DSP在衛星測控多波束系統中的應用

2.DSP模塊結構
　　
接收衛星信號的陣列天線(xiàn)為6×6的面陣,多通道接收機完成信號的采樣,再經(jīng)過(guò)數字下變頻,送到處理單元的是36個(gè)通道的I、Q兩路共72路數據。由于陣列信號的數據量大,算法也比較復雜,我們需要使用2片TS101S芯片并行處理來(lái)實(shí)現。
　　
并行系統的互連結構包括2種方式：共享存儲器結構和分布式結構。共享存儲器結構的連接方式是將所有的處理器都連到一個(gè)通道上,該通道一般是一種背板總線(xiàn)（如VXI總線(xiàn)）,它既可以作為處理器間的通信媒介也可以作為處理器和共享存儲器間的數據通信。這種結構數據傳輸的帶寬遠遠大于直接連接的通信端口,但是存在著(zhù)總線(xiàn)競爭問(wèn)題,隨著(zhù)處理器數目的增加,處理器平均的總線(xiàn)帶寬會(huì )降低,影響數據吞吐量。分布式結構處理器之間通過(guò)鏈路口進(jìn)行直接的數據傳輸,鏈路口在處理器之間提供了高寬帶的點(diǎn)對點(diǎn)通信。這種連接完全為了處理器之間的通信,但是在數據傳輸時(shí)會(huì )占用其他DSP芯片的內部資源。
　　
TigerSHARC DSP芯片硬件上可以同時(shí)支持這兩種并行體系結構,前者通過(guò)共享外部地址數據控制總線(xiàn)方式實(shí)現,后者通過(guò)DSP間的專(zhuān)用的鏈路口點(diǎn)對點(diǎn)的互連實(shí)現。本文所設計的DSP模塊結構從通信網(wǎng)絡(luò )的連接關(guān)系來(lái)看,既是共享總線(xiàn)系統,又是分布式系統,兩片DSP芯片的外部地址總線(xiàn)、數據總線(xiàn)、控制總線(xiàn)直接相連,并且一起通過(guò)總線(xiàn)接口連接到VXI總線(xiàn)上,實(shí)現和其他模塊的數據通信。由于每片DSP內部有6 Mbit的雙口RAM,因此不需要外部數據存儲器。DSP A和DSP B的鏈路口也直接相連,兩片DSP可以通過(guò)鏈路口交換數據。DSP模塊程序采用EPROM方式引導,兩片DSP共用一片548K×8bit的FLASH DSM2150作為程序存儲器。DSP模塊框圖如圖4所示。

整個(gè)DSP模塊的處理時(shí)間分為3個(gè)時(shí)間段,分別為從緩沖中讀取數據時(shí)間、測向時(shí)間和波束合成權值計算時(shí)間,其中主要的開(kāi)銷(xiāo)是測向的時(shí)間。為了使DSP模塊具備更高的效率,必須根據該模塊的結構和Tiger DSP芯片的性能合理分配任務(wù)。由于主要的開(kāi)銷(xiāo)是測向算法,所以解決好測向的并行算法是尤其重要的。在MUSIC算法中,判斷出信號個(gè)數后要分別對各個(gè)信號區域進(jìn)行峰值搜索,最后鎖定信號來(lái)向,系統最多可測4個(gè)不同來(lái)向的信號,因此將峰值搜索的區域劃分后交給兩片DSP同時(shí)進(jìn)行搜索,可以節約大量的時(shí)間。測向和波束合成權值的計算不能同時(shí)進(jìn)行,DSP A通知 DSP B進(jìn)行波束合成后又可以返回去從緩存區中讀取數據,此時(shí)DSP B計算波束合成的權值,這樣又大大提高了并行度?？刂平K端對DSP模塊的命令是通過(guò)外部中斷讀入,在執行控制終端的命令時(shí)將定時(shí)器時(shí)鐘關(guān)閉。
　　
DSP模塊的程序框架用C語(yǔ)言來(lái)構建,在C中插入匯編來(lái)提高運算效率,并充分利用TigerDSP芯片雙處理器核的SIMD結構,為了更好地對整個(gè)的程序進(jìn)行優(yōu)化,使用開(kāi)發(fā)軟件中的工具Linear profiling 分析各個(gè)子函數所占用的時(shí)間比例,從而優(yōu)化程序的瓶頸。并行的系統設計和一些優(yōu)化措施使DSP模塊的運行時(shí)間能夠滿(mǎn)足系統設計的需求。

3.DSP模塊設計的特點(diǎn)
　　
在衛星測控多波束系統DSP模塊的設計中我們考慮了多方面的因素,可以歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　　
首先,高性能TigerSHARC DSP并行結構保證了系統的性能,系統要求在500 ms內完成最多4個(gè)來(lái)波方向的測定和波束合成,使用兩片Tiger SHARC DSP并行工作,在300 ms內就可以完成,使得系統有充裕的時(shí)間去響應控制終端的命令。
　　
其次,性能優(yōu)越的測向和波束合成算法保證了系統的穩定工作,測向的精度保證在0.5°范圍內,信號經(jīng)過(guò)波束合成后,將噪聲信號加以抑制,信噪比有了很大的提高。并且在雙DSP處理器中并行分配任務(wù),提高了程序運行效率。
　　
第三,DSP模塊和波束合成模塊之間以及和外部控制終端之間完備的通信協(xié)議保證了數據和命令能構準確的傳輸。這種通信協(xié)議是根據實(shí)際需要自定義的,并且具有一定的容錯功能,保證了各個(gè)模塊之間接口的正常運行。
　　
最后,系統控制流程設計合理,我們使用了DSP的外部中斷1、2、定時(shí)器中斷,以及兩片DSP之間通信的矢量中斷來(lái)實(shí)現對系統的控制,為了使高速運行的DSP能夠有效的與其他模塊、外部控制終端進(jìn)行通信,程序流程的設計經(jīng)過(guò)了仔細的推敲,為DSP的穩定工作提供保障。

五、結束語(yǔ)
　　
本文討論了衛星測控多波束系統DSP模塊中算法的并行實(shí)現以及并行處理任務(wù)的分配,采取了一系列措施優(yōu)化DSP模塊的整體程序,并應用了模塊化的思想,結構設計合理,能夠滿(mǎn)足系統的需求。