一種實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　近年來(lái)，實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求越來(lái)越高，所用系統(tǒng)要求具有處理大量數(shù)據(jù)的能力，這就要求系統(tǒng)硬件要達(dá)到很高的運(yùn)算速度，并且軟件處理程序也要盡可能優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本文基于FPGA和ADSP-TS101S所實(shí)現(xiàn)的一種高速數(shù)據(jù)并行處理系統(tǒng)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)波和脈沖波的處理，并將連續(xù)波的頻譜和脈沖波脈沖幅度信息、脈前時(shí)刻、脈寬及載頻打包輸出。整個(gè)系統(tǒng)的輸出延時(shí)被控制在1ms之內(nèi)。

　　系統(tǒng)任務(wù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)任務(wù)

　　系統(tǒng)頻譜分析電路組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端輸入為高頻寬帶模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化采樣后得到的數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并識(shí)別出高頻寬帶模擬信號(hào)為連續(xù)波還是脈沖波。如為連續(xù)波，系統(tǒng)計(jì)算出它的頻率，并輸出其頻譜；如為脈沖波，系統(tǒng)計(jì)算出它的脈沖寬度和脈載頻，并把載頻與時(shí)域中的脈沖前沿時(shí)刻信息、寬度信息及幅度信息對(duì)應(yīng)起來(lái)，傳送給后面的系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　系統(tǒng)先對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行正交變換。接下來(lái)開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域處理，并以1.92μs為最小時(shí)段輸出其頻譜，同時(shí)進(jìn)行預(yù)處理和連續(xù)波／脈沖波判別。對(duì)連續(xù)波，將各小時(shí)段的信號(hào)頻譜進(jìn)行綜合處理后輸出其頻譜。對(duì)脈沖波，確定其脈沖前延時(shí)刻和脈沖后延時(shí)刻，從而確定其脈沖寬度，接著將脈沖幅度、后延時(shí)刻及寬度進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，之后再結(jié)合各個(gè)小時(shí)段的頻譜進(jìn)行綜合處理，最終將脈沖幅度信息、脈沖前延時(shí)刻、寬度及載頻打包輸出。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該信號(hào)并行處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　該系統(tǒng)主要由1片FPGA和11片TS101系列的DSP構(gòu)成。FPGA首先將16位高速ADC采集進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)預(yù)處理后拼接成64位，使數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低為輸入速率的1／4，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線依次送給TS0～TS8，同時(shí)產(chǎn)生TS0～TS9的控制信號(hào)DMAR和IRQ來(lái)控制每片DSP讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。

　　由圖2可以看出，TS0、TS1、TS2(第1組)和TS3、FS4、TS5(第2組)以及TS6、TS7、TS8(第3組)在結(jié)構(gòu)上為完全相同的三部分，且所進(jìn)行的工作也完全相同，都需將處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)鏈路口送給TS9和TS10。接著由TS9和TS10進(jìn)行綜合比較，最后再通過(guò)鏈路口將處理結(jié)果送給后級(jí)板，并將結(jié)果分為3組，可進(jìn)行相同的處理。每片TS101S只有4個(gè)鏈路口，因此TS9和TS10只能提供3個(gè)鏈路口給TS0～FS8，TS0的數(shù)據(jù)通過(guò)TS2的鏈路口中轉(zhuǎn)給TS9和TS10，TS1的數(shù)據(jù)也通過(guò)TS2的鏈路口中轉(zhuǎn)給TS9和TS10，其它兩組與第1組處理方法相同。

　　在1.92μs內(nèi)，TS0～TS8將接收到的一幀64×64位數(shù)據(jù)拆分?jǐn)U展成256×32位浮點(diǎn)數(shù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行32位浮點(diǎn)FFT(快速傅立葉變換)運(yùn)算，接著求模平滑，將得到的頻域數(shù)據(jù)發(fā)送給TS9和TS10進(jìn)行綜合處理。TS9負(fù)責(zé)完成脈沖波綜合處理任務(wù)，TS10負(fù)責(zé)完成連續(xù)波綜合處理任務(wù)。最后，TS9和TS10將數(shù)據(jù)通過(guò)鏈路口送往后級(jí)進(jìn)行處理。

　　信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)

　　在整個(gè)并行分析系統(tǒng)中，TS0～TS8需要各片DSP在時(shí)序上達(dá)到高度統(tǒng)一，每片DSP都應(yīng)盡量簡(jiǎn)化流程，節(jié)約時(shí)間開銷。TS0～TS8的主要任務(wù)是將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，并最終將各個(gè)小段信號(hào)的頻譜發(fā)送到TS9和TS10進(jìn)行綜合處理。其操作流程如圖3。

　　這里，DSP首先進(jìn)行初始化設(shè)置，設(shè)置完畢進(jìn)入等待，直到接收到FPGA發(fā)出的信號(hào)，DSP跳出等待，進(jìn)入IRQ中斷服務(wù)子程序。在IRQ中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行DMA通道初始化，準(zhǔn)備從總線上接數(shù)，設(shè)置完畢DSP前臺(tái)進(jìn)入等待。DSP后臺(tái)接數(shù)操作每接到一個(gè)FPGA發(fā)出的信號(hào)，就完成接一個(gè)數(shù)。當(dāng)接滿64個(gè)64位數(shù)時(shí)，發(fā)出DMA中斷，并使DSP跳出等待，進(jìn)入DMA中斷服務(wù)子程序。在DMA中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行拆數(shù)、FFT、求平方和、平滑等運(yùn)算，待所有運(yùn)算完畢，DSP開始設(shè)置鏈路口，將平滑后的結(jié)果，即128個(gè)32位的數(shù)傳給每組的最后一片，最后一片發(fā)往TS9和TS10。

　　連續(xù)波信號(hào)需要在FFT變換后再做平滑處理，然后依次輸出各頻率點(diǎn)的幅度值，從而獲取連續(xù)波信號(hào)的頻譜信息。具體而言，就是TS0～TS8分成3組，每組3片；每組DSP中，前兩片的鏈路口分別與第3片的鏈路口相連，然后通過(guò)第3片的鏈路口將其運(yùn)算結(jié)果傳送到TS10中；以17.28μs×4=69.12μs為一幀，9片DSP分時(shí)并行完成2.56點(diǎn)FFT運(yùn)算和求模運(yùn)算，TS10將這9片DSP的運(yùn)算結(jié)果在一幀內(nèi)進(jìn)行平滑，完成一幀內(nèi)信號(hào)的頻譜分析，同時(shí)將該幀的譜信息打包處理，最后通過(guò)TS10的第4個(gè)鏈路口將包數(shù)據(jù)發(fā)送到后級(jí)處理器。圖4為TS10的處理流程圖。

　　對(duì)于脈沖波綜合處理，其操作流程如圖5所示。

　　脈沖波綜合處理要同時(shí)輸出該段時(shí)間內(nèi)的時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間、寬度及載頻信息。上述參數(shù)中，時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間和脈沖寬度已經(jīng)通過(guò)相應(yīng)的DMA中斷送到TS9，TS9通過(guò)32位總線中的高24位接收數(shù)據(jù)，次高位用于設(shè)置脈后標(biāo)志(即當(dāng)次高位為1時(shí)脈沖結(jié)束，低22位即為脈后時(shí)刻)，脈后時(shí)刻前的數(shù)據(jù)為脈沖幅度信息，脈后時(shí)刻后的數(shù)據(jù)信息表示了脈沖寬度，由此可得到脈沖起始時(shí)刻)。另外，對(duì)于載頻信息，TS0～TS8將FFT結(jié)果送到TS9之中，TS9連續(xù)循環(huán)存儲(chǔ)多幀頻域數(shù)據(jù)，由于前9片DSP所得到的信息是按照嚴(yán)格的幀定時(shí)運(yùn)算所得的，所以需要將它們的信息做相應(yīng)的融合合并才能打包輸出。具體融合原則為：

　　a．當(dāng)在接收到的時(shí)域數(shù)據(jù)中搜索到脈沖結(jié)束標(biāo)志時(shí)，計(jì)算出該脈沖的脈前信息，并存儲(chǔ)脈前信息、時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間及脈沖寬度；

　　b．在TS0～TS8送來(lái)的譜信息中搜索，與存儲(chǔ)的時(shí)域脈沖波信息相結(jié)合確定脈沖波，且將數(shù)個(gè)小段數(shù)據(jù)(1.92μs)內(nèi)的幾個(gè)(最多只加5個(gè))譜信息組合合并，得到相對(duì)完整準(zhǔn)確的脈沖載頻；

　　c．向后級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送脈沖前沿時(shí)刻、時(shí)域幅度信息、脈寬及載頻等信息。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文中的高速實(shí)時(shí)信號(hào)并行處理系統(tǒng)已通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成連續(xù)波和脈沖波的處理，對(duì)連續(xù)波計(jì)算出它的頻率并輸出其頻譜，對(duì)脈沖波計(jì)算出它的脈沖寬度和脈沖載頻，并把脈沖載頻與時(shí)域中的脈沖前沿時(shí)刻信息，脈沖寬度信息及脈沖幅度信息很好地對(duì)應(yīng)起來(lái)打包輸出。各個(gè)DSP算法程序均已完成，并已通過(guò)測(cè)試。整個(gè)DSP中程序均使用匯編程序編寫，最大地簡(jiǎn)化了運(yùn)算流程，節(jié)約了時(shí)間開銷。