|
空間譜估計超分辨是一種空域處理技術(shù)，具有優(yōu)越的空域參數(如方位角)估計性能�？臻g譜估計屬于陣列信號處理的一個(gè)重要分支，其基本原理是通過(guò)空間陣列接收數據的相位差來(lái)確定一個(gè)或幾個(gè)待估計的參數，如方位角、俯仰角及信號源個(gè)數等�？臻g譜估計超分辨技術(shù)可以大大改善在系統處理帶寬內空間信號的角度估計精度、角度分辨力及其他相關(guān)參數精度，因而在雷達、通信、聲吶等眾多領(lǐng)域有廣闊的應用前景。 為了滿(mǎn)足快速掃描及系統處理的實(shí)時(shí)性要求，本系統采用支持浮點(diǎn)運算的高速處理器ADSP-TS101S，其DSP之間鏈路口的無(wú)縫連接可以提供高速率數據傳輸；采用空間譜估計中MUSIC算法對從天線(xiàn)陣元接收到的數據進(jìn)行處理，提高測角精度，實(shí)現超分辨測向；用多片DSP分工同時(shí)進(jìn)行目標搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于A(yíng)DSP-TS101S多處理器系統的空間譜估計超分辨測向算法的硬件實(shí)現。 1 空間譜估計超分辨測向基本原理 空間譜估計超分辨測向的基本原理為通過(guò)對多元天線(xiàn)陣接收的空中無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數字信號進(jìn)行數學(xué)處理來(lái)估計信號的來(lái)波方向，其中最常用的算法是多重信號分類(lèi)(MUSIC)算法。MUSIC算法的過(guò)程為先計算陣列接收數據的協(xié)方差矩陣R，對R進(jìn)行特征分解求出其特征值和特征向量。根據特征值可以確定信號源的數量，利用由特征向量組成的信號子空間和噪聲子空間的正交關(guān)系，對兩個(gè)子空間進(jìn)行適當的處理，確定無(wú)線(xiàn)電信號來(lái)波方向。 定義窄帶遠場(chǎng)信號的DOA數學(xué)模型為： 式中：X(t)為陣列數據，S(t)為空間信號，N(t)為噪聲數據，A為空間陣列的流型矩陣(導向矢量陣)。陣列數據X(t)的協(xié)方差矩陣R可寫(xiě)成： Rs=E[S(t)SH(t)]是空間信號的相關(guān)矩陣，σ2為理想白噪聲功率。注意到R為滿(mǎn)秩陣，對R進(jìn)行特征值分解： 式中：∧S為大特征值組成的對角陣，∧N為小特征值組成的對角陣。通常稱(chēng)US為信號子空間，UN為噪聲子空間。定義空間譜為： 當導向矢量α(θ)不屬于信號子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)不為零的矢量，而當導向矢量屬于信號子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)趨近于零的矢量。所以由空間譜公式得到的空間譜PMUSIC(θ)在信號源方向會(huì )產(chǎn)生尖銳的“譜峰”，而在其他方向相對平坦。據此譜峰可以估計出信號的來(lái)向。 2 ADSP-TS101S的主要性能 TigerSHARC是ADI公司的定浮點(diǎn)兼容的高速DSP系列處理器，比SHARC系列處理器具有更多的片上存儲器、更高的并行度、更寬的帶寬、更快的時(shí)鐘速率以及更大的靈活度，是專(zhuān)門(mén)為數字信號處理任務(wù)和復雜通信算法而設計的。 TigerSHARC系列的ADSP-TS101S內部集成了靜態(tài)超標量體系結構和大容量的SRAM。處理器工作在300MHz，單周期能執行4條指令，能實(shí)現每秒2.4億次乘累加操作和每秒1.8億次浮點(diǎn)操作，并且支持兩種方式的集成多處理器連接，很容易實(shí)現多片并行處理系統，使得該處理器能達到無(wú)縫超標量能力和杰出的I／O性能表現。 ·ADSP-TS101S的主要性能有： ·最高運行速度為300MHz，指令周期為3.3ns； ·片內帶有6Mbit雙口SRAM； ·支持32位浮點(diǎn)和8位、16位、32位和64位定點(diǎn)運算； ·提供最大1800MFLOPS運算能力； ·帶有雙運算模塊，每個(gè)包含一個(gè)ALU、一個(gè)乘法器、一個(gè)移位器和一個(gè)寄存器組； ·有14個(gè)DMA通道進(jìn)行數據傳輸； ·片上有4個(gè)鏈路口，可實(shí)現系統加載和多處理器間無(wú)縫連接； ·簇式多處理器最高可支持8個(gè)ADSP-TS101S。 ADSP-TS101S具有高速處理能力，片內帶有較大容量存儲器，而且優(yōu)越的浮點(diǎn)運算能力和鏈路口的無(wú)縫連接能力特別適合運算復雜的信號處理系統和多處理器系統。 采用鏈路口連接的多處理器系統，可以實(shí)現無(wú)縫連接，無(wú)總線(xiàn)仲裁問(wèn)題，總的鏈路口通道數據傳輸速率高于共享總線(xiàn)方式。各DSP程序可以獨立設計，而且片間引線(xiàn)少，PCB板設計容易。除此之外，ADSP-TS101S還可以用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編程，而且同一個(gè)程序也可以部分用C、部分用匯編語(yǔ)言編程，二者可以相互調用。 3 系統設計 本系統主要是實(shí)現雷達信號的超分辨測向。其實(shí)時(shí)性和連續性要求處理系統應具有較高的浮點(diǎn)數據處理能力，所以設計時(shí)采用四片ADSP-TS101S構成并行處理系統，以提高系統的數據處理能力。 3.1 硬件系統設計 輸入中頻解調后的I、Q兩路數據，運用空間譜估計算法進(jìn)行運算處理得到該雷達信號的DOA估計。將方位0°～360°、俯仰0°～90°的搜索范圍分成四個(gè)部分，每片ADSP-TS101S分別承擔90°俯仰90°方位即1／4的搜索范圍。 系統的硬件框圖如圖1所示。 ADSP-TS101S-1接收中頻解調后的I、Q兩路數據后，對數據進(jìn)行誤差校正和噪聲抑制得到X(n)。主DSPADSP-TS101S-1按照空間譜估計超分辨測向的MUSIC算法將X(n)的自相關(guān)函數X(n)進(jìn)行特征分解，判斷信號源個(gè)數。主DSP將X(n)的特征向量和信號源個(gè)數通過(guò)鏈路口傳輸給三個(gè)從DSP。ADSP-TS101S-1、ADSP-TS101S-2、ADSP-TS101S-3、ADSP-TS101S-4分別在自己的搜索范圍內進(jìn)行譜峰搜索。從DSP需將搜索結果通過(guò)鏈路口回傳給主DSP。最后由主DSP將各搜索結果匯總，判斷輸出信號的DOA估計。四片ADSP-TS101S在各自的范圍內同時(shí)搜索，大大降低了MUSIC算法在譜峰搜索上花的時(shí)間，提高了系統的實(shí)時(shí)件。 3.2 電源與復位電路 ADSP-TS101S采用三電源供電，其中模擬1.2V為內部鎖相環(huán)和倍頻電路供電；數字1.2V為DSP內核供電；數字3.3V為I／O供電。內核最大電流為1.277A，I／O平均電流為0.137A。 ADSP-TS101S要求內核電源1.2V和I／O電源3.3V同時(shí)上電。若不能?chē)栏裢�，應保證內核比I／O先上電。本系統在數字3.3V輸入端并聯(lián)了一個(gè)十幾微法大電容，而在數字1.2V輸入端只并聯(lián)了一個(gè)零點(diǎn)幾微法小電容，從而保證了3.3V充電時(shí)間大于1.2V充電時(shí)間，解決了電源供電先后的問(wèn)題。 ADSP-TS101S要求復位信號的特殊波形，否則不能保證100％正確復位，設計時(shí)應充分引起重視。上電復位波形要求如圖2所示。圖2中低電平時(shí)間tPULSE1_HI在上電穩定后必須大于2ms；高脈沖時(shí)間tPULSE1_HI必須大于50個(gè)系統時(shí)鐘周期，小于100個(gè)系統時(shí)鐘周期；低脈沖時(shí)間tPULSE2_LO必須大于100個(gè)系統時(shí)鐘周期。 3.3 鏈路口加載 ADSP-TS101S可以通過(guò)鏈路口加載方式實(shí)現單片EPROM加載多片ADSP-TS101S，從而降低系統的復雜度。第一片DSP采用EPROM(Flash)加載方式實(shí)現自身加載，其余處理器通過(guò)鏈路口實(shí)現加載。在通過(guò)鏈路口松耦合方式連接的多處理器系統中，實(shí)現整個(gè)系統的程序加載也是非常關(guān)鍵的一步。具體的軟件設計可參考相關(guān)資料。 鏈路口加載完成之后，還可以進(jìn)行數據傳輸工作，不會(huì )有任何沖突問(wèn)題。通過(guò)鏈路口的復用方式可以更有效地利用鏈路口資源。值得注意的是，采用鏈路口松耦合方式連接的多處理器系統中，所有處理器的ID號都設置為0。 3.4 鏈路口通信 由系統硬件設計可以看出，正確充分地應用鏈路口傳輸是本系統的關(guān)鍵。ADSP-TS101S片上有四個(gè)鏈路口，每個(gè)鏈路口均有8位數據總線(xiàn)進(jìn)行通信，有三個(gè)控制引腳控制通信的時(shí)鐘、數據傳輸方向和確認應答信號，可支持多片ADSP-TS101S處理器間點(diǎn)對點(diǎn)的雙向數據傳輸。四個(gè)鏈路口數據吞吐率最高可達1.2GBps，而且其傳輸速率在軟件上也可以控制。數據傳輸時(shí)，鏈路口可以直接由處理器核控制，也可以由DMA控制器控制。每個(gè)鏈路口都有專(zhuān)門(mén)的DMA發(fā)送通道和DMA接收通道，DMA可以將傳輸的數據自動(dòng)打包成四個(gè)組，方便使用。全0全1的突變是數據傳輸最?lèi)毫拥那闆r，對傳輸效果影響極大，所以應當盡量想辦法避免。 當鏈路口布線(xiàn)比較長(cháng)，特別是跨板連接時(shí)，傳輸線(xiàn)的阻抗將影響信號的延遲或者會(huì )產(chǎn)生振蕩。此時(shí)應該在鏈路口上加上緩沖區，增強信號的傳輸驅動(dòng)能力并進(jìn)行阻抗匹配，而且鏈路口時(shí)鐘輸入控制線(xiàn)上應該加50pF。左右的電容進(jìn)行濾波，保證接收端鏈路口輸入時(shí)鐘免受窄脈沖干擾的影響。 4 DSP芯片應用情況比較 現代信號處理系統中常用的DSP有TI公司的C62x、C64x、C67x，ADI公司的ADSP-21160、ADSP-TS101S、ADSP-TS201S。其中C62x和C64x是定點(diǎn)DSP，其他四種DSP都支持浮點(diǎn)運算。本系統中要求進(jìn)行浮點(diǎn)運算，而用定點(diǎn)DSP C62x和C64x進(jìn)行浮點(diǎn)運算，速度顯然達不到實(shí)時(shí)性要求。C67x、ADSP-21160、ADSP-TS101S、ADSP-TS201S這兒種浮點(diǎn)DSP，性能各不相同。C67x主頻只有167MHz，片內只有1Mbit的內存。ADSP-21160內核時(shí)鐘只有100MHz。ADSP-TS101S、ADSP-TS201S都有很高的浮點(diǎn)運算能力。ADSP-TS101S是一款性?xún)r(jià)比很高的浮點(diǎn)DSP，而且應用非常方便。ADSP-TS201S的片上內存、內核時(shí)鐘和浮點(diǎn)運算能力都比ADSP-TS101S更有優(yōu)勢。各DSP芯片性能比較見(jiàn)表1。 相同的方案下可選用不同的DSP芯片實(shí)現本系統中的超分辨測向，其實(shí)際應用情況如表2(程序都未曾進(jìn)行優(yōu)化)。從表2可以看出，由于制作工藝和電源時(shí)鐘不理想，各DSP并不能工作在最高核速率。ADI公司的兩款DSP采用匯編語(yǔ)言編程，執行同一任務(wù)所用的匯編指令比C語(yǔ)言編譯產(chǎn)生的匯編指令少，因此相同的核速率下，用匯編語(yǔ)苦編程的DSP計算速度快。其中兩個(gè)定點(diǎn)DSP C62x和C64x運算速度很慢。綜合這些結果可知，ADSP-TS101S多處理器系統住實(shí)用方面有明顯的優(yōu)勢。 因DSP-TS201S價(jià)格相對昂貴，而且進(jìn)行高速信號處理對制板的要求極高，一般的Protel軟件畫(huà)的PCB電路板達不到要求，加上電源和時(shí)鐘的因素，影響信號的質(zhì)量，使DSP無(wú)法有效工作在最高頻率而實(shí)現更快速的運算，不能發(fā)揮其優(yōu)勢，故未進(jìn)行ADSP-TS201S的實(shí)驗。如果條件成熟后，則可以采用這些更高性能的DSP實(shí)現超分辨測向。 MUSIC算法的譜峰搜索占用了運算的絕大部分時(shí)間。以本系統為例，計算數據協(xié)方差矩陣和其特征值以及特征向量只需要3ms，而其余一百多毫秒時(shí)間全都花在譜峰搜索上。 本文研究了基于A(yíng)DSP-TS101S多處理器系統的空間譜估計超分辨測向系統的硬件實(shí)現，同時(shí)結合實(shí)例說(shuō)明了其有效性和實(shí)用性。工程實(shí)踐表明基于A(yíng)DSP-TS101S的多處理器系統能夠完成雷達信號的超分辨測向，實(shí)現近實(shí)時(shí)處理。目前該系統工作穩定，達到預期效果。 |
