基于DSP的衛(wèi)星測(cè)控多波束解析

??　一、引言
　　衛(wèi)星測(cè)控多波束系統(tǒng)主要針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)實(shí)施測(cè)控，它包括兩個(gè)方面：信號(hào)波達(dá)方向（DOA）的估計(jì)和數(shù)字波束合成。波達(dá)方向的估計(jì)是對(duì)空間信號(hào)的方向分布進(jìn)行超分辨估計(jì)，提取空間源信號(hào)的參數(shù)如方位角、仰角等。數(shù)字波束合成也稱為空域?yàn)V波，主要是根據(jù)信號(hào)環(huán)境的變化自適應(yīng)地改變各陣元的加權(quán)因子，在期望信號(hào)方向形成主波束，在干擾信號(hào)方向形成零陷，降低副瓣電平， 目的是在增強(qiáng)期望信號(hào)的同時(shí)最大程度的抑制無用的干擾和噪聲，并提取有用的信號(hào)特征以及信號(hào)所包含的信息。用于測(cè)向和波束合成的算法很多，選擇合適的算法來滿足系統(tǒng)的需求是一個(gè)重要方面。另一方面，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性有一定的要求，要求在限定時(shí)間內(nèi)完成測(cè)向和波束合成權(quán)值的計(jì)算。
　　本文所介紹的衛(wèi)星測(cè)控多波束系統(tǒng)采用ADI公司新近推出的新一代TigerSHARC DSP芯片和FPGA器件相結(jié)合組成信號(hào)處理模塊，利用DSP的軟件編程完成測(cè)向和波束合成權(quán)值的計(jì)算，然后用FPGA器件將原始信號(hào)和權(quán)值進(jìn)行波束合成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們使用兩片igerSHARCDSP 芯片來完成。高性能的DSP芯片保證了數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的處理，也構(gòu)成了該系統(tǒng)的重要組成部分。
　　二、TigerSHARC DSP芯片介紹
　　TigerSHARC101S 是AD公司新近推出的高性能定/浮點(diǎn)DSP，具有極高的處理能力，它采用靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，既有超標(biāo)量處理器所具有的大容量指令緩沖池和指令跳轉(zhuǎn)功能，又可以在程序執(zhí)行前就把指令級(jí)并行操作用編譯器預(yù)測(cè)出來，其主要的性能指標(biāo)為：
　?。?）主頻為250 MHz，即單指令周期為4 ns；有2個(gè)對(duì)等的處理單元來支持SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）模式；
　　（2）系統(tǒng)內(nèi)部有3條獨(dú)立的128位數(shù)據(jù)總線，分別訪問各自的2 Mbit存儲(chǔ)空間；
　　（3）系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)總線為64 bit，地址總線32 bit，外部尋址空間為4G字；
　?。?）4個(gè)8 bit的全雙工鏈路口，各自可以獨(dú)立工作。在多處理器系統(tǒng)中，鏈路口可作為處理器之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信，組成分布式的多處理器系統(tǒng)。14個(gè)DMA通道，可用于后臺(tái)傳輸；
　　（5）可擴(kuò)展性強(qiáng)，共享并行總線可支持8個(gè)TS101S連在一起用于高速的數(shù)字信號(hào)處理。
　　由于測(cè)向和波束合成的算法計(jì)算量大，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理時(shí)間有要求，一片DSP不能完成任務(wù)，本系統(tǒng)充分利用TS101S DSP芯片的并行處理能力，采用多處理器的并行結(jié)構(gòu)來完成信號(hào)的處理。
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　　三、算法研究
　　用于測(cè)向和波束合成的算法很多，各種算法各有優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)這些算法的模擬和性能比較，最終選擇MUSIC（Multiple Signal Characteristic）算法來實(shí)現(xiàn)測(cè)向，用基于線性約束最小二乘恒模算法進(jìn)行波束合成。MUSIC算法的基本原理是根據(jù)天線陣中不同位置的陣元所接收到的空間來波信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)、天線位置參數(shù)和陣元的特性參數(shù)，應(yīng)用現(xiàn)代譜估計(jì)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，對(duì)來波的空間譜進(jìn)行估計(jì)，并分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來波的方向，也就是從背景噪聲中檢測(cè)出空間源信號(hào)并估計(jì)出信號(hào)的參數(shù)如方位角、仰角等，這種測(cè)向技術(shù)具有在較強(qiáng)干擾環(huán)境下同時(shí)對(duì)同信道內(nèi)多個(gè)信號(hào)的快速、高靈敏度、高精度測(cè)向的功能。算法實(shí)現(xiàn)流程圖1所示。
　　
　　基于線性約束的最小二乘恒模算法是最小二乘算法的一種改進(jìn)，它克服了最小二乘算法存在的干擾捕獲問題，利用線性約束的方法對(duì)初始權(quán)向量進(jìn)行優(yōu)化，使之在迭代過程中可以較快而準(zhǔn)確地收斂于我們所期望的信號(hào)，并且不受信號(hào)功率大小的影響。該算法收斂速度快，輸出信號(hào)的信干噪比可以接近理想值，并且對(duì)幅相差不敏感，通過對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行算法仿真，最小二乘恒模算法性能可以達(dá)到系統(tǒng)需求。算法的流程如圖2所示。
　　
　　四、DSP模塊設(shè)計(jì)
　　1.DSP模塊功能
　　系統(tǒng)使用一個(gè)C尺寸VXI標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，插槽包括0槽、DSP模塊和波束合成模塊。DSP模塊負(fù)責(zé)測(cè)向和波束合成權(quán)值的計(jì)算，波束合成模塊將原始數(shù)據(jù)和權(quán)值進(jìn)行波束合成，模塊之間的數(shù)據(jù)交換使用LBUS?？刂平K端（微機(jī)）通過VXI總線給DSP模塊發(fā)送命令，DSP模塊以外部中斷2的方式響應(yīng)接收命令并實(shí)現(xiàn)控制中斷的對(duì)系統(tǒng)的控制，命令格式由內(nèi)部協(xié)議規(guī)定。
　　根據(jù)系統(tǒng)需求，DSP模塊要完成以下6個(gè)功能：
　?。?） 接收原始數(shù)據(jù)和合成結(jié)果
　　數(shù)據(jù)采集部分是由波束合成模塊完成的，DSP模塊定時(shí)器每500 ms接收一次原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，并在500 ms內(nèi)完成測(cè)向和波束合成權(quán)值的計(jì)算。數(shù)據(jù)交換按照兩個(gè)模塊制定的內(nèi)部協(xié)議來執(zhí)行。
　　（2）自動(dòng)跟蹤
　　系統(tǒng)初始或一般狀態(tài)為自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，來波的初始方位區(qū)域已給定，DSP模塊每500 ms測(cè)向一次從而保證了系統(tǒng)能夠緊跟信號(hào)來向。
　?。?）多次測(cè)向
　　考慮到實(shí)際信號(hào)中存在的干擾和誤差，取多次測(cè)向中的平均值來作為實(shí)測(cè)方向。
　　（4）指定來波方向
　　指定來波方向后直接計(jì)算波束合成的權(quán)值，此時(shí)不利用接收的原始信號(hào)而是自己產(chǎn)生信號(hào)來進(jìn)行波束合成權(quán)值的計(jì)算。
　?。?）顯示通道波形或幅相差
　　DSP板將幅相差的數(shù)據(jù)回傳給控制終端后并在終端計(jì)算機(jī)上顯示。
　?。?）顯示合成結(jié)果
　　DSP模塊將波束合成的權(quán)值傳輸給波束合成模塊，波束合成模塊將權(quán)值和原始數(shù)據(jù)合成后回傳過來并在控制終端上顯示。