基于ADSP-TS101S的超分辨測向算法硬件設(shè)計

空間譜估計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)估計性能?？臻g譜估計屬于陣列信號處理的一個重要分支，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或幾個待估計的參數(shù)，如方位角、俯仰角及信號源個數(shù)等?？臻g譜估計超分辨技術(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精度、角度分辨力及其他相關(guān)參數(shù)精度，因而在雷達、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)處理的實時性要求，本系統(tǒng)采用支持浮點運算的高速處理器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；采用空間譜估計中MUSIC算法對從天線陣元接收到的數(shù)據(jù)進行處理，提高測角精度，實現(xiàn)超分辨測向；用多片DSP分工同時進行目標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)的空間譜估計超分辨測向算法的硬件實現(xiàn)。

1 空間譜估計超分辨測向基本原理

空間譜估計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行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數(shù)字信號進行數(shù)學(xué)處理來估計信號的來波方向，其中最常用的算法是多重信號分類(MUSIC)算法。MUSIC算法的過程為先計算陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R，對R進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，對兩個子空間進行適當?shù)奶幚?，確定無線電信號來波方向。

定義窄帶遠場信號的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：

當導(dǎo)向矢量α(θ)不屬于信號子空間時，αH(θ)UN是一個不為零的矢量，而當導(dǎo)向矢量屬于信號子空間時，αH(θ)UN是一個趨近于零的矢量。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)此譜峰可以估計出信號的來向。

2 ADSP-TS101S的主要性能

TigerSHARC是ADI公司的定浮點兼容的高速DSP系列處理器，比SHARC系列處理器具有更多的片上存儲器、更高的并行度、更寬的帶寬、更快的時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)計的。

TigerSHARC系列的ADSP-TS101S內(nèi)部集成了靜態(tài)超標量體系結(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，能實現(xiàn)每秒2.4億次乘累加操作和每秒1.8億次浮點操作，并且支持兩種方式的集成多處理器連接，很容易實現(xiàn)多片并行處理系統(tǒng)，使得該處理器能達到無縫超標量能力和杰出的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位浮點和8位、16位、32位和64位定點運算；
·提供最大1800MFLOPS運算能力；
·帶有雙運算模塊，每個包含一個ALU、一個乘法器、一個移位器和一個寄存器組；
·有14個DMA通道進行數(shù)據(jù)傳輸；
·片上有4個鏈路口，可實現(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ADSP-TS101S。

ADSP-TS101S具有高速處理能力，片內(nèi)帶有較大容量存儲器，而且優(yōu)越的浮點運算能力和鏈路口的無縫連接能力特別適合運算復(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程序可以獨立設(shè)計，而且片間引線少，PCB板設(shè)計容易。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

本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)雷達信號的超分辨測向。其實時性和連續(xù)性要求處理系統(tǒng)應(yīng)具有較高的浮點數(shù)據(jù)處理能力，所以設(shè)計時采用四片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

輸入中頻解調(diào)后的I、Q兩路數(shù)據(jù)，運用空間譜估計算法進行運算處理得到該雷達信號的DOA估計。將方位0°～360°、俯仰0°～90°的搜索范圍分成四個部分，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按照空間譜估計超分辨測向的MUSIC算法將X(n)的自相關(guān)函數(shù)X(n)進行特征分解，判斷信號源個數(shù)。主DSP將X(n)的特征向量和信號源個數(shù)通過鏈路口傳輸給三個從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。四片ADSP-TS101S在各自的范圍內(nèi)同時搜索，大大降低了MUSIC算法在譜峰搜索上花的時間，提高了系統(tǒng)的實時件。