jiǎn)化了電路板的設(shè)計(jì)和布局。JESD204B在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、DSP、SoC和專用集成電路(ASIC)等板載邏輯器件之間提供高吞吐量、低管腳數(shù)量的串行鏈路。

通過(guò)在數(shù)據(jù)流中嵌入時(shí)鐘并包含某些嵌入式算法以優(yōu)化數(shù)據(jù)位的采樣，JESD204B簡(jiǎn)化了設(shè)備之間的路徑，板上需要的通道明顯更少。 相比之下，要實(shí)現(xiàn)與JESD204B相同的吞吐量，更突出的SerDes接口（例如PCI Express）將需要更多的線路。更少的線路意味著設(shè)備上的I/O通道數(shù)量也會(huì)減少，從而降低管腳數(shù)，允許更小的封裝尺寸。



除了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，JESD204B還通過(guò)減少通常在其他SerDes接口（如PCIe和LVDS）使用的更多線路上執(zhí)行的設(shè)置和保持時(shí)間來(lái)縮短電路板bring-up。JESD204B是一個(gè)靈活、可擴(kuò)展的串行鏈路接口，可以適應(yīng)多種數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)交換，例如一個(gè)JESD差分對(duì)上的多個(gè)ADC或DAC。

數(shù)字前端(DFE)

通過(guò)集成數(shù)字前端(DFE)，66AK2L06 SoC將所有的高通量數(shù)字處理集成到一個(gè)優(yōu)化的軟件可編程處理單元中，該單元包括控制、基帶和DFE。因此，SoC能夠在芯片上完成各種功能，從基本信號(hào)處理(包括信道化/抽取和重采樣)到指數(shù)復(fù)乘法、濾波和FFT/IFFT，這些都是合成雷達(dá)處理算法所必需的。 雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以從片上數(shù)字上/下變頻、濾波和高效的高速連接以及最新的高速ADC/DAC中獲益。



信道化和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器接口功能，是大多數(shù)應(yīng)用必須具備的信號(hào)處理功能：

?符合頻譜發(fā)射的載波濾波

?單頻和通道的聚合和分發(fā)

?TI高速ADC和DAC的JESD204B SerDes接口

?基帶(BB)模塊提供：

每個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)的可編程復(fù)增益

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目删幊汰h(huán)路限幅器

接收數(shù)據(jù)的可編程后端自動(dòng)增益控制(BeAGC)

TX和RX通道的可編程功率測(cè)量選項(xiàng)

最多支持24個(gè)接收通道和24個(gè)發(fā)送通道

提供閉環(huán)功能

?數(shù)字上/下變頻(DDUC)：

多通道上/下變頻

靈活的輸入/輸出采樣率

可編程重采樣選項(xiàng)

可編程FIR，以滿足頻譜濾波要求

每個(gè)通道的增益、相位和分?jǐn)?shù)延遲調(diào)整

FFTC

FFTC模塊可在66AK2L06 SoC上的所有四個(gè)C66x核上訪問(wèn)，該模塊可用于加速各種應(yīng)用中所需的FFT和IFFT計(jì)算，從而為其他處理騰出DSP核心周期。

FFTC提供了以下特性：

?IFFT和FFT可處理的大?。?

2a×3b，2≤a≤13, 0≤b≤1 最大為8192

12×2a×3b×5c，12到1296之間

?16位I/Q輸入和輸出

?吞吐量根據(jù)FFT大小略有變化。例如4096點(diǎn)的FFT，對(duì)于1.2 GHz設(shè)備，它可以由單個(gè)FFTC以525 Msps的吞吐量進(jìn)行處理。

?信噪比從84dB到100dB，取決于FFT的大小

?動(dòng)態(tài)和可編程配置模式

?動(dòng)態(tài)配置模式可返回塊參數(shù)

?支持“FFT移位”(可選左/右半部分)

?支持循環(huán)前綴(添加和刪除)

?乒乓輸入、輸出緩沖區(qū)

?輸入數(shù)據(jù)隨移位可配置

?輸出數(shù)據(jù)可配置

?可補(bǔ)零

SAR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

SAR系統(tǒng)通常安裝在一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)上，如飛機(jī)或航天器，通過(guò)發(fā)射一串脈沖信號(hào)來(lái)工作，接收機(jī)收集反射回雷達(dá)的每個(gè)脈沖的回波并記錄下來(lái)。

SAR系統(tǒng)利用SAR天線在目標(biāo)區(qū)域上移動(dòng)的距離來(lái)“合成”更大的天線孔徑(天線的“尺寸”)，比傳統(tǒng)的波束掃描雷達(dá)提供更高的空間分辨率。然后，對(duì)記錄的雷達(dá)回波進(jìn)行信號(hào)處理，將來(lái)自多個(gè)天線位置的記錄合成起來(lái)，以生成圖像。

由于雷達(dá)的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光或紅外光的波長(zhǎng)長(zhǎng)得多，因此SAR可以透過(guò)云層、煙霧、濕度和黑暗而“看到”。選擇合適的頻段，可生成穿透樹(shù)葉的圖像，從而繪制樹(shù)叢下面土地的像，或者穿透地表以下或淺水。

SAR數(shù)據(jù)在時(shí)間域采集，變換到頻率域和距離多普勒域，并應(yīng)用匹配濾波。

SAR處理方法有多種，但各有優(yōu)缺點(diǎn)。 距離多普勒算法(RDA)是一種一維傅立葉變換。另一種類似于RDA方法的是chirp scaling算法(CSA)。第三種方法是二維傅里葉變換算法，稱為波動(dòng)方程(WE)算法。這種二維WE算法同時(shí)處理距離和方位數(shù)據(jù)，而距離多普勒處理算法先進(jìn)行距離壓縮處理，再進(jìn)行方位壓縮處理。

RDA適合低斜視場(chǎng)景成像，其主要步驟是：

1.距離FFT

2.距離壓縮

3.IFFT

4.方位FFT

5. 距離單元徙動(dòng)校正(RCMC)

6. 方位壓縮(方位濾波)

7. 圖像重建

距離和方位壓縮都是相關(guān)處理，進(jìn)行了二次一維匹配濾波運(yùn)算。第一次匹配濾波作用于各個(gè)脈沖的雷達(dá)回波，第二次匹配濾波作用于多普勒維。圖4顯示了基于距離多普勒處理算法的合成孔徑雷達(dá)處理的基本概念，該算法是在C66x DSP多核上實(shí)現(xiàn)的低功耗合成孔徑雷達(dá)。



數(shù)據(jù)被采集并使用JESD204B的RX接口裝載到66AK2L06 SoC中。設(shè)S0(τ，η)為接收數(shù)據(jù)，其中：

?η=k/fa是“方位時(shí)間”(脈沖之間的慢時(shí)間)，fa是方位采樣率；

?τ=m/fr是“距離時(shí)間”(脈沖內(nèi)的快時(shí)間)，fr是距離采樣率；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部共享存儲(chǔ)器(MSMC)中，直到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到66AK2L06平臺(tái)，以表示單個(gè)脈沖采集的結(jié)束。一旦接收到完整的脈沖序列，就會(huì)觸發(fā)距離壓縮處理。

距離壓縮是將接收到的脈沖沿距離方向壓縮，將主要能量集中到較窄的持續(xù)時(shí)間內(nèi)。它通過(guò)在頻率(距離)-時(shí)間(方位)域中原始數(shù)據(jù)和參考信號(hào)之間的快速卷積來(lái)執(zhí)行。因此，首先沿距離向執(zhí)行FFT，然后執(zhí)行匹配濾波的乘法和距離IFFT。匹配濾波在頻域中實(shí)現(xiàn)為復(fù)數(shù)相乘。

距離壓縮在66AK2L06平臺(tái)上的步驟：

1. 用(“行”)執(zhí)行“距離”FFT來(lái)變換數(shù)據(jù)，在一個(gè)C66x內(nèi)核(浮點(diǎn)操作-約28us處理4K點(diǎn) FFT)或在FFTC加速器上(塊浮點(diǎn)操作-約8us處理4k FFT)得到的數(shù)據(jù)是Sr(fτ,η)矢量，fτ是距離頻率。

2. 使用C66x數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核應(yīng)用距離匹配濾波器：



3. 執(zhí)行“距離”IFFT變換到時(shí)域中，得到的數(shù)據(jù)是S2(τ,η)向量。 轉(zhuǎn)置用于重新排列壓縮數(shù)據(jù)，使其可以按方位線順序讀取，以便沿方位向進(jìn)行處理。存儲(chǔ)器中的距離壓縮數(shù)據(jù)被按塊分組，最好是平方大小，這是因?yàn)楫?dāng)加載/寫(xiě)入數(shù)據(jù)的行大小不小于行數(shù)時(shí)，存儲(chǔ)器訪問(wèn)可實(shí)現(xiàn)更高的效率。

為了有效地在外部存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器(L2)之間加載/寫(xiě)入數(shù)據(jù)，66AK2L06 SoC上的增強(qiáng)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(EDMA3)可應(yīng)用于服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。EDMA3是TI KeyStone架構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，其特征在于在三個(gè)維度上具有完全正交傳輸，可實(shí)現(xiàn)二維同步、靈活傳輸定義、多DMA通道和存儲(chǔ)器保護(hù)。

距離單元徙動(dòng)是由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的距離變化導(dǎo)致(遵循雙曲線規(guī)律)。距離單元徙動(dòng)校正是將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)重新排列，使軌跡變直，從而可以沿每個(gè)平行的方位線進(jìn)行方位壓縮。RCMC可以通過(guò)基于插值核的距離插值操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如sinc函數(shù)或樣條曲線。

在TI公司的TMS320C6678多核DSP上，采用16組8抽頭sinc濾波器作為內(nèi)插濾波器。16組濾波器的系數(shù)按常數(shù)存儲(chǔ)。選擇哪種濾波器的索引由小數(shù)部分決定。每個(gè)距離單元使用相同的濾波器。TMS320C66x利用DSP獨(dú)特的雙浮點(diǎn)加載、寫(xiě)入和運(yùn)算指令，提高了插值計(jì)算效率。

RCMC在66AK2L06平臺(tái)上使用的步驟：

?沿方位方向(“列”)執(zhí)行“方位”FFT，以在DSP或FFTC上將數(shù)據(jù)變換為距離多普勒域。

?得到的數(shù)據(jù)是Sa(τ ,fη)向量，fη是方位頻率。

?在估計(jì)多普勒頻率fD后，“sinc”函數(shù)適應(yīng)于信號(hào)(駐定相位原理)



方位壓縮是將軌跡中的擴(kuò)展能量壓縮到方位向上的單個(gè)單元。此過(guò)程與距離壓縮類似，只是方位參考函數(shù)與距離有關(guān)。也就是說(shuō)，每一條距離線的方位參考函數(shù)是不同的，這導(dǎo)致了比距離壓縮更復(fù)雜的過(guò)程。

與RCMC類似，方位壓縮也是在距離多普勒域進(jìn)行的。通過(guò)將方位壓縮后的信號(hào)變換回時(shí)域，再進(jìn)行后續(xù)處理，得到最終的圖像。

1. 在66AK2L06平臺(tái)上使用C66x數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核應(yīng)用方位匹配濾波器：



2. 執(zhí)行“距離”IFFT變換，得到的數(shù)據(jù)是S3(τ,η)向量。

距離多普勒算法在片上的實(shí)現(xiàn)

在66AK2L06 SoC中，利用四個(gè)C66x的DSP核，每個(gè)核處理不同部分的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)距離多普勒算法的并行計(jì)算，可以使用openMP在不同的內(nèi)核上高效地部署處理任務(wù)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡并最小化處理延遲。

利用66AK2L06 SoC上的硬件加速器提供了多種好處，從釋放DSP核上的額外處理周期到減少應(yīng)用程序總延遲。在處理SAR算法之前，DFE可以減少多種類型的處理。

從ADC接收到的信號(hào)是實(shí)信號(hào)，可以在SAR處理的第一階段之前進(jìn)行調(diào)理。在高達(dá)368Msps的流處理下，DFE可以使用其R2C模塊以18位精度的輸入和輸出將實(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)信號(hào)。使用可編程濾波器，DFE可以執(zhí)行復(fù)FIR濾波，最多有79個(gè)系數(shù)。

對(duì)于SAR算法本身，距離/方位壓縮需要很多FFT和IFFT。這些功能可以分到66AK2L06 SoC的兩個(gè)FFTC加速器上。有文獻(xiàn)指出在單個(gè)DSP核上執(zhí)行SAR算法以處理4K×4K圖像的延遲將耗費(fèi)1404 ms，其中假設(shè)50%的延遲是由于FFT/IFFT。在處理4K點(diǎn)時(shí)，F(xiàn)FTC的吞吐量為525Msps，處理延遲降為約8us。

文獻(xiàn)中的方位FFT由4096個(gè)4K點(diǎn)的FFT組成，當(dāng)用浮點(diǎn)數(shù)在DSP核上執(zhí)行時(shí)，占總延遲（252ms）的18%。如果使用66AK2L06 SoC中的兩個(gè)FFTC，同一方位FFT將花費(fèi)約16ms延遲。 考慮到訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的影響，在本SAR算法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中，使用兩個(gè)FFTC可以使FFT/IFFT處理延遲至少提高5倍。這使得總延遲從1404ms下降到842ms，下降了40%。延遲的減少將釋放大量的周期資源來(lái)處理其他算法，從而提高最終SAR成像的性能。

另外兩種SAR處理方法CSA和WE也是信號(hào)處理驅(qū)動(dòng)的算法，其中需要大量的FFT/IFFT運(yùn)算、濾波和復(fù)乘法運(yùn)算，這表明66AK2L06 SoC是處理這些算法的適合平臺(tái)。

如何倍速開(kāi)發(fā)？

合成孔徑雷達(dá)（SAR）系統(tǒng)和專用軟件開(kāi)發(fā)工具已被廣泛應(yīng)用于軍事和非軍事領(lǐng)域，包括探測(cè)、監(jiān)測(cè)、繪制地圖和測(cè)量陸地、海洋、冰以及地球和其他行星大氣中的現(xiàn)象。

現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)計(jì)在雷達(dá)系統(tǒng)前端（激勵(lì)器/接收器）集成了信號(hào)處理功能，包括波形生成、濾波、矩陣逆/轉(zhuǎn)置操作、FFT/IFFT和信號(hào)相關(guān)。雷達(dá)系統(tǒng)中也有數(shù)學(xué)函數(shù)，包括指數(shù)復(fù)數(shù)乘法和其他數(shù)學(xué)運(yùn)算。

許多設(shè)計(jì)者在基于C的處理器中實(shí)現(xiàn)了這些功能（定點(diǎn)/浮點(diǎn)操作）。這些類型的設(shè)計(jì)可以利用66AK2L06 SoC中提供的小尺寸和四個(gè)定點(diǎn)和浮點(diǎn)C66x DSP核來(lái)滿足系統(tǒng)需求，同時(shí)減少延遲和提高系統(tǒng)功耗。



基于TI的高通量KeyStone II架構(gòu)，新的66AK2L06 SoC是一個(gè)可擴(kuò)展的低功耗解決方案，集成了DFE和高速JESD204B接口，滿足更嚴(yán)格的系統(tǒng)成本和航空電子和國(guó)防（包括雷達(dá)）應(yīng)用的要求。

這個(gè)集成的系統(tǒng)解決方案可以將開(kāi)發(fā)時(shí)間從幾周縮短到幾天，從幾天縮短到幾小時(shí)。

開(kāi)發(fā)人員可以利用TI設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，使用多個(gè)ADC、DAC和AFE對(duì)66AK2L06 SoC進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證。所有這些都能加快時(shí)間，讓開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)速度提高三倍。

審核編輯：劉清