DSP的線性調(diào)頻信號的數(shù)字脈沖壓縮
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本文以TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP芯片作為實現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮的核心器件,實現(xiàn)了線性調(diào)頻信號的頻域數(shù)字脈沖壓縮.
1 數(shù)字脈沖壓縮原理
數(shù)字脈沖壓縮采用數(shù)字信號處理技術(shù)完成相關(guān)匹配濾波,通常采用時域處理和頻域處理兩種方法實現(xiàn)這一過程.
1.1 時域脈沖壓縮處理
時域脈沖壓縮直接對雷達(dá)回波信號進(jìn)行卷積運算,如圖1所示.其算式如下:
s(n)=s1(n)+jsQ(n);h(n)=hI(n)+jhQ(n)
y(n)=s(n)×h(n) (1)
式中,s(n)為A/D采樣之后的回波信號;h(n)為匹配濾波器的沖激響應(yīng)信號;y(n)為時域脈壓輸入信號.采用時域方法進(jìn)行脈沖壓縮且當(dāng)卷積運算速度達(dá)到A/D采樣速度時,可以進(jìn)行實時脈沖壓縮處理,輸入信號的長度不受濾波器階數(shù)的限制.但當(dāng)A/D采樣頻率較高時,脈壓處理將無法實時完成.
1.2 頻域脈沖壓縮處理
頻域脈沖壓縮先對輸入回波序列進(jìn)行FFT變換,將離散輸入時間序列變換成離散譜,然后乘以匹配濾波器沖擊響應(yīng)的離散譜,再用逆FFT還原成壓縮后的時間離散信號,如圖2所示.其算式如下:
S(k)=FFT(s(n));H(k)=FFT(h(n))
y(n)=IFFT(S(k)×H(k))=IFFT(FFT(s(n))×FFT(h(n))) (2)
在大時寬信號時,采用高速FFT算法,大大減少了運算量,提高了運算速度,因而現(xiàn)代雷達(dá)體制廣泛采用的是頻域算法.頻域算法的實現(xiàn)要求發(fā)展快速傅立葉變換的硬件,以前多用高速FFT運算器件實現(xiàn)頻域脈壓.但隨著通用DSP器件速度的不斷加快,這些專用FFT器件不僅沒有了高速FFT算法運算上的優(yōu)勢,同時還伴隨有功能單一、不便于功能擴(kuò)展、成本高、實現(xiàn)電路復(fù)雜等劣熱,因此逐漸被淘汰,取而代之的是高速DSP器件.本文正是TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP來實現(xiàn)頻域數(shù)字脈沖壓縮.
2 TMS320C6701的結(jié)構(gòu)和性能
TMS320C6701(以下簡稱C6701)是TI公司近年來推出的含多個處理單元的一種新型新點DSP芯片.它采用VLIW結(jié)構(gòu),在167MHz的主頻下可以得到1GFLOPS的高處理速度.CPU中包括報兩套對套的運算單元(L,S,M,D)和相應(yīng)的兩套寄存器組,每組有16個32位寬的寄存器.每個功能單元輸入輸出端口相互獨立,可實現(xiàn)并行處理.
C6701的地址總線為32位,尋址范圍達(dá)到4GB.存儲空間可分為四部分:片內(nèi)程序空間、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間,可通過對五個BOOTMODE引腳的靈活設(shè)置設(shè)定各空間的地址范圍.片內(nèi)數(shù)據(jù)空間又分成兩塊,每一塊RAM被組織為八個2K×16的存儲體,使得CPU可以同時訪問不同存儲體的數(shù)據(jù),而不會發(fā)生沖突.片內(nèi)程序空間可設(shè)為Cache,存儲經(jīng)常使用的代碼,減少片外訪問次數(shù),從而提高程序運行速度.
C6701的外圍端口包括DMA控制器、主機(jī)接口(HPI)、中斷選擇等.兩個多通道緩存串行口(McBSP)除多通道、比緩存外,還支持多種數(shù)據(jù)格式、硬件A/μ率壓擴(kuò)展 、位時鐘和幀時鐘的靈活編程,另外還提供SBSRAM、SDRAM等高速存儲器的無縫接口.
C6701采用間接尋址,有線性方式和循環(huán)方式 兩種.程序按三級流水線執(zhí)行,即取指、譯碼、執(zhí)行.C6701具有豐富 的指令集,內(nèi)含50余條指令,且大部分是單周期的,可完成數(shù)據(jù)傳輸、算術(shù)邏輯運算和程序控制等功能.
3 頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和原理
以C6701為核心器件,輔以相應(yīng)的輸入輸出電路,可完成數(shù)字頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的設(shè)計.實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.
以上脈壓算法可以通過編程在DSP內(nèi)部實現(xiàn),這不僅簡化了電路、減小了體積、提高了系統(tǒng)的可靠性,而且擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能,使系統(tǒng)具有較高的靈活性,即在不改變硬件電路的情況下,只需改變系統(tǒng)軟件和外部ROM中的匹配系數(shù),就能完成不同信號的脈沖壓縮功能.
4 頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序時,要對系統(tǒng)的控制狀態(tài)寄存器、外部存儲器接口控制寄存器等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,保證系統(tǒng)按要求正常工作.為提高系統(tǒng)效率,系統(tǒng)通過DMA通道從外部CE2空間將數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM,所以初始化程序必須設(shè)置好外部存儲器CE2空間的控制寄存器.在進(jìn)行FFT變換子程序的設(shè)計時,因為基四算法比基二算法快,并且頻率抽取算法比時間抽取算法能更好地發(fā)揮C6701的并行運算能力,所以采有基四頻率抽取算法.對4096點信號進(jìn)行FFT變換,所需時間≤400μs.編寫的復(fù)數(shù)數(shù)組相乘通用子程序?qū)崿F(xiàn)4096點運算所需時間≤95μs.對于反變換,可以直接得用前面的FFT算法實現(xiàn),即先對輸入頻域序列作共軛變換,然后進(jìn)行FFT運算,并對所得的時域序列再作共軛變換 ,最后除以FFT變換 數(shù)據(jù)的個數(shù).但這樣進(jìn)行反變換所需要的時間較長,不能實時處理.為此按照其四頻率抽取的算法編寫了IFFT子程序,此IFFT子程序經(jīng)過CCS優(yōu)化之后,對4096點逆變換來講,需要400μs左右.本程序和FFT子程序配合使用,可以方便地實現(xiàn)信號的正傅立葉變換和傅立葉變換,而不需要進(jìn)行位反轉(zhuǎn)操作,不僅節(jié)省了存儲空間,而且加快了運算速度.為求復(fù)信號的模值,可以采用迭代等算法編寫求模子程序.
系統(tǒng)初始化程序如下:
system_intr()
{LOAD_REG_FIELD(CSR,0,0,2);
SET_REG(ICR,0xFFF0);
REG_WRITE(EXITERNAL_INTR_POL_ADDR,0);
INTR_MAP_RESET();
SET_REG(ISTP,0);
LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,5,READ_SETUP,READ_SETUP_SZ);
LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,8,READ_STROBE,READ_STROBE_SZ);
}
圖5是利用CCS提供的數(shù)據(jù)圖形顯示工具進(jìn)行坐標(biāo)變換后的脈壓結(jié)果.此線性調(diào)頻脈沖參數(shù)為:時寬32μs,帶寬5MHz,采樣頻率為5MHz.
采用先進(jìn)的高速數(shù)字信號處理器,使得大點數(shù)脈沖壓縮能夠在很短的時間內(nèi)高質(zhì)量地完成.同時利用本系統(tǒng),只要改變存儲器的系數(shù),就可以方便地實現(xiàn)非線性調(diào)頻脈沖壓縮及其它濾波,具有通用性.對于要求更高速度的系統(tǒng),可采用多片TMS320C6701并行處理.而TMS320C6701所帶的符合IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG口能夠方便地進(jìn)行了多片級聯(lián)調(diào)試,再加上開發(fā)軟件CCS所具有強(qiáng)大的功能,可以大大提高工作效率和縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間.
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