基于DSP和FPGA的衛星測控多波束系統設計

一、引言
　　
衛星測控多波束系統主要針對衛星信號實(shí)施測控，它包括兩個(gè)方面：信號波達方向(DOA)的估計和數字波束合成。

波達方向的估計是對空間信號的方向分布進(jìn)行超分辨估計，提取空間源信號的參數如方位角、仰角等。

數字波束合成也稱(chēng)為空域濾波，主要是根據信號環(huán)境的變化自適應地改變各陣元的加權因子，在期望信號方向形成主波束，在干擾信號方向形成零陷，降低副瓣電平, 目的是在增強期望信號的同時(shí)最大程度的抑制無(wú)用的干擾和噪聲，并提取有用的信號特征以及信號所包含的信息。用于測向和波束合成的算法很多，選擇合適的算法來(lái)滿(mǎn)足系統的需求是一個(gè)重要方面。另一方面，該系統對實(shí)時(shí)性有一定的要求，要求在限定時(shí)間內完成測向和波束合成權值的計算。
　　
本文所介紹的衛星測控多波束系統采用ADI公司新近推出的新一代TigerSHARC DSP芯片和FPGA器件相結合組成信號處理模塊，利用DSP的軟件編程完成測向和波束合成權值的計算，然后用FPGA器件將原始信號和權值進(jìn)行波束合成，在系統設計中我們使用兩片igerSHARCDSP 芯片來(lái)完成。高性能的DSP芯片保證了數據能夠準確及時(shí)的處理，也構成了該系統的重要組成部分。

二、TigerSHARC DSP芯片介紹
　　
TigerSHARC101S 是AD公司新近推出的高性能定/浮點(diǎn)DSP，具有極高的處理能力，它采用靜態(tài)超標量結構，既有超標量處理器所具有的大容量指令緩沖池和指令跳轉功能，又可以在程序執行前就把指令級并行操作用編譯器預測出來(lái)，其主要的性能指標為：
　　
(1)主頻為250 MHz，即單指令周期為4 ns；有2個(gè)對等的處理單元來(lái)支持SIMD（單指令多數據）模式；

(2)系統內部有3條獨立的128位數據總線(xiàn)，分別訪(fǎng)問(wèn)各自的2 Mbit存儲空間；

(3)系統外部數據總線(xiàn)為64 bit，地址總線(xiàn)32 bit，外部尋址空間為4G字；

(4)4個(gè)8 bit的全雙工鏈路口，各自可以獨立工作。在多處理器系統中，鏈路口可作為處理器之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信，組成分布式的多處理器系統。14個(gè)DMA通道，可用于后臺傳輸；

(5)可擴展性強，共享并行總線(xiàn)可支持8個(gè)TS101S連在一起用于高速的數字信號處理。

由于測向和波束合成的算法計算量大，系統對信號的處理時(shí)間有要求，一片DSP不能完成任務(wù)，本系統充分利用TS101S DSP芯片的并行處理能力，采用多處理器的并行結構來(lái)完成信號的處理。

三、算法研究
　　
用于測向和波束合成的算法很多，各種算法各有優(yōu)勢，通過(guò)對這些算法的模擬和性能比較，最終選擇MUSIC(Multiple Signal Characteristic)算法來(lái)實(shí)現測向，用基于線(xiàn)性約束最小二乘恒模算法進(jìn)行波束合成。MUSIC算法的基本原理是根據天線(xiàn)陣中不同位置的陣元所接收到的空間來(lái)波信號的樣本數據、天線(xiàn)位置參數和陣元的特性參數，應用現代譜估計理論和統計學(xué)理論及相應的數學(xué)運算，對來(lái)波的空間譜進(jìn)行估計，并分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來(lái)波的方向，也就是從背景噪聲中檢測出空間源信號并估計出信號的參數如方位角、仰角等，這種測向技術(shù)具有在較強干擾環(huán)境下同時(shí)對同信道內多個(gè)信號的快速、高靈敏度、高精度測向的功能。算法實(shí)現流程圖1所示。



基于線(xiàn)性約束的最小二乘恒模算法是最小二乘算法的一種改進(jìn)，它克服了最小二乘算法存在的干擾捕獲問(wèn)題，利用線(xiàn)性約束的方法對初始權向量進(jìn)行優(yōu)化，使之在迭代過(guò)程中可以較快而準確地收斂于我們所期望的信號,并且不受信號功率大小的影響。該算法收斂速度快，輸出信號的信干噪比可以接近理想值，并且對幅相差不敏感，通過(guò)對陣列信號進(jìn)行算法仿真，最小二乘恒模算法性能可以達到系統需求。算法的流程如圖2所示。