基于ADSP-TS101S的自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：簡(jiǎn)述了雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示的實(shí)現(xiàn)原理，詳細(xì)討論了采用新一代高性能DSP芯片ADSP-TS101S設(shè)計(jì)自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示系統(tǒng)的方法，并給出了相應(yīng)的硬件框圖和軟件流程圖。該系統(tǒng)具有通用化、模塊化的特點(diǎn)，其性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：ADSP-TS101S 雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理 自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示 現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理具有海量運(yùn)算的需要，并且在許多場(chǎng)合標(biāo)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，這對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)的性能提出了非常高的要求。動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）是雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的組成部分，它對(duì)采用的DSP芯片的性能要求極高。在以往的設(shè)計(jì)中，大多采用AD公司的ADSP2106X或ADSP2116X，而這兩類(lèi)DSP芯片又難以滿(mǎn)足整機(jī)對(duì)MTI系統(tǒng)越來(lái)越高的要求。本文采用美國(guó)AD公司推出的新一代超高性能、靜態(tài)超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)的通用DSP芯片ADSP-TS101S來(lái)設(shè)計(jì)自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)顯示（AMTI）系統(tǒng)，性能指標(biāo)滿(mǎn)足了雷達(dá)信號(hào)處理的要求。圖11 ADSP-TS101S的性能特點(diǎn) ADSP-TS101S具有極高的處理能力，它采用靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，既有超標(biāo)量處理器所具備的大容量指令緩沖池和指令跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)功能，又可以在程序執(zhí)行前就對(duì)指令級(jí)進(jìn)行并行操作并用編譯器預(yù)測(cè)出來(lái)。ADSP-TS101S的主要性能指標(biāo)如下： （1） 指令周期為4ns(主頻250MHz)，運(yùn)算能力達(dá)到250MIPS； （2） DSP每周期能執(zhí)行4條指令，具有24個(gè)16bit定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算的能力，能提供1500MIPS或6.0GOPS的性能； （3） 每周期可實(shí)現(xiàn)8%26;#215;16bit乘與40bit累加或者2%26;#215;16bit乘與80bit累加； （4） 支持32bitIEEE浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和8bit/16bit/32bit/64bit定噗數(shù)據(jù)格式。 與前一代SHARC產(chǎn)品AD-SP2116X相比，在同樣是雙計(jì)算單元的情況下，ADSP-TS101S峰值運(yùn)算能力可達(dá)每秒20億次40位乘法累加或5億次80位乘法累加運(yùn)算。采用32位算法完成1024點(diǎn)基2復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算僅需要39.94μs，橫向?yàn)V波器中的單個(gè)乘法累加運(yùn)算為2.2ns。這比ADSP-21160的處理速度快了近2.5倍。由上述分析可知，ADSP-TS101S可以滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求。2 系統(tǒng)構(gòu)成及硬件設(shè)計(jì) 2．1 系統(tǒng)構(gòu)成 自適應(yīng)信號(hào)處理系統(tǒng)由地雜波通道（GCFC）、動(dòng)雜波通道（MCFC）和正常通道（NRC）三部分組成，原理框圖如圖1所示。 針對(duì)不同的雜波環(huán)境，應(yīng)選擇不同的通道。當(dāng)無(wú)雜波時(shí)，目標(biāo)在正常通道檢測(cè)，采用慢門(mén)限恒虛警（CFAR）處理以減少損失；當(dāng)在地雜波環(huán)境時(shí)，正常雷達(dá)通道采用雜波圖設(shè)置門(mén)限，實(shí)現(xiàn)超雜波檢測(cè)，主要檢測(cè)低速度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，大部分情況下，地雜波濾波器動(dòng)目標(biāo)信號(hào)最強(qiáng)，是地雜波環(huán)境下的主要檢測(cè)通道；當(dāng)在動(dòng)雜波環(huán)境時(shí)，動(dòng)雜波濾波器通過(guò)速度估值器修改濾波器權(quán)系統(tǒng)，移動(dòng)濾波器口對(duì)準(zhǔn)雜波多卜勒頻率中心，濾除動(dòng)雜波，完成目標(biāo)檢測(cè)。動(dòng)雜波疊加在地雜波上時(shí)，主要通過(guò)動(dòng)雜波濾波器通道檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)。 2．2 硬件構(gòu)成 ADSP-TS101S提供了強(qiáng)大的多處理器并行處理能力，允許某一處理器直接訪問(wèn)其它處理器的內(nèi)部雙口靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM），并且這種訪問(wèn)一般不影響被訪問(wèn)處理器的工作。在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用四片ADSP-TS101S組成TeshSP(網(wǎng)絡(luò))結(jié)構(gòu)并行處理系統(tǒng)，各個(gè)處理器通過(guò)鏈路口實(shí)現(xiàn)信息交換，數(shù)據(jù)流輸入和輸出通過(guò)外部總線接口實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 其中，ADSP-1負(fù)責(zé)正常通道的檢測(cè)，包括求模/取對(duì)數(shù)、幅度雜波圖、脈沖重復(fù)頻率（PRF）鑒別、雜波圖對(duì)消、CFAR及系統(tǒng)噪聲估值等單元。ADSP-3負(fù)責(zé)地雜波通道的檢測(cè)，ADSP-4負(fù)責(zé)動(dòng)雜波通道檢測(cè)及輸出目標(biāo)合成，ADSP-2則負(fù)責(zé)系統(tǒng)自舉、將送進(jìn)來(lái)的正交數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字脈沖壓縮及送出脈沖壓縮后的信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了增加可靠性，系統(tǒng)采用八片DSP分成兩組，一組為主處理模塊，一組為從處理模塊，從處理模塊作為主處理模塊的鏡像。當(dāng)主處理模塊發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常工作。最后可得能家長(zhǎng)運(yùn)算板單板運(yùn)算速度為每秒160億次40位乘法累加或40億次80位乘法累加運(yùn)算，可滿(mǎn)足常規(guī)地面雷達(dá)信號(hào)處理需求。 3 軟件設(shè)計(jì) 3．1 主程序設(shè)計(jì) 主程序完成DSP的初始化并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。初始化包括對(duì)I/O、Link口及寄存器等的初始化。ADSP-1、ADSP-2、ADSP-3、ADSP-4每一個(gè)都有自己的單獨(dú)主程序?，F(xiàn)以ADSP-1為例給出設(shè)計(jì)流程圖，如圖3所示。3．2 中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)程序主要處理各DSP之間鏈路口接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)DSP之間的相互通訊。對(duì)ADSP-1而言，其中斷程序主要啟動(dòng)LINK0，接收ADSP-2脈沖壓縮后的輸出和控制參數(shù)；啟動(dòng)LINK3，傳送ADSP-1自檢數(shù)據(jù)、NRC數(shù)據(jù)及控制參數(shù)，如圖4所示。 基于ADSP-TS101S的AMTI處理系統(tǒng)，所需外圍器件少，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高，研制周期短，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性和通用性。經(jīng)過(guò)整機(jī)測(cè)試，在天線掃描一圈的時(shí)間（10秒）內(nèi)，該處理系統(tǒng)可完成10000點(diǎn)的點(diǎn)跡處理，地雜波改善因子大于60dB，動(dòng)態(tài)波改善因子大于28dB,性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將來(lái)有望能在單片DSP中實(shí)現(xiàn)整個(gè)AMTI。