基于TMS320C6701DSP線性調(diào)頻信號(hào)數(shù)字脈沖壓縮

線性調(diào)頻信號(hào)具有拋物線式的非線性相位譜，能夠獲得較大的時(shí)寬帶寬積；與其它脈壓信號(hào)相比，很容易用數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生，且技術(shù)上比較成熟；所用的匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多卜勒頻移不敏感，因而可以用一個(gè)匹配濾波器處理具有不同多卜勒頻移的回波信號(hào)。這將大大簡(jiǎn)化信號(hào)處理系統(tǒng)，因此它在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。采用這種信號(hào)的雷達(dá)可以同時(shí)獲得遠(yuǎn)的作用距離和高的距離分辨率。數(shù)字化的脈沖壓縮系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、受干擾小、工作方式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代脈壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以TI公司的高性能的TMS320C6701浮點(diǎn)DSP芯片作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖壓縮的核心器件，實(shí)現(xiàn)了線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)處理技術(shù)完成相關(guān)匹配濾波，通常采用時(shí)域處理和頻域處理兩種方法實(shí)現(xiàn)這一過程。

1．1 時(shí)域脈沖壓縮處理

時(shí)域脈沖壓縮直接對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行卷積運(yùn)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(hào)；h(n)為匹配濾波器的沖激響應(yīng)信號(hào)；y(n)為時(shí)域脈壓輸入信號(hào)。采用時(shí)域方法進(jìn)行脈沖壓縮且當(dāng)卷積運(yùn)算速度達(dá)到A/D采樣速度時(shí)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)脈沖壓縮處理，輸入信號(hào)的長(zhǎng)度不受濾波器階數(shù)的限制。但當(dāng)A/D采樣頻率較高時(shí)，脈壓處理將無法實(shí)時(shí)完成。

1．2 頻域脈沖壓縮處理

頻域脈沖壓縮先對(duì)輸入回波序列進(jìn)行FFT變換，將離散輸入時(shí)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(shí)間離散信號(hào)，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(shí)寬信號(hào)時(shí)，采用高速FFT算法，大大減少了運(yùn)算量，提高了運(yùn)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(shí)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(yùn)算器件實(shí)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(yùn)算上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還伴隨有功能單一、不便于功能擴(kuò)展、成本高、實(shí)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(diǎn)DSP來實(shí)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(jiǎn)稱C6701）是TI公司近年來推出的含多個(gè)處理單元的一種新型新點(diǎn)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(bào)兩套對(duì)套的運(yùn)算單元（L,S,M,D）和相應(yīng)的兩套寄存器組，每組有16個(gè)32位寬的寄存器。每個(gè)功能單元輸入輸出端口相互獨(dú)立，可實(shí)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(chǔ)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(chǔ)空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間，可通過對(duì)五個(gè)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(gè)2K×16的存儲(chǔ)體，使得CPU可以同時(shí)訪問不同存儲(chǔ)體的數(shù)據(jù)，而不會(huì)發(fā)生沖突。片內(nèi)程序空間可設(shè)為Cache，存儲(chǔ)經(jīng)常使用的代碼，減少片外訪問次數(shù)，從而提高程序運(yùn)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(gè)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(shí)鐘和幀時(shí)鐘的靈活編程，另外還提供SBSRAM、SDRAM等高速存儲(chǔ)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(jí)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(yùn)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(jì)。實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

將正交的兩路采樣信號(hào)輸入到放大器。放大器一方面對(duì)信號(hào)放大。另一方面也將放大的信號(hào)以差分方式輸出。信號(hào)以差分方式輸出是為了抑制掉高階諧波分量，濾掉各種干擾信號(hào)（如電源和地的噪聲），這樣有利于提高A/D轉(zhuǎn)換器的性能。系統(tǒng)選用了12位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9220，該芯片具有單端輸入和差分輸入兩種方式，因此，放大器輸出信號(hào)能直接輸入到AD9220進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。兩路回波信號(hào)經(jīng)AD9220正交采樣后，再經(jīng)符號(hào)擴(kuò)展成16位存入FIFO。C6701處理器將輸入的32位信號(hào)送到內(nèi)部RAM，按照?qǐng)D2所示的方法進(jìn)行頻域脈壓處理。首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行FFT變換，將信號(hào)變換離散的頻域抽樣值。然后將FFT變換 結(jié)果和匹配濾波系數(shù)相乘。設(shè)計(jì)中將匹配濾波器的系數(shù)存放在FLASH ROM中，上電后將此系數(shù)搬移到內(nèi)部高速數(shù)據(jù)RAM，然后才進(jìn)行運(yùn)算。為了獲得-40dB以下的副瓣電平，通常將匹配濾波器的系數(shù)進(jìn)行漢明加權(quán)后存放在ROM中。再后，對(duì)相乘結(jié)果進(jìn)行反傅立葉變換，完成頻域脈壓。量后，將反傅立葉變換結(jié)果進(jìn)行求模運(yùn)算，得出離散的脈壓信號(hào)并將其輸出。由于C6701是浮點(diǎn)處理器，既保證了較高的精度，又不用考慮溢出問題，使得有限字長(zhǎng)的影響可以忽略不計(jì)。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射周期較長(zhǎng)時(shí)，可以將輸入信號(hào)分段進(jìn)行處理，每段單獨(dú)進(jìn)行頻域脈沖壓縮，然后按照重疊保留法將每段壓縮結(jié)果組合成整個(gè)信號(hào)脈壓輸出。

以上脈壓算法可以通過編程在DSP內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，這不僅簡(jiǎn)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(hào)的脈沖壓縮功能。

4 頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

頻域脈沖壓縮系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用TI公司的CCS軟件開發(fā)。在CCS下，軟件可分為三個(gè)階段。第一階段，根據(jù)任務(wù)編寫C語言程序，并對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)代碼性能較低時(shí)，為改進(jìn)代碼性能進(jìn)入第二階段，第二階段利用優(yōu)化方法重新編寫C代碼，并檢查所生成的代碼性能。第三階段，從C語言程序中抽出對(duì)性能影響很大的程序段，使用線性匯編語言重新編寫，然后使用匯編優(yōu)化器對(duì)線性匯編程序進(jìn)行優(yōu)化，從而得到滿意的代碼性能。根據(jù)以上方法，編寫出的脈沖壓縮系統(tǒng)的軟件包括系統(tǒng)初始化子程序、DMA子程序、正傅立葉變換FFT子系統(tǒng)和反傅立葉變換IFFT子程序、復(fù)數(shù)相乘子程序、求模子程序等。其流程如圖4所示。

在執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)的控制狀態(tài)寄存器、外部存儲(chǔ)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(chǔ)器CE2空間的控制寄存器。在進(jìn)行FFT變換子程序的設(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)榛乃惴ū然惴?，并且頻率抽取算法比時(shí)間抽取算法能更好地發(fā)揮C6701的并行運(yùn)算能力，所以采有基四頻率抽取算法。對(duì)4096點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，所需時(shí)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(diǎn)運(yùn)算所需時(shí)間≤95μs。對(duì)于反變換，可以直接得用前面的FFT算法實(shí)現(xiàn)，即先對(duì)輸入頻域序列作共軛變換，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，并對(duì)所得的時(shí)域序列再作共軛變換 ，最后除以FFT變換 數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。但這樣進(jìn)行反變換所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)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(duì)4096點(diǎn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(chǔ)空間，而且加快了運(yùn)算速度。為求復(fù)信號(hào)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(shí)寬32μs，帶寬5MHz，采樣頻率為5MHz。

采用先進(jìn)的高速數(shù)字信號(hào)處理器，使得大點(diǎn)數(shù)脈沖壓縮能夠在很短的時(shí)間內(nèi)高質(zhì)量地完成。同時(shí)利用本系統(tǒng)，只要改變存儲(chǔ)器的系數(shù)，就可以方便地實(shí)現(xiàn)非線性調(diào)頻脈沖壓縮及其它濾波，具有通用性。對(duì)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(jí)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(shí)間。