??? 摘? 要: 介紹了ADSP21161的結(jié)構(gòu)及性能,主要討論了其在連續(xù)波比相測距雷達(dá)中的應(yīng)用。介紹了比相測距雷達(dá)的基本原理,分析了以DSP為核心的雷達(dá)跟蹤控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計,詳細(xì)討論了軟件部分的設(shè)計和實現(xiàn)。測試結(jié)果表明,整套系統(tǒng)較好地滿足了設(shè)計要求。?
????關(guān)鍵詞: ADSP21161? FFT? 連續(xù)波雷達(dá)" title="連續(xù)波雷達(dá)">連續(xù)波雷達(dá)? 比相測距
?
??? 連續(xù)波雷達(dá)具有測量精度高、設(shè)備簡單等優(yōu)點。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,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,而且又便于利用現(xiàn)代信號處理的新技術(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)字信號處理" title="數(shù)字信號處理">數(shù)字信號處理器件,不僅大大降低了雷達(dá)本身的設(shè)計復(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[1]?
??? ADSP21161是美國AD公司生產(chǎn)的一款高性能的32位浮點處理器。在一個單獨的芯片上集成了具有強(qiáng)大浮點運算能力的微處理器內(nèi)核" title="處理器內(nèi)核">處理器內(nèi)核、1Mbit的零等待SRAM、多種形式的外部接口和獨立的I/O控制器,構(gòu)成了一個完整的系統(tǒng);超級哈佛結(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套獨立的總線分別用于程序存儲區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲區(qū) (DM),可以同時對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)交換獨立且并行于處理器內(nèi)核的運算過程;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)字信號處理任務(wù)和構(gòu)成多處理器陣列。
??? ADSP21161的主要特點包括:?
??? (1)100MHz的內(nèi)核工作頻率;600MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)的浮點運算峰值;單片ADSP21161完成1024點復(fù)數(shù)FFT僅需92μs。?
??? (2)32位單精度(或40位擴(kuò)展精度)IEEE浮點DSP處理器內(nèi)核;有3個獨立的關(guān)聯(lián)計算單元(分別為算術(shù)/邏輯單元、乘法器和移位器);完備的算術(shù)運算指令集;具有16個通用寄存器組;所有運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雙端口零等待時間的SRAM存儲器,該存儲器分為程序存儲器(PM)和數(shù)據(jù)存儲器(DM)。雙端口的設(shè)計使得DSP處理器內(nèi)核、DMA控制器和I/O處理器能快速、獨立地對存儲器存取。?
??? (4)兩套相同的運算處理單元,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),在一個周期內(nèi)可以執(zhí)行一次乘法器運算和一次ALU運算,同時還可以對雙端口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)字信號處理。?
??? (6)獨立于處理器內(nèi)核的I/O處理器具有DMA控制、存儲器映射和與處理器外部通信的功能;14個DMA通道與雙端口SRAM配合使用,實現(xiàn)了在內(nèi)部存儲器和外部存儲器、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)核的運算過程;8個串行口和2個鏈路口構(gòu)成的點對點的連接很容易構(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,所有信號幅度均取為1。發(fā)射信號的兩個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),回波信號產(chǎn)生了頻移。接收機(jī)將兩個回波信號區(qū)分開來,通過混頻、低通濾波、正交雙通道處理、A/D變換,得到兩個多普勒頻移信號的時域離散表達(dá)形式為:?
??? 
式中,T為數(shù)據(jù)采樣周期;fd0、fd1為對應(yīng)發(fā)射信號的多普勒頻率;c為光速;R0為初始時刻的距離。?
??? 對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)對應(yīng)的距離。?
3 跟蹤控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計?
??? 跟蹤控制系統(tǒng)能實時給出目標(biāo)的速度、距離、角度和信噪比" title="信噪比">信噪比等信息,并能對雷達(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)計主要包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。?
3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計?
??? 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存儲電路、計數(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三個主要組成部分。?
?
?
??? 前端的數(shù)據(jù)采集模塊對雷達(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,輸出時域離散的多普勒頻移信號。數(shù)據(jù)鎖存電路對前端輸入的離散多普勒頻移信號進(jìn)行鎖存,將需要的數(shù)據(jù)寫入FIFO存儲電路。FIFO存儲電路主要用于存儲ADSP21161所需的處理數(shù)據(jù),它要受計數(shù)控制電路的控制。當(dāng)計數(shù)控制電路達(dá)到設(shè)定計數(shù)值時,FIFO停止寫入數(shù)據(jù),同時計數(shù)控制電路向DSP發(fā)出一個中斷信號。測量開始的時候,ADSP21161從嵌入式微機(jī)接收一組控制參數(shù),并對計數(shù)控制電路進(jìn)行初始化。在接收到計數(shù)控制電路發(fā)出的中斷信號時,ADSP21161開始從FIFO存儲電路讀取經(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),并在終端上實時顯示目標(biāo)的有關(guān)參數(shù)。EEPROM用于存儲ADSP21161的軟件代碼及程序所需的一些數(shù)據(jù)。SDRAM則用于解決實時信號處理過程中ADSP21161片內(nèi)存儲器容量不夠的問題。?
3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計?
??? 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在EEPROM中,系統(tǒng)上電后,ADSP21161通過
引腳信號自動選擇EEPROM自動加載程序。?
?
?
??? 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運算點數(shù)等。然后初始化計數(shù)控制電路,當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到運算要求時,計數(shù)控制電路給ADSP21161發(fā)送一個中斷信號,此時ADSP21161才開始從FIFO存儲器中讀取經(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運算之前要對原始數(shù)據(jù)加窗,然后開始FFT運算。加窗所需的窗函數(shù)和FFT運算所需的旋轉(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點數(shù)。在1024點FFT等點數(shù)比較小的情況下,所有的處理都能在SRAM中完成,此時FFT采用按時域抽取的基-2算法。在16384點FFT等點數(shù)比較大的情況下,SRAM的容量不足以一次完成所有的處理,這時的FFT采用先頻域抽取,再時域抽取,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個指令周期傳輸一個數(shù)據(jù)。如果采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù),同樣的條件下,傳輸一個數(shù)據(jù)只需要一個指令周期。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運算的情況下自動傳輸多段數(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)一步估計出功率譜,在功率譜估計的基礎(chǔ)上跟蹤控制系統(tǒng)實現(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)的時候,不可能立即進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這時雷達(dá)處于目標(biāo)捕獲階段。此時,ADSP21161利用上面估計的功率譜,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。若為有效速度點,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算對應(yīng)的速度值,以得到更精確的實時參數(shù);若為無效點,則說明雷達(dá)沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。利用這種方法,在得到幾個連續(xù)有效的速度點之后,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)捕獲所得的幾個速度點,利用最小二乘算法[4]估計下一時刻的速度點值,其中參與預(yù)測的速度點數(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。若連續(xù)出現(xiàn)幾個無效速度點,則表明剛才跟蹤的目標(biāo)已經(jīng)丟失,此時系統(tǒng)重新進(jìn)入目標(biāo)捕獲狀態(tài);若連續(xù)出現(xiàn)幾個有效速度點,則表明當(dāng)前雷達(dá)對目標(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)前測量時刻時間較長的一些速度點,只利用最近的幾個有效速度點來預(yù)測下一時刻的速度值。
??? 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)信號的實時處理。測距、測速都達(dá)到了比較高的精度,而且能同時跟蹤多個目標(biāo),達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計要求。?
參考文獻(xiàn)?
1 ADSP-21161 SHARC DSP Hardware Reference(Third Edition).?Analog Devices Inc.,May 2002?
2 Skolink M. I. 雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論. 北京:國防工業(yè)出版社,?1992:58-82?
3 朱小勇, 丁 康.離散譜校正方法的綜合比較.信號處理,?2001;17(1)92-97?
4 南京大學(xué)數(shù)學(xué)系計算數(shù)學(xué)專業(yè).數(shù)值逼近方法.北京:科學(xué)出版社,1978:84-90