基于ADSP-Ts101的數(shù)字信號(hào)處理機(jī)實(shí)現(xiàn)

    在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中，被處理的回波信號(hào)可能來(lái)自運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，如飛機(jī)、艦艇、車(chē)輛等，也可能是固定背景或緩慢運(yùn)動(dòng)背景，如海浪和金屬絲干擾所產(chǎn)生的雜波。在實(shí)際應(yīng)用中，從固定雜波背景中提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波是很重要的問(wèn)題。由于固定雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多譜勒頻移不相同，利用多譜勒濾波器濾去固定雜波而取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，就可以大大改善在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。由于多種高性能數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，使得可以采用軟件通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶多譜勒濾波器組。

    本文討論的是由高速DSP芯片ADSP—TS101構(gòu)成的數(shù)字式雷達(dá)信號(hào)處理器。ADSP—TS101數(shù)字信號(hào)處理器作為雷達(dá)信號(hào)處理器的核心，主要完成以下功能：一是采用快速傅里葉變換(FFT)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)窄帶多譜勒濾波器組；二是對(duì)被檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行恒虛警處理。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)比較好地發(fā)揮了高速DSP芯片ADSP-TS101的良好性能；合理地解決了高速數(shù)據(jù)率的問(wèn)題；充分地利用了芯片內(nèi)部資源；降低了系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜性，又保證了系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

    該系統(tǒng)選用ADSP—TS101數(shù)字信號(hào)處理器作為雷達(dá)信號(hào)處理器系統(tǒng)的中央處理器。處理器主頻為250 MHz，該處理器內(nèi)部采用了多條分開(kāi)的總線，使用多級(jí)流水線方式工作，因此具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率和很高的執(zhí)行速度。由于FFT變換要用到大量的乘法運(yùn)算，而該DSP芯片可以在單指令周期內(nèi)完成一條乘法指令。加上該DSP芯片的指令系統(tǒng)中有專(zhuān)用的位翻轉(zhuǎn)尋址指令，這項(xiàng)操作在FFT處理中是必須的，所以非常適合于做FFT處理。同時(shí)，采用浮點(diǎn)運(yùn)算可以不必?fù)?dān)心運(yùn)算溢出的問(wèn)題，具有較高的運(yùn)算精度。由ADSP—TS101數(shù)字信號(hào)處理器為核心構(gòu)成的雷達(dá)信號(hào)處理器的基本組成框圖如圖1所示。

    對(duì)從前級(jí)送過(guò)來(lái)的每個(gè)周期的回波數(shù)據(jù)都存入下面的矩陣的第一行，再把下一個(gè)周期回波數(shù)據(jù)存入矩陣的第二行。N個(gè)周期之后，便形成了一個(gè)N行、M列的矩陣：

    FFT處理則對(duì)每一列的數(shù)據(jù)做FFT變換來(lái)實(shí)現(xiàn)相參積累處理，得到每一個(gè)距離單元回波信號(hào)的多普勒信息。如果第m個(gè)距離單元有目標(biāo)出現(xiàn)，則第m列的N個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)FFT處理后將產(chǎn)生與目標(biāo)速度v相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出。這樣我們就檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息。

    在前后級(jí)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，利用鏈路口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ADSP-TS101一共有4個(gè)8位的鏈路口。ADSP-TS101的鏈路口可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，適于進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，而且電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式上，采用乒乓存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在某一幀中，若A存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)前級(jí)電路傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則B存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)供DSP進(jìn)行處理，在下一幀則反過(guò)來(lái)。程序固化在FLASH存儲(chǔ)器中，復(fù)位后自動(dòng)加載到DSP的程序存儲(chǔ)區(qū)中。而被處理的數(shù)據(jù)全部存放在DSP的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中。這種分開(kāi)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)加上DSP內(nèi)部的多總線結(jié)構(gòu)使得讀取指令和訪問(wèn)數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)行，提高了運(yùn)行效率。

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用DSP內(nèi)部的DMA(直接內(nèi)存訪問(wèn))功能。DMA(直接內(nèi)存訪問(wèn))功能可以在不需要內(nèi)核干預(yù)的情況下在2塊存儲(chǔ)器之間傳輸數(shù)據(jù)。DMA控制器有自己的源地址和目的地址產(chǎn)生器。利用DSP內(nèi)部的2塊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)和多總線結(jié)構(gòu)，在內(nèi)核對(duì)一塊內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，利用DMA在另一塊內(nèi)部RAM和外部存儲(chǔ)器之間交換數(shù)據(jù)。

2 基本工作流程

    本系統(tǒng)在主處理程序中進(jìn)行FFT積累處理，在主存儲(chǔ)器的輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中存儲(chǔ)完一個(gè)相參處理周期的數(shù)據(jù)后開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行FFT處理。在主處理程序進(jìn)行FFT處理的過(guò)程中，DSP響應(yīng)定時(shí)中斷，在主存儲(chǔ)器的另一塊輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中存儲(chǔ)下一個(gè)相參處理周期的數(shù)據(jù)。在主處理程序完成一個(gè)處理周期后返回時(shí)切換這兩塊緩沖區(qū)，處理其中一塊緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，而在另一塊緩沖區(qū)中準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。在ADSP-TS101芯片的內(nèi)部有兩塊大小為64 k個(gè)32位字的RAM塊，由于CPU訪問(wèn)內(nèi)部RAM的速度比訪問(wèn)外部RAM的速度快，而且在做FFT運(yùn)算的過(guò)程中要多次訪問(wèn)同一組數(shù)據(jù)。為了提高處理效率，最好是把數(shù)據(jù)成批地讀入到內(nèi)部RAM中進(jìn)行處理，處理完后再成批地送出去。

    全部距離單元的數(shù)據(jù)處理完后，主處理程序讀取控制字進(jìn)行判斷，看是否要做恒虛警率(CFAR)處理，如果不做則跳過(guò)這一段程序，如果做則進(jìn)入恒虛警(CFAR)處理部分。恒虛警率(CFAR)處理方法采用左右距離單元平均選大恒虛警電路，采用軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)計(jì)算被檢測(cè)單元兩側(cè)的平均雜波電平，選取其中的較大者作為檢測(cè)門(mén)限，當(dāng)被檢測(cè)單元的信號(hào)超過(guò)檢測(cè)門(mén)限時(shí)，將被檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)被檢測(cè)單元的信號(hào)小于檢測(cè)門(mén)限時(shí)，輸出數(shù)據(jù)零。處理結(jié)果存放在輸出緩沖區(qū)中。處理程序?qū)⑤敵鼍彌_區(qū)中的處理結(jié)果通過(guò)鏈路口輸出到后級(jí)電路。輸出結(jié)果后主程序返回。

    由于整個(gè)處理系統(tǒng)的工作過(guò)程比較復(fù)雜，因此，軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試是很重要的。在處理器的工作過(guò)程中，包含了按照系統(tǒng)定時(shí)信號(hào)同步地與前后級(jí)之間傳輸數(shù)據(jù)，以總線并行的方式同時(shí)從外部存儲(chǔ)器向DSP內(nèi)部存儲(chǔ)器輸送待處理數(shù)據(jù)和DSP對(duì)另一塊內(nèi)部存儲(chǔ)器中已存好的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，對(duì)工作方式控制字的響應(yīng)與工作方式的切換等操作。這就要求在軟件結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與配置，并注意發(fā)揮DSP指令功能強(qiáng)和操作靈活的優(yōu)點(diǎn)。充分利用處理器的內(nèi)部資源。圖2是經(jīng)簡(jiǎn)化的處理程序流程圖。

3 結(jié)語(yǔ)

    數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)于模擬信號(hào)處理有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好，采用具有很強(qiáng)編程能力的通用DSP實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。