TI的Doppler-Azimuth架构（TI文档）

        TI在AWR2944平台上推出新的算法架构，原先的处理方式是做完二维FFT后在RD图上做CFAR检测，然后提取各个通道数据做测角。

        Doppler-Azimuth架构则是做完二维FFT后，再做角度维FFT，生成Doppler-Azimuth频谱图，然后在该频谱图上做目标检测。这种处理方式的信号链如下图所示，整个处理链路由DSP、ARM和HWA协作完成。

        另外需要注意的是，由于TDM模式下测角需要先做速度补偿，因此这种架构只支持DDM模式。

1 Doppler-Azimuth架构处理步骤

        从接收ADC数据到生成点云是DDMA接收链路的核心部分，由DSP和HWA协作完成，包括下面步骤：

        1.Chirp级处理：DDMA的chirp级处理链路和TDM是一样的，由DFE触发EDMA搬运数据，使用HWA自动完成运算，不需要DSP参与，对每个chirp执行一次，执行去直流，干扰抑制，1D-FFT和数据压缩，通过EDMA将压缩后的1D-FFT结果保存在L3。

        在SDK的demo中，chirp级处理是通过RangeProc DPU完成的。

        2.Range gete级处理：对每个range gate执行一次，主要的处理在HWA完成，但是需要DSP接入两次。

        在SDK中，Range gate级处理是通过DopplerProc-DDMA DPU完成的，它的处理工作分为：

        2.1.数据解压缩：将L3上的压缩数据通过EDMA搬移进HWA，执行数据解压缩，解压缩后的数据保存在L3上的scratch buffer。

        2.2.2D-FFT和DDMA解调：待一个range bin对应的所有Doppler bin的1D-FFT结果都解压缩完成后，通过EDMA将L3上scratch buffer的数据搬移进HWA，执行2D-FFT和DDMA解调。DDMA解调完成后，需要DSP第一次介入，根据获得的发射天线Tx和子带sub-band的对应关系，对2D-FFT的结果按照虚拟天线的位置进行重排。

        2.3.相关检测：由HWA对上一步按照虚拟天线位置重排过的2D-FFT数据，执行天线相位/增益补偿和水平角度FFT，接着由HWA在Doppler维度进行CFAR-OS和Local Maxima的计算，在HWA计算完成后需要DSP第二次介入，根据HWA的输出结果提取可能的（Doppler，azimuth）目标列表，并把这个目标在所有虚拟天线上的2D-FFT结果保存下来供后面的垂直角度估计使用。

        3.内插和垂直角度估计：待所有range  bin的range gate级处理都完成后，由DSP对所有检出的（Doppler，azimuth）目标列表进行内插和垂直角度估计，形成最后的点云列表保存在L3，并通过mailbox将点云列表的信息通知ARM。

        ARM在得到L3上的点云列表后，进行后续的目标跟踪，得到tracker的目标列表，并通过UART输出。

2 Chrip级处理

        在demo中chirp级处理是通过RangeProc DPU完成的。这个DPU的处理流程如下图所示。

        ADC buffer中一个chirp的ADC数据收齐后，将通过ADC_CAPTURE_COMPLETE事件自动触发EDMA的通道31（EDMA_DSS_TPCC_A_EVT_RSS_ADC_CAPTURE_COMPLETE），将ADC数据从ADC buffer搬移到HWA的M0/M1，并启动HWA进行后面的运算。整个chirp级处理信号链包含ping和pong两个通道，每个ADC_CAPTURE_COMPLETE事件触发ping或pong通道执行一次，完成一个chirp的处理。信号链总共使用了10个HWA Param（ping/pong各5个），5个EDMA channel，下面的表格分别列出这些HWA Param和EDMA channel的功能。

表1 Chirp级处理HWA Param配置（Ping）

Param编号	功能	触发机制	运算Engine	输入->输出Mem	说明
1	Dummy	DMA	None	-	由EDMA out signature通道触发，保证当前chirp处理开始前，上一个chirp已经处理完并输出
2	DC估计	DMA	FFT	M0->M2	由EDMA in signature通道触发，估计信号的直流分量，保存在寄存器中
3	DC去除+干扰统计	Immediate	FFT	M0->M2	从信号中减去2中得到的DC估计值后保存到M2，同时进行干扰统计
4	干扰消除+FFT	Immediate	FFT	M0->M2	利用3中得到的干扰统计先进行干扰消除，然后再进行加窗和FFT
5	数据压缩	Immediate	Compress	M0->M2	完成一个chirp的4根天线数据的压缩

表2 Chirp级处理EDMA通道配置

Channel编号	功能	触发机制	触发通道	输入->输出Mem	说明
1	EDMA In	DFE	-	ADC buf->M0/M1	每个chirp由硬件事件ADC_CAPTURE_COMPLETE触发一次，根据当前chirp编号将数据搬移到M0或M1
2	EDMA In Sig	Chain	EDMA In	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	根据当前chirp编号，选择触发对应的ping/pong通道的HWA DC估计Param
3	EDMA Out Ping	HWA	-	M2->L3 radar cube	由HWA ping通道数据压缩Param触发，每个chirp的压缩完成触发一次，根据当前chirp编号将数据搬移到L3 radar cube的对应位置
4	EDMA Out Pong	HWA	-	M3->L3 radar cube	由HWA pong通道数据压缩Param触发，每个chirp的压缩完成触发一次，根据当前chirp编号将数据搬移到L3 radar cube的对应位置
5	EDMA Out Sig	Chain	EDMA Out Ping/Pong	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	根据当前chirp编号，选择触发对应的ping/pong通道的HWA Dummy Param

        需要注意的是AWR2944在ADC buffer上的数据格式是交织模式，这点和AWR1642/AWR1843不同。

3 数据压缩

        HWA中的数据压缩模块能够对1D-FFT的结果进行压缩，再保存到L3上。在2D-FFT前可以使用HWA的解压缩模块先把L3上的数据解压缩，再送给HWA的FFT模块。通过这个功能可以使有限的L3空间保存更大的radar cube，有利于提高DDMA波形的chirp总数。

        HWA数据压缩模块使用EGE（Exponential Golomb Encoder）算法，对每个chirp的1D-FFT结果进行了50%压缩比的数据压缩。压缩以block为单位进行，每个block包含4根天线，连续8个range bin的1D-FFT结果，每个block压缩前的数据长度为128字节（1D-FFT结果的每个采样点的宽度是4字节，总共32个采样点），压缩后的数据长度为64字节。

        demo共有192个range bin，所以每个chirp的数据压缩将分为24个block进行。对每个chirp，数据压缩前后HWA Mem上的数据格式如下图所示。HWA完成一个chirp的数据压缩后，将通过EDMA Out Ping/Pong通道将压缩后的数据搬移到L3上的radar cube。为了方便2D-FFT前的数据解压缩，Radar cube上不同chirp的同一个编号的压缩block是紧排在一起的，所以我们可以看到下图中768个chirp的block1顺序排列在radar cube最前面，然后是768个chirp的block2，block3，...，block24。

        按照demo的波形配置，radar cube在压缩前的空间大小为2304KB（4byte*4ant*192range*768chirp），压缩后的空间大小为1152KB（64byte*24block*768chirp）。可以看出AWR2944增加的数据压缩功能对RAM空间的节省是巨大的。

4 数据解压缩

        在range gate级处理的开始，必须先通过EDMA把radar cube上数据搬移到HWA后进行数据解压缩。2D-FFT需要对所有chirp（demo中N=768）的同一个range gate进行FFT计算，这就需要对上图中每行的所有768个压缩block（chirp）进行解压缩。考虑到1个HWA Mem的大小只有16KB，HWA只能分次完成这768个block的解压缩。demo的解压缩数据处理信号链如下图所示，这个信号链包括ping和pong两个通道（采用ping-pong是为了使EDMA数据搬移和HWA解压缩运算流水运行，提高效率），每个通道1次可以解压缩64个block（chirp）的压缩数据，ping通道HWA计算完成将触发pong通道HWA继续执行，ping和pong通道的1次执行将完成128个chirp的数据解压缩，这也叫解压缩的1个loop。1个loop执行完后将自动触发下1个loop的执行，这样通过6个loop完成768个block（chirp）的数据解压缩。信号链总共使用了2个HWA Param（ping/pong各1个），6个EDMA channel，表格3和4将分别列出这些HWA Param和EDMA channel的功能。

表3 数据解压缩HWA Param配置

Param编号	功能	触发机制	运算Engine	输入->输出Mem	说明
1	解压缩Ping	DMA	Compress	M0->M2	由EDMA In Ping signature通道触发，在ping通道EDMA将64个压缩数据搬移到M0后执行
2	解压缩Pong	DMA	Compress	M4->M6	由EDMA In Pong signature通道触发，在pong通道EDMA将64个block压缩数据搬移到M4后执行

表4 数据解压缩EDMA通道配置

Channel编号	功能	触发机制	触发通道	输入->输出Mem	说明
1	EDMA Ping In	SW/chain	-/EDMA Ping Out	L3 Radar cube->M0	第1个loop由SW启动，后面5个loop由EDMA Ping Out通道chain，6个loop完成768个chirp的解压缩
2	EDMA Ping In Sig	Chain	EDMA Ping In	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	触发HWA解压缩Ping Param
3	EDMA Pong In	SW/chain	-/EDMA Ping Out	L3 Radar cube->M4	第1个loop由SW启动，后面5个loop由EDMA Pong Out通道chain，6个loop完成768个chirp的解压缩
4	EDMA Pong In Sig	Chain	EDMA Pong In	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	触发HWA 解压缩Pong Param
5	EDMA Ping Out	HWA	-	M2 -> L3 Decomp Scratch buf	由HWA解压缩Ping Param触发，每个block的解压缩完成触发一次，将当前block解压缩数据搬移到L3 Decomp scratch buf的对应位置
6	EDMA Pong Out	HWA	-	M6->L3 Decomp Scratch buf	由HWA解压缩Pong Param触发，每个block的解压缩完成触发一次，将当前block解压缩数据搬移到L3 Decomp scratch buf的对应位置

        需要注意的是HWA通过6个loop将解压缩出对应8个range bin的所有768个chirp的1D-FFT数据，这些数据通过EDMA Ping/Pong Out通道搬移到L3上的Decomp Scratch buf。这个Decomp Scratch buf的大小是98304byte（(4byte*4ant*8range*768chirps），格式如下图所示。这里的数据将供后面的DDMA解调和相关检测使用。每8个range bin的所有range gate级处理完成后，再通过软件启动下8个range bin的数据解压缩操作，并更新Decomp Scratch buf中的内容为下8个range bin的解压缩数据，这样的循环要执行24次，完成总共192个range bin的处理。

5 2D-FFT和DDMA解调

        当第4节中1次数据解压缩的循环完成，输出连续8个range bin的768个chirp的1D-FFT解压缩数据到L3上的Decomp Scratch buf后，demo将循环8次，分别对每个range bin进行2D-FFT，DDMA解调，相关检测，得到这个range bin上所有的（Doppler，azimuth）目标列表。这是range gate级处理的核心部分。range gate级核心处理中HWA和DSP需要协同工作。对于1个range bin，需要顺序完成下面4个运算步骤：

        1）HWA完成2D-FFT和DDMA Metric生成，这是HWA处理的第一阶段（Stage），称之为Doppler Stage

        2）DSP根据HWA输出的DDMA Metric，获得Tx ant和sub-band的对应关系，对2D-FFT的结果按照虚拟天线的位置进行重排，称之为DDMA解调（DDMA Demodulation）

        3）HWA进行水平角度FFT（Azimuth FFT），CFAR-OS和2D Maxima，称之为Azim Stage

        4）DSP根据HWA输出的CFAR-OS和2D Maxima结果提取出这个range bin上所有的（Doppler，azimuth）目标列表，称之为Extract Obj

        为了提高执行效率，使HWA处理的步骤1）、3）和DSP处理的步骤2）、4）流水并行执行，避免HWA和DSP互相等待，demo以2个range bin为一个基本的处理循环，在这个循环中实现了ping-pong两个数据处理通道，分别处理range bin x和x+1。整个range gate级处理的时序如下图所示。

        TI以DSP第一次介入的DDMA解调（DDMA Demodulation）为边界，将HWA的处理工作分为两个阶段（Stage）：Doppler Stage和Azim Stage。本节将介绍Doppler Stage的实现，下一节将介绍Azim Stage。

        Doppler stage的信号链如图所示，包含ping-pong两个数据处理通道。demo在需要进行range gate级处理的时候，根据当前range bin的编号通过软件触发对应ping或pong通道的EDMA，将对应这个range bin的所有4根天线768个chirp的1D-FFT数据搬移到HWA的M0或M2（搬移前后数据都是按照天线交织格式排列的），并启动HWA的ping或pong通道进行后面的运算。

        信号链总共使用了12个HWA Param（ping/pong各6个），10个EDMA channel（ping/pong各5个），下面的表格将分别列出这些HWA Param和EDMA channel的功能。

表5 Doppler stage处理HWA Param配置（Ping）

Param编号	功能	触发机制	运算Engine	输入->输出Mem	说明
1	Dummy	DMA	None	-	由Doppler FFT Data In Sig通道触发，保证当前range bin处理开始前，输入数据已经搬移到M0
2	Doppler FFT	Immediate	FFT	M0->M4	计算4次768点FFT，输入输出的数据都按天线交织排列，输入每个采样点4 byte，输出每个采样点8 byte
3	Log2Abs	Immediate	FFT	M4->M0	对2中计算的每个采样点求对数绝对值，输入输出的数据格式不变，输入每个采样点8 byte，输出每个采样点2 byte
4	天线累加	Immediate	FFT	M0->M1	对3中得到的4天线768点的对数绝对值，进行4天线累加，利用FFT的bin0实现，输出768点的累加值，每个累加值2 byte
5	DDMA metric	Immediate	FFT	M1->M0	DDMA metric计算，利用了FFT的bin0实现了4点累加，同时利用HWA的SHUFFLE功能实现了输入点位置的控制（根据DDMA metric计算需要）
6	Sub-band累加	SW	FFT	M1->M0 +768*2	等待DDMA metric计算和搬移完毕后手工触发，根据4的输出，将6个sub-band上128个Doppler bin的对数绝对值累加起来，利用了FFT的bin0实现了6点累加，同时利用HWA的SHUFFLE功能实现了输入点位置的控制

表6 Doppler stage处理EDMA通道配置（Ping）

Channel编号	功能	触发机制	触发通道	输入->输出Mem	说明
1	Doppler FFT Data In	SW	-	L3 Decomp Scratch buf ->M0	每个range bin开始处理前，由软件手工触发将数据搬移到M0
2	Doppler FFT Data In Sig	Chain	Doppler FFT Data In	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	触发HWA ping通道的Dummy Param
3	Doppler FFT Data Out	HWA	-	M4->L3 Doppler FFT Scratch Buf	由HWA ping通道Log2Abs Param触发，在对数绝对值计算完毕后，将Doppler FFT数据搬移到L3 Doppler FFT Scratch buf的对应位置
4	DDMA Metric Data Out	HWA	-	M0->L3 DDMA Metric Scratch Buf	由HWA ping通道DDMA metric Param触发，将计算完的DDMA metric搬移到L3 DDMA Metric Scratch buf的对应位置
5	SumTx Data Out	HWA	-	M0+768*2->L3 Det Matrix Buf	由HWA ping 通道Sub-band累加Param触发，将计算完的Sub-band累加结果搬移到L3 Det Matrix的对应位置

        DDMA解调的核心是DDMA Metric的计算（HWA完成）和2D-FFT结果的重排（DSP）完成。demo里HWA在完成Doppler FFT，Log2Abs和天线累加后，将生成对应768个Doppler bin的能量热图，这768个Doppler bin分为6个sub-band，每个sub-band有128个Doppler bin。demo采用下表所示的算法进行DDMA解调。

        DDMA Metric是一个128*6的数组，保存对于128个Doppler bin的[Z1,Z2,...,Z6]的能量，它的计算是通过HWA DDMA Metric Param的FFT运算功能实现的，采用4点FFT的bin0获得4个bin的累加值，而计算时访问Doppler bin能量热图的格式是通过HWA的SHUFFLE功能实现的，计算的结果输出到L3上的DDMA Metric Scratch buf。下图给出了HWA DDMA Metric Param计算DDMA Metric的实现方法。在HWA计算完DDMA Metric后，需要DSP介入，在每个Doppler bin对应的6个Metric[Z1,Z2,...,Z6]上找到最大值Zi，根据上表的方法，推断出4个发射天线Tx1/2/3/4在6个sub-band 2D-FFT数据（保存在L3上的Doppler FFT Scratch Buf）中的位置，然后把Tx1/2/3/4的数据顺序提取出来，拷贝到L3上的dopFFTSubMat buf，这就是DSP的DDMA解调。DDMA解调前2D-FFT数据的格式是[128 Doppler][6 sub-band][4 Rx ant][8 byte]，DDMA解调后2D-FFT数据的格式变为[128 Doppler][4 Tx ant][4 Rx ant][8 byte]。解调后的数据格式中每个range bin的16根虚天线的数据按Tx1Rx1->Tx1Rx2->Tx1Rx3->Tx1Rx4->Tx3Rx1->Tx3Rx2->Tx3Rx3->Tx3Rx4->Tx4Rx1->Tx4Rx2->Tx4Rx3->Tx4Rx4->Tx2Rx1->Tx2Rx2->Tx2Rx3->Tx2Rx4的顺序排列，方便后面的水平角度FFT的计算。

6 相关检测

        通过DDMA解调获得每个range bin按照虚天线顺序排列好的2D-FFT数据，demo的相关检测就是在虚天线维度对2D-FFT的结果进行水平角度FFT，并对FFT的结果在Doppler维度进行CFAR检测（为了输出尽可能多的点云，demo没有进行range维度的CFAR）。因为在doppler维度进行检测的时候，利用了虚天线阵列的2D-FFT结果，这是一个相关检测（另一种常用的非相关检测方法是先简单地把所有虚天线的2D-FFT结果合并，再检测）。在4接收天线的场景，相关检测的性能比非相关检测要好1.5到2dB，这也是demo提高雷达性能的一个重要手段。

        2D-FFT做完水平角度的FFT后，RA-Map和DA-Map图分别如下图所示。

        相关检测的信号链如下图所示，包含ping-pong两个数据处理通道。

        每个通道1次处理1个range bin，首先通过EDMA将这个range bin对应的DDMA解调后的128个Doppler bin上的12根水平虚拟天线的2D-FFT数据搬移到HWA内。然后在每个Doppler bin的12根虚天线数据做48点的补零FFT，得到下图所示的128*48的[Doppler，Azimuth]热图。在这个热图上，将分别使用HWA的CFAR和Local-Maxima engine进行1次Doppler维度的CFAR-OS检测，和2D平面上的Maxima检测，只有当1个bin同时满足：1）在Doppler维CFAR-OS检测超过门限，2）能量大于2D平面上下左右4个bin的能量，才判断这个bin是一个有效的[Doppler，Azimuth]目标，放入有效目标列表。需要注意的是，HWA的CFAR和Local-Maxima engine的结果都通过EDMA先输出到L2上的CFAR Scratch Buf和Local Max Scratch Buf，然后由DSP从这两个buffer中提取有效信息并进行比较，保存同时满足上面两个条件的bin，这就是DSP执行的Extract Obj的工作。

        信号链总共使用了10个HWA Param(ping/pong各5个), 10个EDMA channel(ping/pong各5个), 表格7 和8分别列出了这些HWA Param和EDMA channel的功能。

表7 Azim stage处理HWA Param配置（Ping）

Param编号	功能	触发机制	运算Engine	输入->输出Mem	说明
1	Dummy	DMA	None	-	由Azim FFT Data In Sig通道触发，保证当前 range bin处理前，重排后的2D-FFT结果已经搬移 到M0
2	Azim FFT	Immediate	FFT	M0->M4	计算128次48点FFT (12根水平虚天线后补36 个零)并求log2Abs，输入每个样点8 byte, 输出每 个样点2 byte
3	CFAR	Immediate	CFAR	M4->M0	对2中输出的[Doppler, Azim]热图在Doppler方向 做CFAR-OS
4	LocalMax	Immediate	LOCAL MAX	M4->M1	对2中输出的[Doppler, Azim]热图计算2D Local Maxima
5	Dummy	Immediate	None	-	通过中断通知软件Azim Stage HWA执行完毕

表8 Azim stage处理EDMA通道配置（Ping）

Channel编号	功能	触发机制	触发通道	输入->输出Mem	说明
1	Azim FFT Data In	SW	-	L3 dopFFTSubMat buf ->M0	每个range bin的DDMA解调完成 后，由软件手工触发将重排后的2D FFT结果搬移到M0
2	Azim FFT Data In Sig	Chain	Azim FFT Data In	SIG_DMACHx_DONE-> DMA2HWA_TRIGGER	触发HWA ping通道的Dummy Param
3	CFAR Out	HWA	-	M0->L2 CFAR Scratch Buf	由HWA ping通道CFAR Param触 发，对这个range bin的Doppler维 度CFAR完成后，将结果搬移到L2 CFAR Scratch Buf的对应位置
4	LOCAL MAX Out	HWA	-	M1->L2 LocalMax Scratch Buf	由HWA ping通道LocalMax Param 触发，对这个range bin的LocalMax 完成后，将结果搬移到L2 LocalMax Scratch Buf的对应位置
5	Azim FFT Data Out	HWA	-	M4->L2 AzimFFT Buf	由HWA ping通道最后的Dummy触 发，将Azim FFT结果搬移到L2 AzimFFT Buf的对应位置

7 内插和垂直角度估计

        demo通过前面介绍的Chirp级和Range gate级处理，在对一个frame的128个doppler bin完成相关检测后，将形成当前 frame 有效的 [Doppler, Azimuth] 目标列表。在这个列表的基础上，demo 进行了Azimuth维度的角度内插，和垂直角度估计，以形成最终的点云列表，这个计算是在DSP上完成的。 首先对于相关检测得到的每个目标的 Azimuth bin 的索引 peakIdx 和它前后的两个相邻索引 peakIdx-1, peakIdx+1，执行内插，精度提升(将azimuth bin的数量N从48提高到256)和镜像翻转，获得在[-128, 128] 范围内的索引peakIdxRound，算法如下表所示。

        AWR2944 EVM的虚拟天线阵列下图所示，包含12根水平虚拟天线，4根垂直虚拟天线。

        假设目标的水平角度为θ，垂直角度为φ, 则根据图20的天线阵列，目标在水平方向相邻天线间的相位旋转值𝜔𝑥和 目标在垂直方向相邻天线间的相位旋转值𝜔𝑧满足：

        对目标来说，在12根水平虚天线上的接收信号可表示为(假设目标在第1根水平虚天线上的信号为𝐴𝑒𝑗𝜓)：

        类似的，目标在4根垂直虚天线上的接收信号可表示为

         demo中采用下表中的算法来估计目标的水平角度θ和垂直角度φ

        根据表 中的第1和第6步结果，利用三角函数关系很容易计算出𝑐𝑜𝑠(𝜃)和𝑐𝑜𝑠(𝜑)，再结合目标的距离R，就可以得到目标在三维坐标系中的坐标(X, Y, Z)和速度V。