基于A(yíng)DSP21161的比相測距雷達跟蹤控制
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1 ADSP21161的主要特點(diǎn)
ADSP21161的主要特點(diǎn)包括：
(1)100MHz的內核工作頻率；600MFLOPS(每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運算)的浮點(diǎn)運算峰值；單片ADSP21161完成1024點(diǎn)復數FFT僅需92μs。
(2)32位單精度(或40位擴展精度)IEEE浮點(diǎn)DSP處理器內核；有3個(gè)獨立的關(guān)聯(lián)計算單元(分別為算術(shù)／邏輯單元、乘法器和移位器)；完備的算術(shù)運算指令集；具有16個(gè)通用寄存器組；所有運算指令均為單周期指令；支持零等待循環(huán)執行和條件轉移。
(4)兩套相同的運算處理單元，支持單指令多數據流(SIMD)結構；利用并行的總線(xiàn)結構，在一個(gè)周期內可以執行一次乘法器運算和一次ALU運算，同時(shí)還可以對雙端口SRAM進(jìn)行一次讀或者寫(xiě)的操作。
(5)兩套相同的地址產(chǎn)生單元，有效地支持SIMD結構，支持循環(huán)緩沖區尋址、廣播加載尋址和位反序尋址等多種尋址方式，非常適合用于數字信號處理。
(6)獨立于處理器內核的I／O處理器具有DMA控制、存儲器映射和與處理器外部通信的功能；14個(gè)DMA通道與雙端口SRAM配合使用，實(shí)現了在內部存儲器和外部存儲器、外圍輔助設備、主機、串行口、鏈路口之間的并行傳輸而不影響DSP處理器內核的運算過(guò)程；8個(gè)串行口和2個(gè)鏈路口構成的點(diǎn)對點(diǎn)的連接很容易構造多處理器系統。[next]
2 比相測距雷達的基本原理
連續波比相測距雷達在頻域完成目標的距離、速度等參數的測量，其基本原理如圖1所示。假設發(fā)射兩個(gè)頻率為f0、f1且頻差為△f的連續正弦波，其中△f = f1- f0。為了討論方便，所有信號幅度均取為1。發(fā)射信號的兩個(gè)分量的電壓波形可分別寫(xiě)為：
由于多普勒效應，回波信號產(chǎn)生了頻移。接收機將兩個(gè)回波信號區分開(kāi)來(lái)，通過(guò)混頻、低通濾波、正交雙通道處理、A／D變換，得到兩個(gè)多普勒頻移信號的時(shí)域離散表達形式為：
式中，T為數據采樣周期；fdo／fd1為對應發(fā)射信號的多普勒頻率；c為光速；R0為初始時(shí)刻的距離。
對x0(n)和x1(n)分別做FFF處理，搜索出譜峰位置。根據譜峰位置可求得目標的徑向速度，求出譜峰位置的相位。利用兩者的相位差即可確定目標對應的距離。[next]
3．1 硬件系統設計
跟蹤控制系統硬件原理框圖如圖2所示，它主要包括數據鎖存電路、FIFO存儲電路、計數控制電路、DSP最小系統四大部分，其中DSP最小系統又包括ADSP21161、EEPROM和SDRAM三個(gè)主要組成部分。
前端的數據采集模塊對雷達回波數據進(jìn)行混頻、濾波、A／D轉換等一系列處理后，輸出時(shí)域離散的多普勒頻移信號。數據鎖存電路對前端輸入的離散多普勒頻移信號進(jìn)行鎖存，將需要的數據寫(xiě)入FIFO存儲電路。FIFO存儲電路主要用于存儲ADSP21161所需的處理數據，它要受計數控制電路的控制。當計數控制電路達到設定計數值時(shí)，FIFO停止寫(xiě)入數據，同時(shí)計數控制電路向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號。測量開(kāi)始的時(shí)候，ADSP21161從嵌入式微機接收一組控制參數，并對計數控制電路進(jìn)行初始化。在接收到計數控制電路發(fā)出的中斷信號時(shí)，ADSP21161開(kāi)始從FIFO存儲電路讀取經(jīng)預處理后的雷達回波數據，然后進(jìn)行FFF等一系列的數字信號處理，最后得出目標的速度、相位差和信噪比等參數，并利用ADSP21161的主機接口將這些結果參數發(fā)送到嵌入式微機，計算出俯仰和方位誤差角之后送往伺服系統，以使雷達始終跟蹤住目標，并在終端上實(shí)時(shí)顯示目標的有關(guān)參數。EEPROM用于存儲ADSP21161的軟件代碼及程序所需的一些數據。SDRAM則用于解決實(shí)時(shí)信號處理過(guò)程中ADSP21161片內存儲器容量不夠的問(wèn)題。
3．2 軟件系統設計
程序引導完成之后，ADSP21161首先通過(guò)雙口RAM從嵌入式微機接收一組控制參數，主要包括FFT運算點(diǎn)數等。然后初始化計數控制電路，當FIFO中的數據達到運算要求時(shí)，計數控制電路給ADSP21161發(fā)送一個(gè)中斷信號，此時(shí)ADSP21161才開(kāi)始從FIFO存儲器中讀取經(jīng)預處理后的目標回波數據。數據采集完成后，為了降低旁瓣，在FFT運算之前要對原始數據加窗，然后開(kāi)始FFT運算。加窗所需的窗函數和FFT運算所需的旋轉因子開(kāi)始都放置在EEPROM中，在程序引導完成之后利用DMA將它們導入SDRAM。
根據實(shí)際使用情況的不同，為了達到最佳的處理效果，可以改變FFT點(diǎn)數。在1024點(diǎn)FFT等點(diǎn)數比較小的情況下，所有的處理都能在SRAM中完成，此時(shí)FFT采用按時(shí)域抽取的基-2算法。在16384點(diǎn)FFT等點(diǎn)數比較大的情況下，SRAM的容量不足以一次完成所有的處理，這時(shí)的FYT采用先頻域抽取，再時(shí)域抽取，最后重新排序以得到FFT輸出結果的正常位序。
除了前面提到的速度參數之外，ADSP21161還要根據搜索到的譜峰計算俯仰相位差、方位相位差、信噪比等其它參數，最后利用ADSP21161的主機接口將計算所得的結果參數送往嵌入式微機，在那里完成目標距離的測量和俯仰誤差角、方位誤差角的計算。
經(jīng)過(guò)系統測試，以ADSP21161為核心的跟蹤控制系統能夠較好地完成雷達信號的實(shí)時(shí)處理。測距、測速都達到了比較高的精度，而且能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標，達到了系統的設計要求。
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