Tiger SHARC DSP在雷达信号处理中的应用

liyf · 发表于 2012-1-27 20:10:59

摘　要：ADSP Tiger SHARC 101S数字处理器是美国Analog Device公司最新推出的定/浮点信号处理器，该处理器对大的信号处理任务和通信结构进行了专门的优化，能够方便实现多片并行处理系统扩展。介绍了Tiger SHARC DSP芯片的主要特点，并用多片Tiger SHARC DSP芯片构成了一个典型的通用雷达信号处理系统，估计了系统的运算量, 讨论了DSP复位波形的要求以及与CPLD 配置芯片的关系, 说明了DSP的电源供电和功耗的计算方法。该系统具有结构灵活、可编程性好、可扩展性强的特点。
　　关键词：Tiger SHARC DSP；信号处理；FPGA；运算量
Application of Tiger SHARC DSP in Radar Signal Processi ng
ZHANG Xiongfei
（The 20th Institute, Electronics Science & Technology Group
Go rporation of China, Xi′an,710068,China）
　　Abstract：ADSP Tiger SHARC 101S digital processor is the latest highperformanc e fixed/floating point DSP by Analog Device that special optimization is ad apted to use communication structure and work in great signal procession task,w hich makes it easy to realize paratactic multiprocessors systemThe ma inly characteristic of Tiger SHARC DSP is presented in this paper,we design a t ypical and allpurpose radar signal processing system based on multiple T iger SHARC DSP chips,an emphasis on evaluation of system computational burden is put,the requirement of reset of DSP and its relation with configuration chip of CPLD are discussed,the power supply and consumption are accounted,the module has the advantages of flexible configuration,high programmable ability and expansib ility
　　Keywords：Tiger SHARC DSP；signal processing；FPGA；computa tional burden
　　数字信号处理就是用一些数学算法对数字信号进行分析、变换、综合、估值和识别。作为数字信号处理核心和标志的数字信号处理器(DSP)芯片自问世以来得到了快速的发展，广泛应用于通信系统、图形/图像处理、雷达声纳、医学信号处理等实时信号处理领域。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展，数字信号处理器也发生着日新月异的变革。美国AD公司，继16 b定点ADSP21xx和32 b浮点ADSP21xxx系列之后推出的ADSP Tiger SHARC系列处理器，是基于AD2106x的下一代高性能芯片。本文着重介绍Tig er SHARC系列中TS101S芯片的性能及结构特点，并将其应用在雷达信号处理系统设计中。
1Tiger SHARC DSP
　　Tiger SHARC DSP是一款高性能的静态超标量数字信号处理器，该处理器专为大的信号处理和通信任务而在结构上进行了优化。由于该处理器将非常宽的存储带宽和双运算模块结合在一起，从而建立了数字信号处理器性能的新标准。Tiger SHARC 静态超标量结构使DSP 每周期能够执行多达4 条指令、24 个16 b定点运算和6个浮点运算。该Tiger SHARC DSP 器件在3条相互独立的128 b宽度的内部数据总线中，每条可连接3个2 Mb 内部存储器中的1个，并可提供4个字的数据、指令及I/O访问和12 GB/s的内部存储器带宽。运行在250 MHz时,ADSPTS101S 的内核指令周期为4 ns，同时可以提供20亿次的40 b MAC运算或者500万次80 b MAC运算。
　　Tiger SHARC DSP器件的主要性能如下:
　　(1)最高运行速度为300 MHz，指令周期为3.3 ns。
　　(2)带有6 Mb片内SRAM，分为了3个2 Mb的存储块M0，M1和M2，每一个存储块都能够单独存储程序、数据或同时存储程序和数据。
　　(3)带有双运算模块，每个运算块有1个64 b ALU，1个乘法器，1个64 b移位器和1个由32个寄存器构成的寄存器组，可执行定点和浮点的算术逻辑等通用运算。
　　(4)3条内部地址/数据总线，每条总线都连接到3个内部存储器块中的1个。3条总线都是128 b宽，可以在任一周期使用任一条总线传送多达4条指令或4个对齐的数据。这样TS10 1S内核可以在任一周期并行访问3个存储块，1个取指令，2个访问数据。
　　(5)4个链路口支持点对点的高带宽数据传送，可通过单个链接口以250 Mb/s 的速率进行数据传输。4个链路口为处理器与处理器之间的通讯提供了一个良好的途径，总吞吐量多达 1 Gb/s。
　　(6)多处理器特性，当单个DSP芯片组成的系统不能满足处理要求时,TS101S通过外部口或链路口与其他TS101S相连构成多处理器系统。TS101S的外部总线支持多达8个DSP外加Host处理器的并行总线连接。在构成多处理器系统时，处理器之间无论是采用共享总线方式，还是采用链路口互连方式，都不需任何外加控制，实现无缝连接，在并行总线上可以80 0 Mb/s的速率进行数据传输。
　　(7)有DMA和SDRAM控制器，拥有14个DMA通道，提供了在处理器核不干预条件下的零开销数据传输，SDRAM的地址、数据引脚可以与Tiger SHARC的直接相连，另外，Tiger SHAR C提供专用的寻址空间支持SDRAM。
　　TS101S的主要性能指标如表1所示。

2信号处理系统的实现
　　图1所示是一个雷达信号处理系统的硬件框图。为了简化系统硬件，减少DSP片间连线，该系统的4个DSP以松耦合的链路方式进行连接，并共用一片FPGA。

　　
首先由DSP1通过外部DMA方式读入中频解调后的I、Q路数据，并由DSP1对读入数据进行脉冲压缩(匹配滤波)，脉冲压缩后进行二次对消，以消除固定杂波。设计总距离单元数为2000，需做2 048点复数FFT，当2 048点复数FFT完成后，还必须和预先存储好的匹配滤波器系数H(k)相乘，一般需要做2 048个复数乘法,相乘结果还需做2 048点复数IFFT以获得脉冲压缩结果。Tiger SHARC DSP做2 048点复数FFT和IFFT大约需要200 μs(工作在250 MHz )，利用Tiger SHARC DSP的双运算块和单指令多数据(SIMD)特点同时进行两个距离单元的复数乘法，完成2 048个复数乘法仅需25 μs。二次对消对于每个距离单元都需要做2次减法和1次加法，2 000个距离单元的二次对消大约需要50 μs。DSP完成上述运算大约要300 μs。
　　DSP2和DSP3完成动目标检测功能。在使用窄带多谱勒滤波器组时，为了降低旁瓣可在系统中采用滑窗加权FFT的方法，在距离单元数为2 000时大约需要640 μs处理时间，用2片DSP 并行处理即可实现。
　　求模采用近似算法，每个距离单元只用做1次比较和1次加法。恒虚警处理先进行选大单元平均运算，再对被检单元进行比较判决，从而降低虚警率。积累采用简单累加求平均的方式完成。以上3种运算由DSP4实现。
　　FPGA在电路中起辅助作用，在数据量较大的情况下进行数据寄存和分配，同时也能担负DS P4的工作，如果需要的话还能进行数据的并/串转换工作。

3Tiger SHARC DSP的使用
　　为保证Tiger SHARC DSP能正常工作，上电复位信号的设计非常重要。上电复位波形要求如图2所示，但应注意tSTARTLO在供电稳定之后必须至少大于1 ms，tPULSE1HI必须大于50个系统时钟周期，同时小于100个系统时钟周期，tPULSE2LO必须大于100个系统时钟周期，在DSP上电后,如需正常复位,其低电平持续时间必须大于100个系统时钟周期。
　　Tiger SHARC DSP有3个电源,其中数字3.3 V为I/O供电，数字1.2 V为DSP内核供电，模拟1.2 V为内部锁相环和倍频电路供电。Tiger SHARC DSP要求数字3.3 V和1.2 V应同时上电。若无法严格同步,则应保证内核电源1.2 V先上电，I/O电源3.3 V后上电。本系统在数字3.3 V输入端并联了一个大电容，而在数字1.2 V输入端并联了一个小电容，其目的就是为了保证3.3 V充电时间大于1.2 V充电时间,以便很好地解决电源供电的先后问题。
　　Tiger SHARC DSP内核最大电流为1.277 A，该电流是DSP进行单指令多数据(SIMD) 方式下，4个16 b定点字乘加与2个4字读取并行操作以及进行由外部口到内部存储器DMA操作所需的电流。实际上，DSP 内核电流大小还和内核工作频率有关，因此，供给DSP 内核电流可根据不同的并行处理任务和内核工作频率来确定，最大内核功耗为1.534 W。外部口的功耗(对VDDIO)主要是输出引脚(例如数据线的某个位由高到低，或由低到高)转换的功率消耗，而且该功耗与系统无关，一般为0.45 W。由此可估算出该信号处理系统的功耗大约为10 W。
4结语
　　本文介绍了多片Tiger SHARC DSP在雷达信号处理系统中的应用，该系统充分利用了TS101 S高速的运算能力及数据吞吐量，对不同的距离单元段进行并行处理。文中分析了系统的运算量、所需时间以及完成算法所需的DSP数，并且讨论了DSP应用过程中需注意的几个问题，具有很强的实用性。该系统外接计算机总线，预留链路口，按信号处理通用板的模式设计，也就是说，当单板资源不够时，通过增加板子的数量就可成倍地增加信号处理能力，这对于各种新型号雷达的开发研制起到了事半功倍的作用，大大缩短了研发周期，具有广泛的应用价值。
参考文献
［1］丁鹭飞,耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社,20 00
［2］刘书明,罗军辉.ADSP SHARC系列DSP应用系统设计［M］.成都:电子科技大学出版社，2003
［3］ Norwood，Mass.DSPTS101 Tiger SHARC(r)Processor Hardware Reference［M］.Analog Devices Inc，2003

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