基于DSP芯片ADSP-TS101在雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中的應(yīng)用及設(shè)計(jì)

作為面向數(shù)字信號(hào)處理的可編程嵌入式處理器，DSP具有高速、靈活、可靠、可編程、低功耗、接口豐富、處理速度快、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)所涉及的主要技術(shù)包括數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計(jì)、自適應(yīng)濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應(yīng)波束形成和旁瓣對(duì)消等，通常需要完成大量具有高度重復(fù)性的實(shí)時(shí)計(jì)算。由于DSP可以利用硬件算術(shù)單元、片內(nèi)存儲(chǔ)器、哈佛總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、流水處理技術(shù)等特有的硬件結(jié)構(gòu)，來高速完成FFT、FIR、復(fù)數(shù)乘加、相關(guān)、三角函數(shù)以及矩陣運(yùn)算等數(shù)字信號(hào)處理。因此，DSP非常適合雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)。本文詳細(xì)地介紹了一種基于ADI公司高性能DSP—ADSP-TS101的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)部件及信號(hào)處理算法的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)是某雷達(dá)的信號(hào)處理機(jī)，總共有4塊電路板，分為母板、抗干擾板、脈沖壓縮板和MTD板。

1.1 母板

母板主要是為其它三塊單板提供電源，同時(shí)也可作為單板間信號(hào)傳送的橋梁，將處理完的視頻數(shù)據(jù)送到顯示器顯示。

1.2 抗干擾板

抗干擾板的主要功能包括中頻采要、正交解調(diào)與低通濾波、自適應(yīng)旁瓣對(duì)消及旁瓣消隱等。

（1） 中頻采樣

中頻采樣主要是通過ADC讀人中頻數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的ADC采用美國ADI公司生產(chǎn)的12位、40MSPS轉(zhuǎn)換速率的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，來將I、Q兩路模擬信號(hào)以某一采樣率轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

（2） 正交解調(diào)與低通濾波

該功能用于在FPGA中完成正交解調(diào)與低通濾波。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA公司生產(chǎn)的EP1K100，，圖1所示是該系統(tǒng)的中頻解調(diào)示意圖。由于系統(tǒng)會(huì)將采樣信號(hào)均轉(zhuǎn)換為1，0，-1，0，1……這樣的數(shù)字序列，故在對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后，會(huì)使其變?yōu)榱阒蓄l信號(hào)，然后再對(duì)其做FIR低通濾波。

（3） 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消及旁瓣消隱

實(shí)現(xiàn)上述兩算法總共要用到4片ADSP-TS101S。為了簡化系統(tǒng)硬件、減少DSP的片間連線，系統(tǒng)的4個(gè)DSP之間應(yīng)以松耦合的鏈路方式進(jìn)行鏈接?？捎蒁SP1將經(jīng)過FlR低通濾波后的零中頻信號(hào)以DMA方式讀入。為了保證處理的數(shù)據(jù)為一幀完整的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用乒乓方式讀人I、Q兩路數(shù)據(jù)，這樣可以保證一邊讀數(shù)據(jù)，一邊處理，同時(shí)將定點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，并將處理結(jié)果送到DSP2。DSP2主要用于計(jì)算最佳旁瓣對(duì)消參數(shù)WI和WQ，并做旁瓣對(duì)消工作，再把處理結(jié)果送到DSP3。DSP3主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)主副通路I、Q兩路數(shù)據(jù)到DSP4，并計(jì)算主副通路I、Q兩路數(shù)據(jù)模值的工作，同時(shí)負(fù)責(zé)將處理結(jié)果送到DSP4。DSP4主要完成旁瓣消隱運(yùn)算并將處理結(jié)果發(fā)往脈沖壓縮板。

1.3 脈沖壓縮板

脈沖壓縮板主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1） 脈沖壓縮

圖2所示為脈沖壓縮的實(shí)現(xiàn)原理圖。脈沖壓縮主要解決雷達(dá)作用距離與分辨率之間的矛盾，是雷達(dá)系統(tǒng)中較為成熟和經(jīng)常采用的技術(shù)。假如總距離單元數(shù)為6000，則應(yīng)將其補(bǔ)齊至8192點(diǎn)，然后做FFT。需要說明的是，這里用到的H（k）是在MATLAB中生成好的，然后存貯到DSP中以供其調(diào)用。在產(chǎn)生H（k）時(shí)，不光要采用加海明窗的方法，還應(yīng)采用時(shí)域綜合法進(jìn)行旁瓣抑制。具體算法可參見相關(guān)資料。頻域相乘后再做IFFT就是脈沖壓縮的結(jié)果。該算法在DSP1中完成后，就可將處理后的數(shù)據(jù)送到DSP2做后續(xù)處理。

（2） 自適應(yīng)濾波

自適應(yīng)濾波采用自適應(yīng)二次對(duì)消器來抑制云雨雜波，它由雜波測量和自適應(yīng)二次對(duì)消器組成，主要在DSP2中完成自適應(yīng)濾波參數(shù)Wi和Wq的估計(jì)運(yùn)算，并做自適應(yīng)濾波。然后把處理結(jié)果送到DSP3做后續(xù)處理。

（3） 固定雜波對(duì)消

固定雜波對(duì)消采用二次對(duì)消器，其差分方程為：

在DSP3中做完固定雜波對(duì)消后，就可將結(jié)果送DSP4。

（4） 相參積累

可按矢量相加方式積累，積累幀數(shù)為16個(gè)；本設(shè)計(jì)采取滑窗方式保存本幀周期和前15個(gè)幀周期的視頻數(shù)據(jù)：積累后除以16就可以取得平均值。DSP4在做完相參積累后就將處理過的數(shù)據(jù)送往MTD板做后續(xù)處理。

1.4 MTD板

MTD板實(shí)現(xiàn)的主要功能包括MTD處理、CFAR處理和非相參積累。

（1） MTD處理

MTD處理主要包括8點(diǎn)FFT程序和求模兩部分。圖3所示是其結(jié)構(gòu)原理圖，其中求?？刹捎萌缦陆乒剑?/p>

該算法可在DSP1中完成，處理結(jié)果送入DSP2。

（2） CFAR處理

本系統(tǒng)中采用的算法框圖如圖4所示，CFAR處理的參考單元數(shù)N為35，前后各16個(gè)距離單元。

該算法在DSP2中完成后，將處理結(jié)果送到DSP3。

（3） 非相參積累

常用的非相參積累有單極點(diǎn)積累器、雙極點(diǎn)積累器、滑窗積累平均積累等，本文采用簡單的滑窗平均積累，其中Ns=8，Mr為總點(diǎn)數(shù)。那么：

該算法以及下面模塊中的前半部分均在DSP3中實(shí)現(xiàn)。

（4） 輸出模塊

通過輸出模塊先完成浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)，再乘以適當(dāng)系數(shù)將數(shù)據(jù)范圍壓縮到10位，然后把大于零的振幅數(shù)據(jù)輸出到D／A的視頻數(shù)據(jù)，并用前幀同步作為中斷，利用DSP的DMA0來將數(shù)據(jù)傳至FPCA，再將FPGA鎖存后的lO位視頻信號(hào)輸出到DAC。DAC選用具有10位有效數(shù)據(jù)位、125MSPS轉(zhuǎn)換速率的高速器件AD9750，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，可由OPA692F運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)，并由視頻電纜輸出，以分別接到主機(jī)和顯示設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 時(shí)鐘

由于本系統(tǒng)是由多片ADSP-TS101組成的系統(tǒng)，所以由40 MHz晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)不能直接接到各DSP和FPGA，而應(yīng)該通過驅(qū)動(dòng)后再接到各DSP，且時(shí)鐘信號(hào)到各DSP的距離應(yīng)該盡可能接近。本系統(tǒng)中采用的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片為IDT49FCT805。另外，在PCB布線時(shí)，應(yīng)該將時(shí)鐘信號(hào)盡量布在地層，并對(duì)其加以保護(hù)。

2.2 電源

ADSP-TS101有三個(gè)電源，其中數(shù)字3.3 V用于I／O供電；數(shù)字1.2 V用于DSP內(nèi)核供電；模擬1.2 V為內(nèi)部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。運(yùn)行時(shí)要求數(shù)字3.3 V和數(shù)字1.2 V應(yīng)同時(shí)上電。若無法嚴(yán)格同步，則應(yīng)保證內(nèi)核電源1.2 V先上電，I／O電源3.3 V后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字3.3V輸入端并聯(lián)了一個(gè)大電容，而在數(shù)字1.2V輸入端并聯(lián)了一個(gè)小電容，其目的就是為了保證3.3V充電時(shí)間大于1.2V充電時(shí)間，以解決上述問題。系統(tǒng)用主機(jī)送來的5 V電壓經(jīng)過TPS54350得到3.3 V和1.2 V的電壓。各片DSP的數(shù)字1.2 V電源各由一片TPS54350供給。6片DSP內(nèi)部模擬1.2 V則由同一DSP芯片的VDD （1.2 V）經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)后提供。FPGA的I／O電源為3.3 V，可由電源轉(zhuǎn)換后直接使用，其2.5 V核電壓應(yīng)該單獨(dú)由一片TPS54350來輸出供電。

2.3 ADSP—TS101S的復(fù)位

TigerSHARC DSP的上電復(fù)位較為特殊，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分引起重視。該DSP的上電復(fù)位波形要求如圖5所示。這里應(yīng)當(dāng)注意的是，tstart_LO在供電穩(wěn)定之后，還必須大于1 ms才能進(jìn)行操作：而tpulsel_HI則必須大于50個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期且小于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；tpulse2_LO必須大于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

該DSP上電后正常復(fù)位時(shí)，低電平持續(xù)時(shí)間必須大于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。本系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA EPlK100來產(chǎn)生上電復(fù)位波形和時(shí)序控制。由于EPlK100需要一個(gè)配置芯片，而且它和DSP存在一個(gè)上電先后的問題。也就是說，在上電后，如果FPGA芯片在進(jìn)行配置文件的讀入時(shí)，DSP上電仍未穩(wěn)定，則應(yīng)充分延長tstart_LO的低電平時(shí)間，以避免上電未穩(wěn)定而FPGA上的波形已經(jīng)結(jié)束。因此，應(yīng)保證DSP上電穩(wěn)定先于FPGA芯片配置文件的讀入，此問題在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分重視，否則DSP將無法正常工作。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)地介紹了雷達(dá)信號(hào)處理的各種算法在ADSP-TS101中的實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)充分利用了ADSP-TS101S高速的運(yùn)算能力及數(shù)據(jù)吞吐量。文中討論了DSP應(yīng)用過程中的時(shí)鐘設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)和DSP復(fù)位問題，因而具有一定的工程指導(dǎo)意義。實(shí)踐表明，由ADSP—TS101S構(gòu)成的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編寫方便，而且成本較低。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)中。

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