基于ADSP-TS101S的超分辨測向算法硬件設(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?？臻g譜估計(jì)屬于陣列信號處理的一個(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算法對從天線陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高測角精度，實(shí)現(xiàn)超分辨測向；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)超分辨測向算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

1 空間譜估計(jì)超分辨測向基本原理

空間譜估計(jì)超分辨測向的基本原理為通過對多元天線陣接收的空中無線電信號進(jìn)行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來估計(jì)信號的來波方向，其中最常用的算法是多重信號分類(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源的數(shù)量，利用由特征向量組成的信號子空間和噪聲子空間的正交關(guān)系，對兩個(gè)子空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，確定無線電信號來波方向。

定義窄帶遠(yuǎn)場信號的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，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)]是空間信號的相關(guān)矩陣，σ2為理想白噪聲功率。注意到R為滿秩陣，對R進(jìn)行特征值分解：

式中：∧S為大特征值組成的對角陣，∧N為小特征值組成的對角陣。通常稱US為信號子空間，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)在信號源方向會(huì)產(chǎn)生尖銳的“譜峰”，而在其他方向相對平坦。據(jù)此譜峰可以估計(jì)出信號的來向。

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縫連接能力特別適合運(yùn)算復(fù)雜的信號處理系統(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)無縫連接，無總線仲裁問題，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還可以用匯編語言和C語言編程，而且同一個(gè)程序也可以部分用C、部分用匯編語言編程，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)信號的超分辨測向。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，判斷信號源個(gè)數(shù)。主DSP將X(n)的特征向量和信號源個(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。