基于ADSP-TS101S的超分辨测向算法硬件设计

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空间谱估计超分辨是一种空域处理技术，具有优越的空域参数(如方位角)估计性能。空间谱估计属于阵列信号处理的一个重要分支，其基本原理是通过空间阵列接收数据的相位差来确定一个或几个待估计的参数，如方位角、俯仰角及信号源个数等。空间谱估计超分辨技术可以大大改善在系统处理带宽内空间信号的角度估计精度、角度分辨力及其他相关参数精度，因而在雷达、通信、声呐等众多领域有广阔的应用前景。
       为了满足快速扫描及系统处理的实时性要求，本系统采用支持浮点运算的高速处理器ADSP-TS101S，其DSP之间链路口的无缝连接可以提供高速率数据传输；采用空间谱估计中MUSIC算法对从天线阵元接收到的数据进行处理，提高测角精度，实现超分辨测向；用多片DSP分工同时进行目标搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多处理器系统的空间谱估计超分辨测向算法的硬件实现。
1 空间谱估计超分辨测向基本原理
空间谱估计超分辨测向的基本原理为通过对多元天线阵接收的空中无线电信号进行放大、变频、采样以及A／D变换后的数字信号进行数学处理来估计信号的来波方向，其中最常用的算法是多重信号分类(MUSIC)算法。MUSIC算法的过程为先计算阵列接收数据的协方差矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量，利用由特征向量组成的信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处理，确定无线电信号来波方向。
定义窄带远场信号的DOA数学模型为：

式中：X(t)为阵列数据，S(t)为空间信号，N(t)为噪声数据，A为空间阵列的流型矩阵(导向矢量阵)。阵列数据X(t)的协方差矩阵R可写成：

Rs=E[S(t)SH(t)]是空间信号的相关矩阵，σ2为理想白噪声功率。注意到R为满秩阵，对R进行特征值分解：

式中：∧S为大特征值组成的对角阵，∧N为小特征值组成的对角阵。通常称US为信号子空间，UN为噪声子空间。定义空间谱为：

当导向矢量α(θ)不属于信号子空间时，αH(θ)UN是一个不为零的矢量，而当导向矢量属于信号子空间时，αH(θ)UN是一个趋近于零的矢量。所以由空间谱公式得到的空间谱PMUSIC(θ)在信号源方向会产生尖锐的“谱峰”，而在其他方向相对平坦。据此谱峰可以估计出信号的来向。

2 ADSP-TS101S的主要性能
TigerSHARC是ADI公司的定浮点兼容的高速DSP系列处理器，比SHARC系列处理器具有更多的片上存储器、更高的并行度、更宽的带宽、更快的时钟速率以及更大的灵活度，是专门为数字信号处理任务和复杂通信算法而设计的。
TigerSHARC系列的ADSP-TS101S内部集成了静态超标量体系结构和大容量的SRAM。处理器工作在300MHz，单周期能执行4条指令，能实现每秒2.4亿次乘累加操作和每秒1.8亿次浮点操作，并且支持两种方式的集成多处理器连接，很容易实现多片并行处理系统，使得该处理器能达到无缝超标量能力和杰出的I／O性能表现。
·ADSP-TS101S的主要性能有：
·最高运行速度为300MHz，指令周期为3.3ns；
·片内带有6Mbit双口SRAM；
·支持32位浮点和8位、16位、32位和64位定点运算；
·提供最大1800MFLOPS运算能力；
·带有双运算模块，每个包含一个ALU、一个乘法器、一个移位器和一个寄存器组；
·有14个DMA通道进行数据传输；
·片上有4个链路口，可实现系统加载和多处理器间无缝连接；
·簇式多处理器最高可支持8个ADSP-TS101S。
ADSP-TS101S具有高速处理能力，片内带有较大容量存储器，而且优越的浮点运算能力和链路口的无缝连接能力特别适合运算复杂的信号处理系统和多处理器系统。
采用链路口连接的多处理器系统，可以实现无缝连接，无总线仲裁问题，总的链路口通道数据传输速率高于共享总线方式。各DSP程序可以独立设计，而且片间引线少，PCB板设计容易。除此之外，ADSP-TS101S还可以用汇编语言和C语言编程，而且同一个程序也可以部分用C、部分用汇编语言编程，二者可以相互调用。
3 系统设计
本系统主要是实现雷达信号的超分辨测向。其实时性和连续性要求处理系统应具有较高的浮点数据处理能力，所以设计时采用四片ADSP-TS101S构成并行处理系统，以提高系统的数据处理能力。
3.1 硬件系统设计
输入中频解调后的I、Q两路数据，运用空间谱估计算法进行运算处理得到该雷达信号的DOA估计。将方位0°～360°、俯仰0°～90°的搜索范围分成四个部分，每片ADSP-TS101S分别承担90°俯仰90°方位即1／4的搜索范围。
系统的硬件框图如图1所示。


ADSP-TS101S-1接收中频解调后的I、Q两路数据后，对数据进行误差校正和噪声抑制得到X(n)。主DSPADSP-TS101S-1按照空间谱估计超分辨测向的MUSIC算法将X(n)的自相关函数X(n)进行特征分解，判断信号源个数。主DSP将X(n)的特征向量和信号源个数通过链路口传输给三个从DSP。ADSP-TS101S-1、ADSP-TS101S-2、ADSP-TS101S-3、ADSP-TS101S-4分别在自己的搜索范围内进行谱峰搜索。从DSP需将搜索结果通过链路口回传给主DSP。最后由主DSP将各搜索结果汇总，判断输出信号的DOA估计。四片ADSP-TS101S在各自的范围内同时搜索，大大降低了MUSIC算法在谱峰搜索上花的时间，提高了系统的实时件。


3.2 电源与复位电路
ADSP-TS101S采用三电源供电，其中模拟1.2V为内部锁相环和倍频电路供电；数字1.2V为DSP内核供电；数字3.3V为I／O供电。内核最大电流为1.277A，I／O平均电流为0.137A。
ADSP-TS101S要求内核电源1.2V和I／O电源3.3V同时上电。若不能严格同步，应保证内核比I／O先上电。本系统在数字3.3V输入端并联了一个十几微法大电容，而在数字1.2V输入端只并联了一个零点几微法小电容，从而保证了3.3V充电时间大于1.2V充电时间，解决了电源供电先后的问题。
ADSP-TS101S要求复位信号的特殊波形，否则不能保证100％正确复位，设计时应充分引起重视。上电复位波形要求如图2所示。图2中低电平时间tPULSE1_HI在上电稳定后必须大于2ms；高脉冲时间tPULSE1_HI必须大于50个系统时钟周期，小于100个系统时钟周期；低脉冲时间tPULSE2_LO必须大于100个系统时钟周期。


3.3 链路口加载
ADSP-TS101S可以通过链路口加载方式实现单片EPROM加载多片ADSP-TS101S，从而降低系统的复杂度。第一片DSP采用EPROM(Flash)加载方式实现自身加载，其余处理器通过链路口实现加载。在通过链路口松耦合方式连接的多处理器系统中，实现整个系统的程序加载也是非常关键的一步。具体的软件设计可参考相关资料。
链路口加载完成之后，还可以进行数据传输工作，不会有任何冲突问题。通过链路口的复用方式可以更有效地利用链路口资源。值得注意的是，采用链路口松耦合方式连接的多处理器系统中，所有处理器的ID号都设置为0。

3.4 链路口通信
由系统硬件设计可以看出，正确充分地应用链路口传输是本系统的关键。ADSP-TS101S片上有四个链路口，每个链路口均有8位数据总线进行通信，有三个控制引脚控制通信的时钟、数据传输方向和确认应答信号，可支持多片ADSP-TS101S处理器间点对点的双向数据传输。四个链路口数据吞吐率最高可达1.2GBps，而且其传输速率在软件上也可以控制。数据传输时，链路口可以直接由处理器核控制，也可以由DMA控制器控制。每个链路口都有专门的DMA发送通道和DMA接收通道，DMA可以将传输的数据自动打包成四个组，方便使用。全0全1的突变是数据传输最恶劣的情况，对传输效果影响极大，所以应当尽量想办法避免。
当链路口布线比较长，特别是跨板连接时，传输线的阻抗将影响信号的延迟或者会产生振荡。此时应该在链路口上加上缓冲区，增强信号的传输驱动能力并进行阻抗匹配，而且链路口时钟输入控制线上应该加50pF。左右的电容进行滤波，保证接收端链路口输入时钟免受窄脉冲干扰的影响。

4 DSP芯片应用情况比较
现代信号处理系统中常用的DSP有TI公司的C62x、C64x、C67x，ADI公司的ADSP-21160、ADSP-TS101S、ADSP-TS201S。其中C62x和C64x是定点DSP，其他四种DSP都支持浮点运算。本系统中要求进行浮点运算，而用定点DSP C62x和C64x进行浮点运算，速度显然达不到实时性要求。C67x、ADSP-21160、ADSP-TS101S、ADSP-TS201S这儿种浮点DSP，性能各不相同。C67x主频只有167MHz，片内只有1Mbit的内存。ADSP-21160内核时钟只有100MHz。ADSP-TS101S、ADSP-TS201S都有很高的浮点运算能力。ADSP-TS101S是一款性价比很高的浮点DSP，而且应用非常方便。ADSP-TS201S的片上内存、内核时钟和浮点运算能力都比ADSP-TS101S更有优势。各DSP芯片性能比较见表1。


相同的方案下可选用不同的DSP芯片实现本系统中的超分辨测向，其实际应用情况如表2(程序都未曾进行优化)。从表2可以看出，由于制作工艺和电源时钟不理想，各DSP并不能工作在最高核速率。ADI公司的两款DSP采用汇编语言编程，执行同一任务所用的汇编指令比C语言编译产生的汇编指令少，因此相同的核速率下，用汇编语苦编程的DSP计算速度快。其中两个定点DSP C62x和C64x运算速度很慢。综合这些结果可知，ADSP-TS101S多处理器系统住实用方面有明显的优势。


因DSP-TS201S价格相对昂贵，而且进行高速信号处理对制板的要求极高，一般的Protel软件画的PCB电路板达不到要求，加上电源和时钟的因素，影响信号的质量，使DSP无法有效工作在最高频率而实现更快速的运算，不能发挥其优势，故未进行ADSP-TS201S的实验。如果条件成熟后，则可以采用这些更高性能的DSP实现超分辨测向。
MUSIC算法的谱峰搜索占用了运算的绝大部分时间。以本系统为例，计算数据协方差矩阵和其特征值以及特征向量只需要3ms，而其余一百多毫秒时间全都花在谱峰搜索上。
本文研究了基于ADSP-TS101S多处理器系统的空间谱估计超分辨测向系统的硬件实现，同时结合实例说明了其有效性和实用性。工程实践表明基于ADSP-TS101S的多处理器系统能够完成雷达信号的超分辨测向，实现近实时处理。目前该系统工作稳定，达到预期效果。