DSP在衛(wèi)星測(cè)控多波束系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.DSP模塊結(jié)構(gòu)
　　
接收衛(wèi)星信號(hào)的陣列天線(xiàn)為6×6的面陣,多通道接收機(jī)完成信號(hào)的采樣,再經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻,送到處理單元的是36個(gè)通道的I、Q兩路共72路數(shù)據(jù)。由于陣列信號(hào)的數(shù)據(jù)量大,算法也比較復(fù)雜,我們需要使用2片TS101S芯片并行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　
并行系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)包括2種方式：共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的連接方式是將所有的處理器都連到一個(gè)通道上,該通道一般是一種背板總線(xiàn)（如VXI總線(xiàn)）,它既可以作為處理器間的通信媒介也可以作為處理器和共享存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)通信。這種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸掃h(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接連接的通信端口,但是存在著總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,隨著處理器數(shù)目的增加,處理器平均的總線(xiàn)帶寬會(huì)降低,影響數(shù)據(jù)吞吐量。分布式結(jié)構(gòu)處理器之間通過(guò)鏈路口進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)傳輸,鏈路口在處理器之間提供了高寬帶的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。這種連接完全為了處理器之間的通信,但是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)占用其他DSP芯片的內(nèi)部資源。
　　
TigerSHARC DSP芯片硬件上可以同時(shí)支持這兩種并行體系結(jié)構(gòu),前者通過(guò)共享外部地址數(shù)據(jù)控制總線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn),后者通過(guò)DSP間的專(zhuān)用的鏈路口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的互連實(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)的DSP模塊結(jié)構(gòu)從通信網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系來(lái)看,既是共享總線(xiàn)系統(tǒng),又是分布式系統(tǒng),兩片DSP芯片的外部地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)直接相連,并且一起通過(guò)總線(xiàn)接口連接到VXI總線(xiàn)上,實(shí)現(xiàn)和其他模塊的數(shù)據(jù)通信。由于每片DSP內(nèi)部有6 Mbit的雙口RAM,因此不需要外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。DSP A和DSP B的鏈路口也直接相連,兩片DSP可以通過(guò)鏈路口交換數(shù)據(jù)。DSP模塊程序采用EPROM方式引導(dǎo),兩片DSP共用一片548K×8bit的FLASH DSM2150作為程序存儲(chǔ)器。DSP模塊框圖如圖4所示。

整個(gè)DSP模塊的處理時(shí)間分為3個(gè)時(shí)間段,分別為從緩沖中讀取數(shù)據(jù)時(shí)間、測(cè)向時(shí)間和波束合成權(quán)值計(jì)算時(shí)間,其中主要的開(kāi)銷(xiāo)是測(cè)向的時(shí)間。為了使DSP模塊具備更高的效率,必須根據(jù)該模塊的結(jié)構(gòu)和Tiger DSP芯片的性能合理分配任務(wù)。由于主要的開(kāi)銷(xiāo)是測(cè)向算法,所以解決好測(cè)向的并行算法是尤其重要的。在MUSIC算法中,判斷出信號(hào)個(gè)數(shù)后要分別對(duì)各個(gè)信號(hào)區(qū)域進(jìn)行峰值搜索,最后鎖定信號(hào)來(lái)向,系統(tǒng)最多可測(cè)4個(gè)不同來(lái)向的信號(hào),因此將峰值搜索的區(qū)域劃分后交給兩片DSP同時(shí)進(jìn)行搜索,可以節(jié)約大量的時(shí)間。測(cè)向和波束合成權(quán)值的計(jì)算不能同時(shí)進(jìn)行,DSP A通知 DSP B進(jìn)行波束合成后又可以返回去從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù),此時(shí)DSP B計(jì)算波束合成的權(quán)值,這樣又大大提高了并行度。控制終端對(duì)DSP模塊的命令是通過(guò)外部中斷讀入,在執(zhí)行控制終端的命令時(shí)將定時(shí)器時(shí)鐘關(guān)閉。
　　
DSP模塊的程序框架用C語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建,在C中插入?yún)R編來(lái)提高運(yùn)算效率,并充分利用TigerDSP芯片雙處理器核的SIMD結(jié)構(gòu),為了更好地對(duì)整個(gè)的程序進(jìn)行優(yōu)化,使用開(kāi)發(fā)軟件中的工具Linear profiling 分析各個(gè)子函數(shù)所占用的時(shí)間比例,從而優(yōu)化程序的瓶頸。并行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和一些優(yōu)化措施使DSP模塊的運(yùn)行時(shí)間能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

3.DSP模塊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
　　
在衛(wèi)星測(cè)控多波束系統(tǒng)DSP模塊的設(shè)計(jì)中我們考慮了多方面的因素,可以歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　
首先,高性能TigerSHARC DSP并行結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)的性能,系統(tǒng)要求在500 ms內(nèi)完成最多4個(gè)來(lái)波方向的測(cè)定和波束合成,使用兩片Tiger SHARC DSP并行工作,在300 ms內(nèi)就可以完成,使得系統(tǒng)有充裕的時(shí)間去響應(yīng)控制終端的命令。
　　
其次,性能優(yōu)越的測(cè)向和波束合成算法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,測(cè)向的精度保證在0.5°范圍內(nèi),信號(hào)經(jīng)過(guò)波束合成后,將噪聲信號(hào)加以抑制,信噪比有了很大的提高。并且在雙DSP處理器中并行分配任務(wù),提高了程序運(yùn)行效率。
　　
第三,DSP模塊和波束合成模塊之間以及和外部控制終端之間完備的通信協(xié)議保證了數(shù)據(jù)和命令能構(gòu)準(zhǔn)確的傳輸。這種通信協(xié)議是根據(jù)實(shí)際需要自定義的,并且具有一定的容錯(cuò)功能,保證了各個(gè)模塊之間接口的正常運(yùn)行。
　　
最后,系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)合理,我們使用了DSP的外部中斷1、2、定時(shí)器中斷,以及兩片DSP之間通信的矢量中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制,為了使高速運(yùn)行的DSP能夠有效的與其他模塊、外部控制終端進(jìn)行通信,程序流程的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了仔細(xì)的推敲,為DSP的穩(wěn)定工作提供保障。

五、結(jié)束語(yǔ)
　　
本文討論了衛(wèi)星測(cè)控多波束系統(tǒng)DSP模塊中算法的并行實(shí)現(xiàn)以及并行處理任務(wù)的分配,采取了一系列措施優(yōu)化DSP模塊的整體程序,并應(yīng)用了模塊化的思想,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。