基于ADSP-TS101S的超分辨測(cè)向算法硬件設(shè)計(jì)

空間譜估計(jì)超分辨是一種空域處理技術(shù)，具有優(yōu)越的空域參數(shù)(如方位角)估計(jì)性能。空間譜估計(jì)屬于陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要分支，其基本原理是通過空間陣列接收數(shù)據(jù)的相位差來確定一個(gè)或幾個(gè)待估計(jì)的參數(shù)，如方位角、俯仰角及信號(hào)源個(gè)數(shù)等?？臻g譜估計(jì)超分辨技術(shù)可以大大改善在系統(tǒng)處理帶寬內(nèi)空間信號(hào)的角度估計(jì)精度、角度分辨力及其他相關(guān)參數(shù)精度，因而在雷達(dá)、通信、聲吶等眾多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

為了滿足快速掃描及系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用支持浮點(diǎn)運(yùn)算的高速處理器ADSP-TS101S，其DSP之間鏈路口的無(wú)縫連接可以提供高速率數(shù)據(jù)傳輸；采用空間譜估計(jì)中MUSIC算法對(duì)從天線陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高測(cè)角精度，實(shí)現(xiàn)超分辨測(cè)向；用多片DSP分工同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多處理器系統(tǒng)的空間譜估計(jì)超分辨測(cè)向算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

1 空間譜估計(jì)超分辨測(cè)向基本原理

空間譜估計(jì)超分辨測(cè)向的基本原理為通過對(duì)多元天線陣接收的空中無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來估計(jì)信號(hào)的來波方向，其中最常用的算法是多重信號(hào)分類(MUSIC)算法。MUSIC算法的過程為先計(jì)算陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R，對(duì)R進(jìn)行特征分解求出其特征值和特征向量。根據(jù)特征值可以確定信號(hào)源的數(shù)量，利用由特征向量組成的信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交關(guān)系，對(duì)兩個(gè)子空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚_定無(wú)線電信號(hào)來波方向。

定義窄帶遠(yuǎn)場(chǎng)信號(hào)的DOA數(shù)學(xué)模型為：

式中：X(t)為陣列數(shù)據(jù)，S(t)為空間信號(hào)，N(t)為噪聲數(shù)據(jù)，A為空間陣列的流型矩陣(導(dǎo)向矢量陣)。陣列數(shù)據(jù)X(t)的協(xié)方差矩陣R可寫成：

Rs=E[S(t)SH(t)]是空間信號(hào)的相關(guān)矩陣，σ2為理想白噪聲功率。注意到R為滿秩陣，對(duì)R進(jìn)行特征值分解：

式中：∧S為大特征值組成的對(duì)角陣，∧N為小特征值組成的對(duì)角陣。通常稱US為信號(hào)子空間，UN為噪聲子空間。定義空間譜為：

當(dāng)導(dǎo)向矢量α(θ)不屬于信號(hào)子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)不為零的矢量，而當(dāng)導(dǎo)向矢量屬于信號(hào)子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)趨近于零的矢量。所以由空間譜公式得到的空間譜PMUSIC(θ)在信號(hào)源方向會(huì)產(chǎn)生尖銳的“譜峰”，而在其他方向相對(duì)平坦。據(jù)此譜峰可以估計(jì)出信號(hào)的來向。

2 ADSP-TS101S的主要性能

TigerSHARC是ADI公司的定浮點(diǎn)兼容的高速DSP系列處理器，比SHARC系列處理器具有更多的片上存儲(chǔ)器、更高的并行度、更寬的帶寬、更快的時(shí)鐘速率以及更大的靈活度，是專門為數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)和復(fù)雜通信算法而設(shè)計(jì)的。

TigerSHARC系列的ADSP-TS101S內(nèi)部集成了靜態(tài)超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)和大容量的SRAM。處理器工作在300MHz，單周期能執(zhí)行4條指令，能實(shí)現(xiàn)每秒2.4億次乘累加操作和每秒1.8億次浮點(diǎn)操作，并且支持兩種方式的集成多處理器連接，很容易實(shí)現(xiàn)多片并行處理系統(tǒng)，使得該處理器能達(dá)到無(wú)縫超標(biāo)量能力和杰出的I／O性能表現(xiàn)。

·ADSP-TS101S的主要性能有：
·最高運(yùn)行速度為300MHz，指令周期為3.3ns；
·片內(nèi)帶有6Mbit雙口SRAM；
·支持32位浮點(diǎn)和8位、16位、32位和64位定點(diǎn)運(yùn)算；
·提供最大1800MFLOPS運(yùn)算能力；
·帶有雙運(yùn)算模塊，每個(gè)包含一個(gè)ALU、一個(gè)乘法器、一個(gè)移位器和一個(gè)寄存器組；
·有14個(gè)DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；
·片上有4個(gè)鏈路口，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)加載和多處理器間無(wú)縫連接；
·簇式多處理器最高可支持8個(gè)ADSP-TS101S。

ADSP-TS101S具有高速處理能力，片內(nèi)帶有較大容量存儲(chǔ)器，而且優(yōu)越的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和鏈路口的無(wú)縫連接能力特別適合運(yùn)算復(fù)雜的信號(hào)處理系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)。

采用鏈路口連接的多處理器系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，無(wú)總線仲裁問題，總的鏈路口通道數(shù)據(jù)傳輸速率高于共享總線方式。各DSP程序可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，而且片間引線少，PCB板設(shè)計(jì)容易。除此之外，ADSP-TS101S還可以用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編程，而且同一個(gè)程序也可以部分用C、部分用匯編語(yǔ)言編程，二者可以相互調(diào)用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的超分辨測(cè)向。其實(shí)時(shí)性和連續(xù)性要求處理系統(tǒng)應(yīng)具有較高的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用四片ADSP-TS101S構(gòu)成并行處理系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸入中頻解調(diào)后的I、Q兩路數(shù)據(jù)，運(yùn)用空間譜估計(jì)算法進(jìn)行運(yùn)算處理得到該雷達(dá)信號(hào)的DOA估計(jì)。將方位0°～360°、俯仰0°～90°的搜索范圍分成四個(gè)部分，每片ADSP-TS101S分別承擔(dān)90°俯仰90°方位即1／4的搜索范圍。

系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

ADSP-TS101S-1接收中頻解調(diào)后的I、Q兩路數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正和噪聲抑制得到X(n)。主DSPADSP-TS101S-1按照空間譜估計(jì)超分辨測(cè)向的MUSIC算法將X(n)的自相關(guān)函數(shù)X(n)進(jìn)行特征分解，判斷信號(hào)源個(gè)數(shù)。主DSP將X(n)的特征向量和信號(hào)源個(gè)數(shù)通過鏈路口傳輸給三個(gè)從DSP。ADSP-TS101S-1、ADSP-TS101S-2、ADSP-TS101S-3、ADSP-TS101S-4分別在自己的搜索范圍內(nèi)進(jìn)行譜峰搜索。從DSP需將搜索結(jié)果通過鏈路口回傳給主DSP。最后由主DSP將各搜索結(jié)果匯總，判斷輸出信號(hào)的DOA估計(jì)。四片ADSP-TS101S在各自的范圍內(nèi)同時(shí)搜索，大大降低了MUSIC算法在譜峰搜索上花的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)件。