基于ADSP-TS101S的雷達信號處理系統(tǒng)的設計

作為面向數(shù)字信號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、實時性好等特點。雷達信號處理系統(tǒng)所涉及的主要技術包括數(shù)據(jù)重采樣、參數(shù)估計、自適應濾波、恒虛警處理、脈沖壓縮、自適應波束形成和旁瓣對消等，通常需要完成大量具有高度重復性的實時計算。由于DSP可以利用硬件算術單元、片內存儲器、哈佛總線結構、專用尋址單元、流水處理技術等特有的硬件結構，來高速完成FFT、FIR、復數(shù)乘加、相關、三角函數(shù)以及矩陣運算等數(shù)字信號處理。因此，DSP非常適合雷達數(shù)字信號處理算法的實現(xiàn)。本文詳細地介紹了一種基于ADI公司高性能DSP—ADSP-TS101的雷達信號處理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)部件及信號處理算法的實現(xiàn)

本系統(tǒng)是某雷達的信號處理機，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，同時也可作為單板間信號傳送的橋梁，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、正交解調與低通濾波、自適應旁瓣對消及旁瓣消隱等。

(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公司生產的12位、40MSPS轉換速率的高性能模數(shù)轉換器，來將I、Q兩路模擬信號以某一采樣率轉換為數(shù)字信號。

(2) 正交解調與低通濾波

該功能用于在FPGA中完成正交解調與低通濾波。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA選用的是ALTERA公司生產的EP1K100,，圖1所示是該系統(tǒng)的中頻解調示意圖。由于系統(tǒng)會將采樣信號均轉換為1，0，-1，0，1……這樣的數(shù)字序列，故在對采樣信號進行解調后，會使其變?yōu)榱阒蓄l信號，然后再對其做FIR低通濾波。

(3) 自適應旁瓣對消及旁瓣消隱

實現(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DSP之間應以松耦合的鏈路方式進行鏈接?？捎蒁SP1將經過FlR低通濾波后的零中頻信號以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，同時將定點數(shù)據(jù)轉換為浮點數(shù)，并將處理結果送到DSP2。DSP2主要用于計算最佳旁瓣對消參數(shù)WI和WQ，并做旁瓣對消工作，再把處理結果送到DSP3。DSP3主要負責轉發(fā)主副通路I、Q兩路數(shù)據(jù)到DSP4，并計算主副通路I、Q兩路數(shù)據(jù)模值的工作，同時負責將處理結果送到DSP4。DSP4主要完成旁瓣消隱運算并將處理結果發(fā)往脈沖壓縮板。

1.3 脈沖壓縮板

脈沖壓縮板主要實現(xiàn)以下功能：

(1) 脈沖壓縮

圖2所示為脈沖壓縮的實現(xiàn)原理圖。脈沖壓縮主要解決雷達作用距離與分辨率之間的矛盾，是雷達系統(tǒng)中較為成熟和經常采用的技術。假如總距離單元數(shù)為6000，則應將其補齊至8192點，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中以供其調用。在產生H(k)時，不光要采用加海明窗的方法，還應采用時域綜合法進行旁瓣抑制。具體算法可參見相關資料。頻域相乘后再做IFFT就是脈沖壓縮的結果。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) 自適應濾波

自適應濾波采用自適應二次對消器來抑制云雨雜波，它由雜波測量和自適應二次對消器組成，主要在DSP2中完成自適應濾波參數(shù)Wi和Wq的估計運算，并做自適應濾波。然后把處理結果送到DSP3做后續(xù)處理。

(3) 固定雜波對消

固定雜波對消采用二次對消器，其差分方程為：

在DSP3中做完固定雜波對消后，就可將結果送DSP4。

(4) 相參積累

可按矢量相加方式積累，積累幀數(shù)為16個；本設計采取滑窗方式保存本幀周期和前15個幀周期的視頻數(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FFT程序和求模兩部分。圖3所示是其結構原理圖，其中求模可采用如下近似公式：

該算法可在DSP1中完成，處理結果送入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個距離單元。

該算法在DSP2中完成后，將處理結果送到DSP3。

(3) 非相參積累

常用的非相參積累有單極點積累器、雙極點積累器、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為總點數(shù)。那么：

該算法以及下面模塊中的前半部分均在DSP3中實現(xiàn)。

(4) 輸出模塊

通過輸出模塊先完成浮點轉定點，再乘以適當系數(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位視頻信號輸出到DAC。DAC選用具有10位有效數(shù)據(jù)位、125MSPS轉換速率的高速器件AD9750，將數(shù)字信號轉換為模擬信號后，可由OPA692F運算放大器驅動，并由視頻電纜輸出，以分別接到主機和顯示設備。

2 系統(tǒng)設計注意事項

2.1 時鐘

由于本系統(tǒng)是由多片ADSP-TS101組成的系統(tǒng)，所以由40 MHz晶振產生的時鐘信號不能直接接到各DSP和FPGA，而應該通過驅動后再接到各DSP，且時鐘信號到各DSP的距離應該盡可能接近。本系統(tǒng)中采用的時鐘驅動芯片為IDT49FCT805。另外，在PCB布線時，應該將時鐘信號盡量布在地層，并對其加以保護。

2.2 電源

ADSP-TS101有三個電源，其中數(shù)字3.3 V用于I／O供電；數(shù)字1.2 V用于DSP內核供電；模擬1.2 V為內部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。運行時要求數(shù)字3.3 V和數(shù)字1.2 V應同時上電。若無法嚴格同步，則應保證內核電源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)了一個大電容，而在數(shù)字1.2V輸入端并聯(lián)了一個小電容，其目的就是為了保證3.3V充電時間大于1.2V充電時間，以解決上述問題。系統(tǒng)用主機送來的5 V電壓經過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內部模擬1.2 V則由同一DSP芯片的VDD (1.2 V)經濾波網絡后提供。FPGA的I／O電源為3.3 V，可由電源轉換后直接使用，其2.5 V核電壓應該單獨由一片TPS54350來輸出供電。

2.3 ADSP—TS101S的復位

TigerSHARC DSP的上電復位較為特殊，在設計時應充分引起重視。該DSP的上電復位波形要求如圖5所示。這里應當注意的是，tstart_LO在供電穩(wěn)定之后，還必須大于1 ms才能進行操作：而tpulsel_HI則必須大于50個系統(tǒng)時鐘周期且小于100個系統(tǒng)時鐘周期；tpulse2_LO必須大于100個系統(tǒng)時鐘周期。

該DSP上電后正常復位時，低電平持續(xù)時間必須大于100個系統(tǒng)時鐘周期。本系統(tǒng)采用Altera公司的FPGA EPlK100來產生上電復位波形和時序控制。由于EPlK100需要一個配置芯片，而且它和DSP存在一個上電先后的問題。也就是說，在上電后，如果FPGA芯片在進行配置文件的讀入時，DSP上電仍未穩(wěn)定，則應充分延長tstart_LO的低電平時間，以避免上電未穩(wěn)定而FPGA上的波形已經結束。因此，應保證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)設計時應予以充分重視，否則DSP將無法正常工作。

3 結束語

本文詳細地介紹了雷達信號處理的各種算法在ADSP-TS101中的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)充分利用了ADSP-TS101S高速的運算能力及數(shù)據(jù)吞吐量。文中討論了DSP應用過程中的時鐘設計、電源設計和DSP復位問題，因而具有一定的工程指導意義。實踐表明，由ADSP—TS101S構成的系統(tǒng)硬件結構簡單，軟件編寫方便，而且成本較低。目前，該系統(tǒng)已成功應用于某雷達信號處理機中。