CN109633564B - 多通道大点数并行脉压获取系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多通道大点数并行脉压获取方法，利用DIT‑FFT原理，将N点的大点数FFT分解为两个N/2点的FFT的组合，分配6678中的两个核并行计算，可以同时处理两个通道进行流水计算，显著缩短了脉压算法的运算时间，提高了系统的实时性，工程应用价值高。

Description

多通道大点数并行脉压获取系统及方法
技术领域
本发明涉及脉冲压缩技术领域，具体涉及一种基于6678的多通道大点数并行脉压获取系统及方法。
背景技术
自20世纪70年代以来，伴随着理论上的成熟和技术实现手段的日趋完善，脉冲压缩技术在现代雷达系统中有着极为广泛的应用。脉冲压缩技术是匹配滤波理论和相关接收理论的实际应用，在发射端发射大时宽、带宽信号，以提高信号的速度测量精度和速度分辨力；在接收端，将宽脉冲信号压缩为窄脉冲，以提高雷达对目标的距离分辨精度和距离分辨力。
雷达脉冲压缩的实现过程需要进行大量的运算，而雷达信号处理的实时性又是一个极为重要的性能指标。随着DSP技术的快速发展，其处理器性能以及存储器资源都有了很大的进步，为应对大点数脉冲压缩所需的运算量提供了良好的硬件平台。
TMS320C6678(简称6678)是TI基于KeyStone的定点和浮点混合DSP，集成了8个主频最高达到1.25GHz的DSP核，可以提供320G MAC定点计算或160G FLOP浮点计算能力。多核的支持以及运算能力的提高，使得大点数脉冲压缩的并行运算成为可能。
针对脉压算法，目前国内有专利CN103926567B(高速实时脉冲压缩算法)介绍了一种基于ADSP TS20XS处理器的脉冲压缩算法，仅仅在处理器允许的前提下采用了部分并行指令，并未将整个脉压运算流程平均分摊到两个DSP核上，同时TS20XS处理器与6678处理器的性能与架构上有较大的差距，运算时间相较本发明提出的算法也有较大的延长。
专利CN104407330B(相位编码调制信号的脉冲压缩方法)介绍了一种针对相位编码调制信号的脉冲压缩方法，着重解决相位编码雷达回波信号在脉冲压缩中的多普勒影响问题，并未涉及到脉压算法的实时性优化。
专利CN103529429B(用于线性调频信号的频域中的脉冲压缩算法)介绍了一种针对线性调频信号的脉冲压缩算法，描述了在频域中实现脉冲压缩的流程，并未涉及到脉压算法的具体优化。
2016年第2期的《雷达科学与技术》期刊中公开文献《一种多核DSP的距离多普勒成像设计》介绍了一种基于多核DSP的并行设计，该方法使用8核协同处理大点数脉压，针对的是需要做16384点脉压以上的应用场景，程序结构较为复杂，不适合脉压模块的封装以及复用，也不适合16384点脉压以下的应用场景。
2017年第5期的《航天电子对抗》期刊中公开文献《基于FPGA的并行数字脉压设计》介绍了一种基于FPGA实现的脉压方法，具有较高的处理效率，但相比DSP实现而言，FPGA开发的灵活性以及可编程性仍有一定差距。
发明内容
本发明提供一种多通道大点数并行脉压获取系统及方法，实现用一种并行度高，运算量小，通用性强的方法来实现多通道大点数的脉冲压缩。
为实现上述目的，本发明提供一种多通道大点数并行脉压获取方法，其特点是，该方法包含：
根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1，核0取输入数据的偶数序列；核1取输入数据的奇数序列；
核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的FFT，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分复乘匹配滤波器，然后双核同步；
复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，核1取输入数据的奇数序列；
核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果，然后双核同步后得到当前脉冲的脉压结果。
上述双核同步的方法包含：
核0首先申请第a号信号量并等待核1申请第b号信号量；
核1则首先等待核0的申请，检测到第a号信号量被申请后立即申请第b号信号量，并开始等待核0申请第a+1号信号量；
核0检测到第b号信号量被申请后则释放第a号信号量并申请第a+1号信号量，然后开始等待核1释放第b号信号量；
核1检测到第a+1号信号量被申请后则释放第b号信号量，核0检测到第b号信号量被释放之后再释放第a+1号信号量，到此即完成了核0与核1之间的同步；
其中，a、b分别为两个不同信号量的编号。
上述运算原输入数据的FFT结果时，核0进行前半部分的蝶形运算包含：进行前半部分蝶形运算时，核0将奇数序列的FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的FFT结果相加，得到原输入数据FFT结果的前半部分。
上述运算原输入数据的FFT结果时，核1进行后半部分的蝶形运算包含进行后半部分蝶形运算时，核1将奇数序列的FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的FFT结果，得到原输入数据FFT结果的后半部分。
上述运算原输入数据的逆FFT结果，核0进行前半部分的蝶形运算包含：核0将奇数序列的逆FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的逆FFT结果相加，最后乘以0.5得到原输入数据逆FFT结果的前半部分。
上述运算原输入数据的逆FFT结果，核1进行后半部分的蝶形运算包含：核1将奇数序列的逆FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的逆FFT结果，最后乘以0.5得到原输入数据逆FFT结果的后半部分。
一种多通道大点数并行脉压获取系统，其特点是，该系统包含：
输入模块，其根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1，核0取输入数据的偶数序列；核1取输入数据的奇数序列；
FFT运算模块，其核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的FFT；
第一蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果；
复乘模块，调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分复乘匹配滤波器；
逆FFT运算模块，复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，核1取输入数据的奇数序列；核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT；
第二蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果，然后双核同步后得到当前脉冲的脉压结果；
双核同步模块，每项运算完成后进行双核同步。
本发明多通道大点数并行脉压获取系统及方法和现有技术相比，其优点在于，本发明将大点数脉冲压缩基于DIT-FFT分解为两个半长度的FFT的组合，显著减少了FFT以及逆FFT的运算时间；
本发明调用SIMD指令，通过_complex_mpysp函数以及_daddsp函数，大幅优化了复数相乘以及DIT-FFT中蝶形运算的耗时情况；
本发明将整个脉冲压缩流程完全平均地分配到6678的两个核并行计算，并行度高，而且可以同时处理两个通道进行流水计算，显著提高了系统的实时性；
本发明算法整体结构清晰，输入输出明了，适合封装和复用，有较好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明一种多通道大点数并行脉压获取方法的流程图；
图2为本发明的实施例与传统单核脉压算法的耗时对比图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的具体实施例。
如图1所示，公开了本发明一种多通道大点数并行脉压获取方法的实施例，本实施例中公开了一种基于6678的多通道大点数并行脉压获取方法，其中假设和通道编号为61的一个8192点脉冲通过读数进入并行脉压流程。
多通道大点数并行脉压获取方法的实施例具体包含以下步骤：
S1、根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1。这里脉冲编号为61。
其中，由于TI-6678共有8个DSP核，因此执行并行脉压的2个dsp核的选取是根据当前脉冲所处的通道号以及自身编号决定的，和通道的偶数脉冲分配0、1两核；和通道的奇数脉冲分配2、3两核；差通道的偶数脉冲分配4、5两核；差通道的奇数脉冲分配6、7两核。这样就实现了双通道脉压的并行流水处理，为便于描述，分配的两个dsp核统称为核0、核1。
S2、核0取输入数据的偶数序列，共4096点。核1取输入数据的奇数序列，共4096点。
S3、核0和核1分别调用DSPF_sp_fftSPxSP函数，对偶数奇数序列做原长度一半的FFT。
做半长度FFT使用的是TI函数库提供的FFT函数：
void DSPF_sp_fftSPxSP(int N,float*ptr_x,float*ptr_w,float*ptr_y,unsigned char*brev,int n_min,int offset,int n_max)。
S4、双核同步，完成后跳转到S5。
优选的，核0首先申请21号信号量并等待核1申请1号信号量；
核1则首先等待核0的申请，检测到21号信号量被申请后立即申请1号信号量，并开始等待核0申请22号信号量；
核0检测到1号信号量被申请后则释放21号信号量并申请22号信号量，然后开始等待核1释放1号信号量；
核1检测到22号信号量被申请后则释放1号信号量，核0检测到1号信号量被释放之后再释放22号信号量，到此即完成了核0与核1之间的同步。
S5、调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果，本实施例中具体为：
进行前4096点蝶形运算时，核0将奇数序列的FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的FFT结果相加，得到原输入数据8192点FFT结果的前半部分；进行后4096点蝶形运算时，核1将奇数序列的FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的FFT结果，得到原输入数据8192点FFT结果的后半部分。
至此，通过两个N/2点的FFT以及蝶形运算，完成了原先N点的FFT计算，将计算量由N2次降为N/2×log2N次，显著降低了大点数FFT的运算时间。
S6、双核同步，完成后跳转到S7。
S7、调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分(前4096点)复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分(后4096点)复乘匹配滤波器。
S8、双核同步，完成后跳转到S9。
S9、将S7中的复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，共4096点，核1取输入数据的奇数序列，共4096点。
S10、核0和核1分别调用DSPF_sp_ifftSPxSP函数，对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT。
做半长度逆FFT使用的是TI函数库提供的逆FFT函数：
void DSPF_sp_ifftSPxSP(int N,float*ptr_x,float*ptr_w,float*ptr_y,unsigned char*brev,int n_min,int offset,int n_max)。
S11、双核同步，完成后跳转到S12。
S12、调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果，本实施例中具体为：
进行前4096点蝶形运算时，核0将奇数序列的逆FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的逆FFT结果相加，最后乘以0.5得到原输入数据8192点逆FFT结果的前半部分；进行后4096点蝶形运算时，核1将奇数序列的逆FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的逆FFT结果，最后乘以0.5得到原输入数据8192点逆FFT结果的后半部分。
S13、双核同步，完成后得到当前脉冲的脉压结果，完成后跳转到S1。
传统的由单核实现的脉冲压缩算法包含FFT运算、与匹配滤波器复乘，以及逆FFT运算三个步骤。为了便于比较运算时间，将本发明中的S1到S6视为FFT运算，将S7到S8视为复乘运算，将S9到S13视为逆FFT运算。在同样开启2级优化的条件下，通过计时函数对本发明提出的双核并行脉压算法与传统的单核脉压算法进行比较，得到的结果如图2所示。
从图2可以看出，得益于本发明的高并行度，以及SIMD指令的运用，脉冲压缩流程中的FFT运算、复乘运算以及逆FFT运算的耗时均比传统算法的耗时减少一半。
综上所述，本发明利用DIT-FFT原理，将N点的大点数FFT分解为两个N/2点的FFT的组合，分配6678中的两个核并行计算，可以同时处理两个通道进行流水计算，显著缩短了脉压算法的运算时间，提高了系统的实时性，有较好的工程应用价值。
进一步的，本发明还公开了一种多通道大点数并行脉压获取系统，该系统包含：
输入模块，其根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1，核0取输入数据的偶数序列；核1取输入数据的奇数序列。
FFT运算模块，其核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的FFT。
第一蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果。
复乘模块，调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分复乘匹配滤波器。
逆FFT运算模块，复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，核1取输入数据的奇数序列；核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT。
第二蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果，然后双核同步后得到当前脉冲的脉压结果。
双核同步模块，每项运算完成后进行双核同步。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，该方法包含：
根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1，核0取输入数据的偶数序列；核1取输入数据的奇数序列；
核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的FFT，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分复乘匹配滤波器，然后双核同步；
复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，核1取输入数据的奇数序列；
核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT，然后双核同步；
调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果，然后双核同步后得到当前脉冲的脉压结果。
2.如权利要求1所述的多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，所述双核同步的方法包含：
核0首先申请第a号信号量并等待核1申请第b号信号量；
核1则首先等待核0的申请，检测到第a号信号量被申请后立即申请第b号信号量，并开始等待核0申请第a+1号信号量；
核0检测到第b号信号量被申请后则释放第a号信号量并申请第a+1号信号量，然后开始等待核1释放第b号信号量；
核1检测到第a+1号信号量被申请后则释放第b号信号量，核0检测到第b号信号量被释放之后再释放第a+1号信号量，到此即完成了核0与核1之间的同步；
其中，a、b分别为两个不同信号量的编号。
3.如权利要求1所述的多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，所述运算原输入数据的FFT结果时，核0进行前半部分的蝶形运算包含：进行前半部分蝶形运算时，核0将奇数序列的FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的FFT结果相加，得到原输入数据FFT结果的前半部分。
4.如权利要求1所述的多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，所述运算原输入数据的FFT结果时，核1进行后半部分的蝶形运算包含进行后半部分蝶形运算时，核1将奇数序列的FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的FFT结果，得到原输入数据FFT结果的后半部分。
5.如权利要求1所述的多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，所述运算原输入数据的逆FFT结果，核0进行前半部分的蝶形运算包含：核0将奇数序列的逆FFT结果通过_complex_mpysp函数复乘旋转因子，并通过_daddsp函数与偶数序列的逆FFT结果相加，最后乘以0.5得到原输入数据逆FFT结果的前半部分。
6.如权利要求1所述的多通道大点数并行脉压获取方法，其特征在于，所述运算原输入数据的逆FFT结果，核1进行后半部分的蝶形运算包含：核1将奇数序列的逆FFT结果复乘取反的旋转因子，并加上偶数序列的逆FFT结果，最后乘以0.5得到原输入数据逆FFT结果的后半部分。
7.一种多通道大点数并行脉压获取系统，其特征在于，该系统包含：
输入模块，其根据当前脉冲的通道编号以及脉冲编号，分配执行并行脉压的两个dsp核，记为核0和核1，核0取输入数据的偶数序列；核1取输入数据的奇数序列；
FFT运算模块，其核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的FFT；
第一蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算；核1进行后半部分的蝶形运算，得到原输入数据的FFT结果；
复乘模块，调用SIMD指令，核0将输入数据FFT结果的前半部分复乘匹配滤波器，核1将输入数据FFT结果的后半部分复乘匹配滤波器；
逆FFT运算模块，复乘结果作为逆FFT的输入数据，核0取输入数据的偶数序列，核1取输入数据的奇数序列；核0和核1分别对偶数奇数序列做原长度一半的逆FFT；
第二蝶形运算模块，调用SIMD指令，核0进行前半部分的蝶形运算，核1进行后半部分的蝶形运算，最后乘以1/2得到原输入数据的逆FFT结果；
双核同步模块，每项运算完成后进行双核同步；其中对第二蝶形运算模块输出的结构进行双核同步后得到当前脉冲的脉压结果。
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