基于ADSP21161的比相測距雷達(dá)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連續(xù)波雷達(dá)具有測量精度高、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)波比相測距雷達(dá)繼承了連續(xù)波雷達(dá)的固有優(yōu)點(diǎn),由于采用了FFT比相技術(shù),不僅克服了一般連續(xù)波雷達(dá)測距困難的缺點(diǎn),而且又便于利用現(xiàn)代信號(hào)處理的新技術(shù)。隨著近年來低截獲概率雷達(dá)發(fā)展的需要,其研究日益受到人們的重視。采用新的數(shù)字信號(hào)處理器件,不僅大大降低了雷達(dá)本身的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,而且極大地提高了雷達(dá)的整體性能。

1 ADSP21161的主要特點(diǎn)[1]

    ADSP21161是美國AD公司生產(chǎn)的一款高性能的32位浮點(diǎn)處理器。在一個(gè)單獨(dú)的芯片上集成了具有強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力的微處理器內(nèi)核、1Mbit的零等待SRAM、多種形式的外部接口和獨(dú)立的I/O控制器,構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng);超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)的CPU和高速指令Cache使得ADSP21161的指令均為單周期指令;6套獨(dú)立的總線分別用于程序存儲(chǔ)區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) (DM),可以同時(shí)對(duì)PM和DM進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問;經(jīng)優(yōu)化的DMA和中斷的傳輸機(jī)制使得其與外部的數(shù)據(jù)交換獨(dú)立且并行于處理器內(nèi)核的運(yùn)算過程;片內(nèi)的主機(jī)接口和總線仲裁器可以使多片處理器無需任何附加資源即可構(gòu)成多處理器陣列。該處理器適用于各種高性能的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)和構(gòu)成多處理器陣列。

    ADSP21161的主要特點(diǎn)包括:

    (1)100MHz的內(nèi)核工作頻率;600MFLOPS(每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算)的浮點(diǎn)運(yùn)算峰值;單片ADSP21161完成1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT僅需92μs。

    (2)32位單精度(或40位擴(kuò)展精度)IEEE浮點(diǎn)DSP處理器內(nèi)核;有3個(gè)獨(dú)立的關(guān)聯(lián)計(jì)算單元(分別為算術(shù)/邏輯單元、乘法器和移位器);完備的算術(shù)運(yùn)算指令集;具有16個(gè)通用寄存器組;所有運(yùn)算指令均為單周期指令;支持零等待循環(huán)執(zhí)行和條件轉(zhuǎn)移。

    (3)片內(nèi)集成2M/1M雙端口零等待時(shí)間的SRAM存儲(chǔ)器,該存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器(PM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DM)。雙端口的設(shè)計(jì)使得DSP處理器內(nèi)核、DMA控制器和I/O處理器能快速、獨(dú)立地對(duì)存儲(chǔ)器存取。

    (4)兩套相同的運(yùn)算處理單元,支持單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)結(jié)構(gòu);利用并行的總線結(jié)構(gòu),在一個(gè)周期內(nèi)可以執(zhí)行一次乘法器運(yùn)算和一次ALU運(yùn)算,同時(shí)還可以對(duì)雙端口SRAM進(jìn)行一次讀或者寫的操作。

    (5)兩套相同的地址產(chǎn)生單元,有效地支持SIMD結(jié)構(gòu),支持循環(huán)緩沖區(qū)尋址、廣播加載尋址和位反序?qū)ぶ返榷喾N尋址方式,非常適合用于數(shù)字信號(hào)處理。

    (6)獨(dú)立于處理器內(nèi)核的I/O處理器具有DMA控制、存儲(chǔ)器映射和與處理器外部通信的功能;14個(gè)DMA通道與雙端口SRAM配合使用,實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器、外圍輔助設(shè)備、主機(jī)、串行口、鏈路口之間的并行傳輸而不影響DSP處理器內(nèi)核的運(yùn)算過程;8個(gè)串行口和2個(gè)鏈路口構(gòu)成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接很容易構(gòu)造多處理器系統(tǒng)。

2 比相測距雷達(dá)的基本原理[2]

    連續(xù)波比相測距雷達(dá)在頻域完成目標(biāo)的距離、速度等參數(shù)的測量,其基本原理如圖1所示。假設(shè)發(fā)射兩個(gè)頻率為f₀、f₁且頻差為Δf的連續(xù)正弦波,其中Δf=f₁-f₀。為了討論方便,所有信號(hào)幅度均取為1。發(fā)射信號(hào)的兩個(gè)分量的電壓波形可分別寫為:

    V₀(t)=sin(2πf₀t+φ₀)

    V₁(t)=sin(2πf₁t+φ₁)

式中,φ₀和φ₁為任意的相角(常量)。

由于多普勒效應(yīng),回波信號(hào)產(chǎn)生了頻移。接收機(jī)將兩個(gè)回波信號(hào)區(qū)分開來,通過混頻、低通濾波、正交雙通道處理、A/D變換,得到兩個(gè)多普勒頻移信號(hào)的時(shí)域離散表達(dá)形式為:

式中,T為數(shù)據(jù)采樣周期;f_d0、f_d1為對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)的多普勒頻率;c為光速;R₀為初始時(shí)刻的距離。

    對(duì)x₀(n)和x₁(n)分別做FFT處理,搜索出譜峰位置。根據(jù)譜峰位置可求得目標(biāo)的徑向速度,求出譜峰位置的相位。利用兩者的相位差即可確定目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離。

3 跟蹤控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

    跟蹤控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)給出目標(biāo)的速度、距離、角度和信噪比等信息,并能對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制,以使雷達(dá)波束始終跟蹤住目標(biāo)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 [!--empirenews.page--]

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示,它主要包括數(shù)據(jù)鎖存電路、FIFO存儲(chǔ)電路、計(jì)數(shù)控制電路、DSP最小系統(tǒng)四大部分,其中DSP最小系統(tǒng)又包括ADSP21161、EEPROM和SDRAM三個(gè)主要組成部分。

前端的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等一系列處理后,輸出時(shí)域離散的多普勒頻移信號(hào)。數(shù)據(jù)鎖存電路對(duì)前端輸入的離散多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行鎖存,將需要的數(shù)據(jù)寫入FIFO存儲(chǔ)電路。FIFO存儲(chǔ)電路主要用于存儲(chǔ)ADSP21161所需的處理數(shù)據(jù),它要受計(jì)數(shù)控制電路的控制。當(dāng)計(jì)數(shù)控制電路達(dá)到設(shè)定計(jì)數(shù)值時(shí),FIFO停止寫入數(shù)據(jù),同時(shí)計(jì)數(shù)控制電路向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。測量開始的時(shí)候,ADSP21161從嵌入式微機(jī)接收一組控制參數(shù),并對(duì)計(jì)數(shù)控制電路進(jìn)行初始化。在接收到計(jì)數(shù)控制電路發(fā)出的中斷信號(hào)時(shí),ADSP21161開始從FIFO存儲(chǔ)電路讀取經(jīng)預(yù)處理后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù),然后進(jìn)行FFT等一系列的數(shù)字信號(hào)處理,最后得出目標(biāo)的速度、相位差和信噪比等參數(shù),并利用ADSP21161的主機(jī)接口將這些結(jié)果參數(shù)發(fā)送到嵌入式微機(jī),計(jì)算出俯仰和方位誤差角之后送往伺服系統(tǒng),以使雷達(dá)始終跟蹤住目標(biāo),并在終端上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的有關(guān)參數(shù)。EEPROM用于存儲(chǔ)ADSP21161的軟件代碼及程序所需的一些數(shù)據(jù)。SDRAM則用于解決實(shí)時(shí)信號(hào)處理過程中ADSP21161片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不夠的問題。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    跟蹤控制系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。所有的程序代碼都存儲(chǔ)在EEPROM中,系統(tǒng)上電后,ADSP21161通過引腳信號(hào)自動(dòng)選擇EEPROM自動(dòng)加載程序。

程序引導(dǎo)完成之后,ADSP21161首先通過雙口RAM從嵌入式微機(jī)接收一組控制參數(shù),主要包括FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)等。然后初始化計(jì)數(shù)控制電路,當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到運(yùn)算要求時(shí),計(jì)數(shù)控制電路給ADSP21161發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào),此時(shí)ADSP21161才開始從FIFO存儲(chǔ)器中讀取經(jīng)預(yù)處理后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后,為了降低旁瓣,在FFT運(yùn)算之前要對(duì)原始數(shù)據(jù)加窗,然后開始FFT運(yùn)算。加窗所需的窗函數(shù)和FFT運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子開始都放置在EEPROM中,在程序引導(dǎo)完成之后利用DMA將它們導(dǎo)入SDRAM。

    根據(jù)實(shí)際使用情況的不同,為了達(dá)到最佳的處理效果,可以改變FFT點(diǎn)數(shù)。在1024點(diǎn)FFT等點(diǎn)數(shù)比較小的情況下,所有的處理都能在SRAM中完成,此時(shí)FFT采用按時(shí)域抽取的基-2算法。在16384點(diǎn)FFT等點(diǎn)數(shù)比較大的情況下,SRAM的容量不足以一次完成所有的處理,這時(shí)的FFT采用先頻域抽取,再時(shí)域抽取,最后重新排序以得到FFT輸出結(jié)果的正常位序。

    ADSP21161能夠直接訪問SDRAM。但在FFT點(diǎn)數(shù)比較大的情況下,在SRAM和SDRAM之間經(jīng)常有大量的數(shù)據(jù)需要交換,若采用CPU直接訪問SDRAM的方式傳輸,不管是隨機(jī)訪問SDRAM還是以連續(xù)的地址訪問SDRAM,在SDRAM最高工作頻率為166MHz下的情況測試的結(jié)果為需要大約13個(gè)指令周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。如果采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù),同樣的條件下,傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)只需要一個(gè)指令周期。而且,采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)還可以充分利用DMA傳輸和CPU運(yùn)算的并行性,從而進(jìn)一步提高處理效率。另外,ADSP21161支持鏈?zhǔn)紻MA,可以在不中斷CPU運(yùn)算的情況下自動(dòng)傳輸多段數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)的傳輸盡可能都采用DMA方式。

    經(jīng)過FFT處理后,雷達(dá)回波數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換到頻域。ADSP21161根據(jù)FFT的結(jié)果進(jìn)一步估計(jì)出功率譜,在功率譜估計(jì)的基礎(chǔ)上跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開始目標(biāo)的捕獲或者跟蹤。

    在雷達(dá)剛發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)候,不可能立即進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這時(shí)雷達(dá)處于目標(biāo)捕獲階段。此時(shí),ADSP21161利用上面估計(jì)的功率譜,在嵌入式微機(jī)送來的初始速度窗內(nèi)搜索譜峰、計(jì)算信噪比,利用給定的信噪比門限判斷當(dāng)前搜索到的譜峰是否為有效的速度點(diǎn)。若為有效速度點(diǎn),則利用能量重心法[3]進(jìn)行譜校正,利用校正之后的譜峰位置計(jì)算對(duì)應(yīng)的速度值,以得到更精確的實(shí)時(shí)參數(shù);若為無效點(diǎn),則說明雷達(dá)沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。利用這種方法,在得到幾個(gè)連續(xù)有效的速度點(diǎn)之后,并經(jīng)目標(biāo)配準(zhǔn),才可認(rèn)定目標(biāo)捕獲成功。為了防止低頻干擾,不要在零頻附近搜索譜峰。

    目標(biāo)捕獲成功之后,跟蹤控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入目標(biāo)跟蹤的階段。首先根據(jù)目標(biāo)捕獲所得的幾個(gè)速度點(diǎn),利用最小二乘算法[4]估計(jì)下一時(shí)刻的速度點(diǎn)值,其中參與預(yù)測的速度點(diǎn)數(shù)和最小二乘預(yù)測的階數(shù)可根據(jù)不同的應(yīng)用情況而改變。然后ADSP21161利用所估計(jì)的功率譜數(shù)據(jù)和速度預(yù)測值,在以速度預(yù)測值為中心的某個(gè)范圍內(nèi)搜索譜峰,利用信噪比門限判斷當(dāng)前的譜峰是否為有效點(diǎn)。若連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)無效速度點(diǎn),則表明剛才跟蹤的目標(biāo)已經(jīng)丟失,此時(shí)系統(tǒng)重新進(jìn)入目標(biāo)捕獲狀態(tài);若連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)有效速度點(diǎn),則表明當(dāng)前雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤狀況良好。為了減小干擾,提高處理效率,可以逐步減小速度搜索的范圍;為了準(zhǔn)確地給出速度值,要舍棄距當(dāng)前測量時(shí)刻時(shí)間較長的一些速度點(diǎn),只利用最近的幾個(gè)有效速度點(diǎn)來預(yù)測下一時(shí)刻的速度值。

    除了前面提到的速度參數(shù)之外,ADSP21161還要根據(jù)搜索到的譜峰計(jì)算俯仰相位差、方位相位差、信噪比等其它參數(shù),最后利用ADSP21161的主機(jī)接口將計(jì)算所得的結(jié)果參數(shù)送往嵌入式微機(jī),在那里完成目標(biāo)距離的測量和俯仰誤差角、方位誤差角的計(jì)算。

    經(jīng)過系統(tǒng)測試,以ADSP21161為核心的跟蹤控制系統(tǒng)能夠較好地完成雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。測距、測速都達(dá)到了比較高的精度,而且能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo),達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。