一種實時信號處理系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)

　　引言

　　近年來，實時信號處理的要求越來越高，所用系統(tǒng)要求具有處理大量數(shù)據(jù)的能力，這就要求系統(tǒng)硬件要達到很高的運算速度，并且軟件處理程序也要盡可能優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的實時性。本文基于FPGA和ADSP-TS101S所實現(xiàn)的一種高速數(shù)據(jù)并行處理系統(tǒng)，可以進行實時連續(xù)波和脈沖波的處理，并將連續(xù)波的頻譜和脈沖波脈沖幅度信息、脈前時刻、脈寬及載頻打包輸出。整個系統(tǒng)的輸出延時被控制在1ms之內。

　　系統(tǒng)任務及系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)任務

　　系統(tǒng)頻譜分析電路組成結構如圖1所示。前端輸入為高頻寬帶模擬信號經(jīng)過數(shù)字化采樣后得到的數(shù)字信號。系統(tǒng)主要完成的任務是對該數(shù)字信號進行實時處理，并識別出高頻寬帶模擬信號為連續(xù)波還是脈沖波。如為連續(xù)波，系統(tǒng)計算出它的頻率，并輸出其頻譜；如為脈沖波，系統(tǒng)計算出它的脈沖寬度和脈載頻，并把載頻與時域中的脈沖前沿時刻信息、寬度信息及幅度信息對應起來，傳送給后面的系統(tǒng)進行處理。

　　系統(tǒng)先對輸入的數(shù)字信號進行電平轉換，然后進行正交變換。接下來開始對信號進行頻域處理，并以1.92μs為最小時段輸出其頻譜，同時進行預處理和連續(xù)波／脈沖波判別。對連續(xù)波，將各小時段的信號頻譜進行綜合處理后輸出其頻譜。對脈沖波，確定其脈沖前延時刻和脈沖后延時刻，從而確定其脈沖寬度，接著將脈沖幅度、后延時刻及寬度進行數(shù)據(jù)合成，之后再結合各個小時段的頻譜進行綜合處理，最終將脈沖幅度信息、脈沖前延時刻、寬度及載頻打包輸出。

　　系統(tǒng)結構

　　該信號并行處理系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

　　該系統(tǒng)主要由1片FPGA和11片TS101系列的DSP構成。FPGA首先將16位高速ADC采集進來的數(shù)據(jù)預處理后拼接成64位，使數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率降低為輸入速率的1／4，然后通過數(shù)據(jù)總線依次送給TS0～TS8，同時產生TS0～TS9的控制信號DMAR和IRQ來控制每片DSP讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。

　　由圖2可以看出，TS0、TS1、TS2(第1組)和TS3、FS4、TS5(第2組)以及TS6、TS7、TS8(第3組)在結構上為完全相同的三部分，且所進行的工作也完全相同，都需將處理完的數(shù)據(jù)通過鏈路口送給TS9和TS10。接著由TS9和TS10進行綜合比較，最后再通過鏈路口將處理結果送給后級板，并將結果分為3組，可進行相同的處理。每片TS101S只有4個鏈路口，因此TS9和TS10只能提供3個鏈路口給TS0～FS8，TS0的數(shù)據(jù)通過TS2的鏈路口中轉給TS9和TS10，TS1的數(shù)據(jù)也通過TS2的鏈路口中轉給TS9和TS10，其它兩組與第1組處理方法相同。

　　在1.92μs內，TS0～TS8將接收到的一幀64×64位數(shù)據(jù)拆分擴展成256×32位浮點數(shù)，然后對數(shù)據(jù)進行32位浮點FFT(快速傅立葉變換)運算，接著求模平滑，將得到的頻域數(shù)據(jù)發(fā)送給TS9和TS10進行綜合處理。TS9負責完成脈沖波綜合處理任務，TS10負責完成連續(xù)波綜合處理任務。最后，TS9和TS10將數(shù)據(jù)通過鏈路口送往后級進行處理。

　　信號處理軟件實現(xiàn)

　　在整個并行分析系統(tǒng)中，TS0～TS8需要各片DSP在時序上達到高度統(tǒng)一，每片DSP都應盡量簡化流程，節(jié)約時間開銷。TS0～TS8的主要任務是將接收到的數(shù)據(jù)進行FFT運算，并最終將各個小段信號的頻譜發(fā)送到TS9和TS10進行綜合處理。其操作流程如圖3。

　　這里，DSP首先進行初始化設置，設置完畢進入等待，直到接收到FPGA發(fā)出的信號，DSP跳出等待，進入IRQ中斷服務子程序。在IRQ中斷服務子程序中，進行DMA通道初始化，準備從總線上接數(shù)，設置完畢DSP前臺進入等待。DSP后臺接數(shù)操作每接到一個FPGA發(fā)出的信號，就完成接一個數(shù)。當接滿64個64位數(shù)時，發(fā)出DMA中斷，并使DSP跳出等待，進入DMA中斷服務子程序。在DMA中斷服務子程序中，進行拆數(shù)、FFT、求平方和、平滑等運算，待所有運算完畢，DSP開始設置鏈路口，將平滑后的結果，即128個32位的數(shù)傳給每組的最后一片，最后一片發(fā)往TS9和TS10。

　　連續(xù)波信號需要在FFT變換后再做平滑處理，然后依次輸出各頻率點的幅度值，從而獲取連續(xù)波信號的頻譜信息。具體而言，就是TS0～TS8分成3組，每組3片；每組DSP中，前兩片的鏈路口分別與第3片的鏈路口相連，然后通過第3片的鏈路口將其運算結果傳送到TS10中；以17.28μs×4=69.12μs為一幀，9片DSP分時并行完成2.56點FFT運算和求模運算，TS10將這9片DSP的運算結果在一幀內進行平滑，完成一幀內信號的頻譜分析，同時將該幀的譜信息打包處理，最后通過TS10的第4個鏈路口將包數(shù)據(jù)發(fā)送到后級處理器。圖4為TS10的處理流程圖。

　　對于脈沖波綜合處理，其操作流程如圖5所示。

　　脈沖波綜合處理要同時輸出該段時間內的時域脈沖幅度信息、脈沖起始時間、寬度及載頻信息。上述參數(shù)中，時域脈沖幅度信息、脈沖起始時間和脈沖寬度已經(jīng)通過相應的DMA中斷送到TS9，TS9通過32位總線中的高24位接收數(shù)據(jù)，次高位用于設置脈后標志(即當次高位為1時脈沖結束，低22位即為脈后時刻)，脈后時刻前的數(shù)據(jù)為脈沖幅度信息，脈后時刻后的數(shù)據(jù)信息表示了脈沖寬度，由此可得到脈沖起始時刻)。另外，對于載頻信息，TS0～TS8將FFT結果送到TS9之中，TS9連續(xù)循環(huán)存儲多幀頻域數(shù)據(jù)，由于前9片DSP所得到的信息是按照嚴格的幀定時運算所得的，所以需要將它們的信息做相應的融合合并才能打包輸出。具體融合原則為：

　　a．當在接收到的時域數(shù)據(jù)中搜索到脈沖結束標志時，計算出該脈沖的脈前信息，并存儲脈前信息、時域脈沖幅度信息、脈沖起始時間及脈沖寬度；

　　b．在TS0～TS8送來的譜信息中搜索，與存儲的時域脈沖波信息相結合確定脈沖波，且將數(shù)個小段數(shù)據(jù)(1.92μs)內的幾個(最多只加5個)譜信息組合合并，得到相對完整準確的脈沖載頻；

　　c．向后級發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)送脈沖前沿時刻、時域幅度信息、脈寬及載頻等信息。

　　結語

　　本文中的高速實時信號并行處理系統(tǒng)已通過測試，系統(tǒng)能夠完成連續(xù)波和脈沖波的處理，對連續(xù)波計算出它的頻率并輸出其頻譜，對脈沖波計算出它的脈沖寬度和脈沖載頻，并把脈沖載頻與時域中的脈沖前沿時刻信息，脈沖寬度信息及脈沖幅度信息很好地對應起來打包輸出。各個DSP算法程序均已完成，并已通過測試。整個DSP中程序均使用匯編程序編寫，最大地簡化了運算流程，節(jié)約了時間開銷。