TMS320C6701在電離層垂直探測系統(tǒng)中的應用

在UIS系統(tǒng)中，發(fā)射波采用相位調(diào)制（所有的調(diào)制以復數(shù)表示），發(fā)射波信號可表示為：

式中，u（t）表示調(diào)制信號，f₀是載波頻率。由于這是個窄帶信號，對其進行同步解調(diào)并采用低通濾波可得到的接收信號為：

在利用脈沖雷達探測電離層信道參數(shù)的一般系統(tǒng)模型中，把調(diào)制信號u（t）作時間t_p的延時，并用它與接收信號做相關運算，相關計算的時間長度為T₀，則在t_c時刻兩者的互相關函數(shù)為：

實驗表明，多數(shù)情況下電離層信道的平穩(wěn)性可以持續(xù)10s～600s，在10s以內(nèi)，電離層可以看作是一個線性時不變系統(tǒng)，即認為在T₀（T₀10s）時間內(nèi)，h(t,τ)≈h(t_c,τ)。交換公式（4）的積分順序后，得：

如果C_u,u(t_p)=δ(t_p) [δ(t_p)為沖擊響應函數(shù)]，則h(t_c,t_p)=用變量t代換t_c，即：

從（5）式和（6）式可以看出，采用具有良好自相關性的偽隨機碼對發(fā)射載波進行調(diào)制，每次測量就可直接得到特定時間t的電離層信道的一次單頻全路徑“回波～距離函數(shù)”。即在全路徑上觀測一個頻點，通過在單頻點多次測量，將測量結果按時間順序排列便得雙時響應函數(shù)。對雙時響應函數(shù)做關于時間t的Fourier變換即可得到電離層信道的散射函數(shù)。由散射函數(shù)可得探測電路上的多徑展寬和多譜勒展寬，進而可得到短波通信的相關時間、相關帶寬這些信道特性參數(shù)，從而可實時確定短波通信的最佳碼長，調(diào)制、解調(diào)參數(shù)，分集參數(shù)等。另外，通過對散射函數(shù)的波形分析，可得到電離層的動態(tài)變化特性。
UIS系統(tǒng)組成如圖1所示。PC機負責整個系統(tǒng)的控制操作、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存；DSP信號處理模塊負責控制FPGA產(chǎn)生階數(shù)可變的m序列和靈活多變的收發(fā)開關時序、從接收機串口接收回波信號、進行相關的數(shù)字信號處理、與PC機通信等；DDS負責發(fā)射信號（m序列）的調(diào)制。

從圖1可以看出，DSP信號處理模塊在UIS系統(tǒng)中處于核心地位，將同時或依次處理各種不同的任務。該模塊對所執(zhí)行任務的合理安排以及該模塊與其它模塊之間的通信是整個UIS系統(tǒng)正常工作的關鍵。本文將重點介紹UIS系統(tǒng)中DSP信號處理模塊的設計。
2 DSP信號處理模塊的設計
DSP信號處理模塊的核心――DSP采用TI公司的主流芯片TMS320C6701^[2～3]，主要具備以下特點：（1）運算速度快。該芯片為浮點型，最高運行頻率達150MHz，可以進行并行計算，最多可具備八條流水線，最高運行速度可達1000MFLOPS。（2）外部存儲空間大。通過片內(nèi)集成外設EMIF接口可無縫連接128K32bit SBSRAM和兩塊4M32bit的SDRAM。（3）豐富的片內(nèi)集成外設。具有三個多通道緩沖串口（McBSP）和四個DMA通道。（4）具有可訪問DSP整個存儲空間的主機口（HPI）和32bit/33MHz的PCI主/從模式接口，便于DSP與PC機通過PCI總線以HPI方式進行通信，支持多種加載模式。DSP信號處理模塊結構圖如圖2所示。

2.1 DSP與FPGA的接口
在UIS系統(tǒng)中，天線開關的收發(fā)時序是靈活多變的，m序列的階數(shù)是在線可調(diào)的。為了保證本系統(tǒng)的適應性和靈活性，m序列與時序產(chǎn)生模塊由FPGA器件構成^[4]。FPGA器件選用Altera公司的EP1K50，其豐富的門資源（5萬門）確保了日后該模塊的可升級性。模塊功能由硬件描述語言Verilog完成。DSP與FPGA的接口框圖如圖3所示，DSP通過接口模塊把m序列的階數(shù)和時序參數(shù)傳遞到FPGA并啟動FPGA工作。

TMS320C6701 DSP具有三個多通道緩沖串口，并可配置為通用I/O口。在DSP信號處理模塊中，將TMS320C6701 DSP的McBSP1、McBSP2的管腳CLKX、FSX、CLKR、FSR設置為通用I/O口，通過八個I/O口實現(xiàn)DSP與FPGA的通信，傳送相關參數(shù)；FPGA中的接口模塊按照規(guī)定的協(xié)議將相關參數(shù)傳送到m序列與時序產(chǎn)生模塊轉換為m序列的階數(shù)和時序參數(shù)，從而實現(xiàn)DSP在線調(diào)整m序列的階數(shù)和時序參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。
2.2 DSP與接收機的接口
接收機接收到數(shù)據(jù)后由接收機的串口輸出數(shù)字，經(jīng)過DSP的McBSP0送到DSP，再經(jīng)EMIF送到外部擴展存儲區(qū)SBSRAM（以下簡稱DSP緩存區(qū)）；在接收到一塊數(shù)據(jù)后，將這塊數(shù)據(jù)送到DSP的外部擴展存儲區(qū)SDRAM（以下簡稱DSP計算區(qū)），供DSP進行相關運算。
DSP信號處理模塊分配DMA CH0服務于McBSP0,指定DMA CH0的同步事件為串口接收事件（REVT0）。McBSP0每接收到一個數(shù)據(jù)時，就啟動一個REVT0事件，驅(qū)動DMA CH0將接收數(shù)據(jù)寄存器（DRR）中的數(shù)據(jù)搬移到DSP緩存區(qū)。當DMA CH0搬移完一塊數(shù)據(jù)時，副控寄存器中的塊傳輸中斷使能標志位（以下簡稱BLOCK IE）發(fā)生變化，從而產(chǎn)生中斷。在中斷服務程序中，初始化并啟動DMA CH1將數(shù)據(jù)從DSP緩存區(qū)送到DSP計算區(qū)，同時重新初始化BLOCK IE，以便觸發(fā)下一次中斷。
2.3 DSP數(shù)據(jù)處理與相關運算
如圖4所示，DMA CH1在搬移接收數(shù)據(jù)的同時也將塊接收完成標志字（0xf0f0）搬移到DSP計算區(qū)，DSP不斷查詢DSP計算區(qū)中的標志字（其初始化值為0x0f0f），若其為0xf0f0，則認為接收數(shù)據(jù)已搬移到DSP計算區(qū)；然后把該標志字改寫為0x0f0f，以便在對下一次塊接收數(shù)據(jù)進行有效查詢的同時將本塊數(shù)據(jù)進行相關運算。
相關算法是數(shù)據(jù)處理的核心，其功能是計算序列與接收碼的移位相關，從公式（5）可以看出，由此將得到電離層的沖擊函數(shù)，即系統(tǒng)模型。相關算法用DSP專用的匯編語言實現(xiàn)。經(jīng)過編譯工具的三級優(yōu)化，可進入深度流水和并行執(zhí)行狀態(tài)，極大地提高了DSP的運算效率，縮短了程序執(zhí)行時間。
TMS320C6701的150MHz的運行速度以及相關算法代碼的高效確保了在接收兩次塊數(shù)據(jù)的間隙內(nèi)相關算法已完成且處理結果已搬移到DSP輸出緩沖區(qū)，因此不會造成本塊數(shù)據(jù)還沒有處理完就被下塊數(shù)據(jù)覆蓋的錯誤，保證了相關運算結果的正確性。
相關計算完畢后，將運算結果送到輸出緩存區(qū)，供PC機讀取。
2.4 DSP與PC機的通信
TMS320C6701內(nèi)部結構的最大特點是片內(nèi)提供多種集成外設，擁有可以訪問DSP整個存儲空間的主機口（HPI）和32bit/33MHz PCI主/從模式接口。如圖5所示，通過外接專用PCI接口芯片AMCCS5933實現(xiàn)DSP與PC機通信的硬件接口^[5]。

PC機端采用Visual C++6.0作為開發(fā)平臺，基于TI公司提供的動態(tài)鏈接庫Evm6x.dll開發(fā)PC機與DSP的通信程序。
PC機端通過DSP的HPI口初始化DSP，轉載DSP程序代碼，輸入系統(tǒng)探測參數(shù)，啟動DSP工作，訪問DSP整個存儲空間，從DSP的處理結果緩存區(qū)讀取運算后的結果^[6]。
通過試驗，獲得了電離層的垂測數(shù)據(jù)，驗證了本系統(tǒng)的可行性，特別是DSP信號處理模塊工作的正確性。圖6是2003年5月19日武漢當?shù)貢r間上午10點28分散射函數(shù)的垂測實驗結果，發(fā)射頻率為8.6MHz。從圖中可以看到，無Es層時，F(xiàn)層回波明顯，且O波、X波間距變大。

隨著DSP、FPGA芯片成本下降，性能提高，現(xiàn)代雷達設計不再采用硬件化程度較高的芯片。本文提出的充分利用TMS320C6701運算速度快和片內(nèi)外設接口豐富等特點實現(xiàn)的實時同步的DSP處理模塊，對今后DSP在雷達上的應用具有一定的指導意義。
參考文獻
1 姚永剛.電離層探測編碼脈沖壓縮雷達體制的研究.武漢:武漢大學博士學位論文，2001
2 TMS320C6201/C6701 Peripherals User’s Guide.TI，1998
3 TMS320C6X Assembly Language Tools.TI，1998
4 陳 曦，趙正予，劉進華. 基于FPGA的收發(fā)共用天線體制時序的實現(xiàn).現(xiàn)代電子工程, 2003(1)
5 劉進華，趙正予，謝樹果.電離層探測系統(tǒng)中PC與DSP通信方案的設計.現(xiàn)代雷達，2003(5)
6 陳雪濤，趙正予，謝樹果. 電離層斜向返回探測儀中主程序的設計與實現(xiàn).現(xiàn)代雷達，2004(1)