信号处理仿真平台

脉冲多普勒雷达和主动声纳信号处理仿真平台，用于架构验证和硬件资源统计。

核心价值：

• 在 FPGA/ASIC 实现前，验证算法正确性和硬件架构可行性
• 统计 ROM、RAM、DSP 等硬件资源需求
• 建模流水线延迟、背压传播等硬件时序行为

应用场景

• 架构设计验证：在硬件实现前验证数据流设计是否正确
• 资源评估：统计各模块的 ROM/RAM/DSP 需求，指导硬件规划
• 延迟分析：计算端到端延迟，评估实时性
• 并行度探索：调整并行度参数，找到性能/资源最优解
• 算法验证：对比定点实现与浮点参考，评估精度损失

两类仿真

层级	目的	特点
算法级 (algo_*)	验证算法正确性	纯函数调用，瞬时计算，无时序
周期级 (simulation)	模拟硬件时序	tick 推进，延迟建模，背压传播

算法级：快速验证算法，输出与 MATLAB/理论一致 周期级：精确模拟硬件行为，输出与 Verilog 仿真一致

雷达处理流程

脉冲多普勒雷达信号处理链路：

输入 [脉冲, 通道, 采样点]
    ↓ 匹配滤波 (FFT → CMUL → IFFT)
    ↓ 时域波束形成 (CMUL → 累加)
    ↓ 多普勒处理 (SHIFT → CMUL → 累加)
    ↓ 能量检测 (|x|²)
输出 [角度, 多普勒, 距离]

检测结果：角度-多普勒-距离三维功率图，可检测目标的角度、速度、距离。

声纳处理流程

主动声纳频域波束形成（宽带处理）：

输入 [通道, 采样点]
    ↓ 频域匹配滤波 (FFT → CMUL)
    ↓ 频域波束形成 (CMUL → 累加)
    ↓ IFFT + 能量检测 (SHIFT → IFFT → |x|²)
输出 [角度, 距离]

检测结果：角度-距离二维功率图，可检测目标的角度和距离。

与雷达的区别：

• 波束形成在频域进行（宽带处理）
• 无多普勒维度（单脉冲）
• 相位系数是频率的函数

快速开始

安装

pip install numpy matplotlib pytest

运行雷达仿真

# 算法级（快速验证）
python -m app.radar.algo_serial --theta 20 --range 3000 --velocity 10

# 周期级（硬件仿真）
python -m app.radar.simulation --theta 20 --range 3000 --velocity 10

运行声纳仿真

# 算法级
python -m app.sonar.algo_serial --theta 20 --range 30

# 周期级
python -m app.sonar.simulation --theta 20 --range 30

命令行参数

参数	雷达默认	声纳默认	说明
--theta	20	20	目标角度 (°)
--range	3000	30	目标距离 (m)
--velocity	10	-	目标速度 (m/s)，仅雷达
--snr	20	20	信噪比 (dB)
--no-plot	-	-	不显示图像

代码示例

Python API 使用

from app.radar.signal import RadarParams, generate_radar_signals
from app.radar.simulation import RadarSimulation
from sim.types import FixedPointConfig, to_fixed

# 1. 设置参数
params = RadarParams(
    target_angle_deg=20,      # 目标角度
    target_range_m=3000,      # 目标距离
    target_velocity_mps=10,   # 目标速度
    snr_db=20,                # 信噪比
)

# 2. 生成信号
signals, _ = generate_radar_signals(params)
config = FixedPointConfig.default()
signals_q = to_fixed(signals, config)

# 3. 运行仿真
simulation = RadarSimulation(params, config)
result = simulation.run(signals_q)

# 4. 获取结果
power = result['power']           # 检测功率
metrics = simulation.metrics      # 硬件资源统计
print(metrics.summary())

配置并行度

from app.radar.configs import RadarModuleConfigs
from app.radar.modules import MFConfig, BFConfig, DopplerConfig, EDConfig

configs = RadarModuleConfigs(
    mf=MFConfig(parallelism=4),                          # MF 4 通道并行
    bf=BFConfig(channel_parallelism=4, angle_parallelism=64),  # BF 4通道×64角度
    doppler=DopplerConfig(angle_parallelism=64, doppler_parallelism=64),
    ed=EDConfig(parallelism=64),
)

simulation = RadarSimulation(params, config, module_configs=configs)

目录结构

sim/                          # 框架层（硬件仿真基础设施）
├── types.py                  # 定点数类型、转换、饱和
├── metrics.py                # 硬件度量收集（ROM/COMPUTE 分类）
├── sdf.py                    # SDF 数据流图
├── pipeline.py               # Pipeline 延迟建模
├── accumulator.py            # 多槽位累加器
├── pingpong_buffer.py        # Ping-Pong 双缓冲
├── rom.py                    # 只读存储器
├── module.py                 # StreamModule 基类
├── docs/                     # 框架文档
└── tests/                    # 框架测试

app/
├── radar/                    # 雷达应用（自包含）
│   ├── signal.py             # RadarParams 和信号生成
│   ├── funcs.py              # 计算函数（FFT、IFFT、CMUL 等）
│   ├── configs.py            # 模块配置（dataclass）
│   ├── processor.py          # SDF 处理器
│   ├── simulation.py         # 仿真驱动
│   ├── modules/              # 硬件模块
│   │   ├── matched_filter_stream.py      # MF（FFT→CMUL→IFFT）
│   │   ├── time_beamformer_stream.py     # 时域 BF
│   │   ├── doppler_stream.py             # Doppler 处理
│   │   └── energy_detection_stream.py    # 能量检测
│   ├── docs/                 # 雷达文档
│   └── tests/                # 雷达测试
└── sonar/                    # 声纳应用（自包含）
    ├── signal.py             # SonarParams 和信号生成
    ├── funcs.py              # 计算函数
    ├── configs.py            # 模块配置
    ├── processor.py          # SDF 处理器
    ├── simulation.py         # 仿真驱动
    ├── modules/              # 声纳模块
    │   ├── matched_filter_freq_stream.py     # 频域 MF
    │   ├── freq_beamformer_stream.py         # 频域 BF
    │   └── ifft_energy_detection_stream.py   # IFFT + 能量检测
    ├── docs/                 # 声纳文档
    └── tests/                # 声纳测试

output/                       # 仿真输出
├── radar/                    # 雷达报告和图片
└── sonar/                    # 声纳报告和图片

核心设计

五层架构

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│              Processor (处理器层)                    │
│  - 管理输入输出、预计算系数、收集结果                 │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│              SDFGraph (数据流图层)                   │
│  - 模块连接、调度执行、背压传播                       │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│              StreamModule (模块基类)                 │
│  - data_out, valid_out 缓存、reset() 接口           │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│              Pipeline / Accumulator (控制层)         │
│  - Pipeline: 延迟建模，1:1 数据流                    │
│  - Accumulator: N:1 累加控制                        │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│              _compute (计算层)                       │
│  - fft_compute, cmul_compute, abs_sq_compute 等      │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

Stream 协议

所有模块实现统一的 Stream 协议：

def step(data_in, valid_in, ready_in) -> (data_out, valid_out, ready_out):
    """
    valid/ready 握手协议：
    - valid_out && ready_in → 传输发生
    - valid_out && !ready_in → 背压，保持输出
    """

延迟模型

模块	默认延迟	说明
MatchedFilterStream	25	FFT(12) + CMUL(1) + IFFT(12)
MatchedFilterFreqStream	19	FFT(18) + CMUL(1)
TimeBeamformerStream	累积	跨通道累加
FreqBeamformerStream	累积	跨通道累加
DopplerStream	累积	跨脉冲累加
IFFTEnergyDetectionStream	20	SHIFT(1) + IFFT(18) + ED(1)

测试

python -m pytest sim/tests/ app/radar/tests/ app/sonar/tests/ -v

测试覆盖：

• SDF 框架核心（Stream 协议、Pipeline、Accumulator、PingPong）
• 定点数转换精度
• 各硬件模块正确性
• 雷达/声纳检测精度
• 算法级与周期级输出一致性

输出示例

======================================================================
脉冲多普勒雷达周期级仿真
======================================================================

系统参数:
  脉冲数: 32
  通道数: 8
  FFT点数: 1024
  角度范围: [-60, 60]°, 241点
  目标: 角度=20°, 距离=3000m, 速度=10m/s

======================================================================
检测结果
======================================================================
  检测: 角度=20.0°, 距离=3002m, 速度=10.0m/s
  目标: 角度=20°, 距离=3000m, 速度=10m/s

======================================================================
硬件资源统计
======================================================================
ROM 存储:
  s_conj:         8,192 bytes (8.0 KB)
  phase_shifts:  15,488 bytes (15.1 KB)
  twiddles:     524,288 bytes (512.0 KB)
  总计:        547,968 bytes (535.1 KB)

仿真耗时: 1.234s
总周期数: 5,120

详细文档

• 框架文档：sim/README.md

  • Stream 协议 - valid/ready 握手、背压传播
  • Pipeline - 延迟建模、DelayLine
  • Accumulator - 多槽位累加器
  • SDFGraph - 数据流图调度

• 雷达文档：app/radar/docs/ARCHITECTURE.md

  • 数据流详解
  • MF 模块 | BF 模块
  • Doppler 模块 | ED 模块

• 声纳文档：app/sonar/docs/ARCHITECTURE.md

  • 数据流详解
  • MF 模块 | BF 模块
  • IE 模块

许可证

MIT License