基于DSP的合成孔徑雷達成像系統逆存儲轉置器設計

1．引言
　　
合成孔徑雷達成像系統是一種全天時(shí)、全天候的高分辨率主動(dòng)微波遙感成像系統，在地理遙感、地形測繪、災情預測和軍事偵察等領(lǐng)域有著(zhù)重要應用。逆存儲轉置器（ICTM）是合成孔徑雷達成像系統的一個(gè)重要模塊，它需要將上位機方位壓縮模塊輸出的圖像數據以方位線(xiàn)的形式依次寫(xiě)入外部存儲器，通過(guò)數據的逆轉置處理，以距離線(xiàn)的形式將圖像數據依次輸出。此外，ICTM的輸出數據將經(jīng)過(guò)數據I/O節點(diǎn)發(fā)送到下位機圖像顯示模塊，使圖像顯示模塊能實(shí)時(shí)的以距離線(xiàn)形式滾動(dòng)顯示雷達圖像。ICTM以TI的一款高性能定點(diǎn)DSP芯片TMS320C6415為核心處理器，兩條大容量SDRAM作為外部存儲器，實(shí)現輸入數據的逆存儲轉置操作，同時(shí)其強大的處理能力也為今后處理更多的數據提供了升級空間。

2．TMS320C6415芯片簡(jiǎn)介
　　
TMS320C6415是TI公司生產(chǎn)的高性能定點(diǎn)DSP C6000系列中的一款，該系列的DSP都是基于VelociTITM架構的VLIW DSP，在每個(gè)時(shí)鐘周期內可以執行8條32bit的指令。C6415的核心工作頻率最高可以達到720MHz，峰值工作速率為5.76GIPS。C6415提供與SDRAM的無(wú)縫接口，可以有效的簡(jiǎn)化硬件設計開(kāi)發(fā)難度，利用C6415的片選空間映射管理SDRAM，最多可以支持1GB的外部存儲空間，完全可以滿(mǎn)足逆存儲轉置處理所需的192M存儲要求。
　　
TMS320C6415的CPU結構具有2個(gè)通道，每個(gè)通道有4個(gè)功能單元（1個(gè)乘法器和3個(gè)算術(shù)邏輯單元），16個(gè)32位通用寄存器，每個(gè)通道的功能單元可以隨意訪(fǎng)問(wèn)本通道的寄存器。CPU還有2個(gè)交叉單元，通過(guò)它們，一個(gè)通道的功能單元可以訪(fǎng)問(wèn)另一個(gè)通道的寄存器。另外，CPU還具有256bit寬的數據和程序通道，可以使程序寄存器在每個(gè)時(shí)鐘周期提供8條并行執行指令，這種CPU結構是DSP具有VLIW結構的基本條件。
　　
DSP的存儲空間映射為內部存儲器、內部外設及外部擴展存儲器，其中內部存儲器由64KB內部程序存儲器和數據存儲器構成。內部程序存儲器可以映射到CPU地址空間或者作為Cache操作。內部和外部數據存儲器均可以通過(guò)CPU、DMA或HPI（Host Interface）方式訪(fǎng)問(wèn)，HPI接口使上位機可以訪(fǎng)問(wèn)DSP的存儲空間。

3．ICTM工作原理
　　
ICTM模塊的主要功能是將上位機方位壓縮模塊輸出的數據重新排列順序，使得依次沿方位向排列的數據變換成沿距離向排列，使下位機圖像顯示模塊能實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示圖像。

圖1 ICTM模塊工作原理示意圖
　　
ICTM模塊的工作原理可用圖1來(lái)表示。整個(gè)SDRAM存儲空間劃分為BANKA和BANKB兩塊存儲區，兩塊BANK的列深度為輸入的方位向點(diǎn)數2048點(diǎn)，行深度為輸出的距離向點(diǎn)數4096點(diǎn)，為使兩塊BANK的讀/寫(xiě)數據量平衡，需要在每個(gè)工作周期內輸入兩條方位線(xiàn)（2×2048點(diǎn)）數據，同時(shí)輸出一條距離線(xiàn)（1×4096點(diǎn)）數據。兩塊存儲區采用“乒乓”操作的讀寫(xiě)方式，即如果等間隔讀BANKA區域，則連續寫(xiě)BANKB區域，反之如果連續寫(xiě)BANKA區域，則等間隔讀BANKB區域，讀完一塊存儲區的同時(shí)，另一塊存儲區也剛好寫(xiě)滿(mǎn)。這樣兩塊存儲區交替工作，充分節約了讀/寫(xiě)SDRAM的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，有利于滿(mǎn)足整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性要求。

4．ICTM硬件電路設計

圖2 ICTM模塊硬件電路結構示意圖

ICTM模塊的硬件電路設計框圖如圖2所示。根據ICTM模塊的工作需要，主存儲器采用兩頁(yè)式工作結構，每頁(yè)集成256MBytes大小的SDRAM，分別配置在C6415的兩個(gè)CE空間。SDRAM和作為輸入/輸出緩存的同步FIFO都連接在C6415 64Bit位寬的EMIFA接口，以保證較高的數據傳輸帶寬。

4.1 SDRAM存儲電路
　　
主存儲器類(lèi)型選擇為SDRAM，即標準的144pin筆記本內存條(標準SODIMM封裝)，目前選用256M容量大小。由于ICTM模塊的SDRAM接口采用可擴充接法，因此可以擴充到512MB容量。即如果SDRAM Module的容量為256MB，則列地址為A0～A8 ，如果SDRAM Module容量為512MB，則列地址為A0～A9。DSP的EMIFA口CE0、CE1輸出信號分別接SDRAM的BANK選擇管腳S0、S1。即如果SDRAM的BANK只有一個(gè)，則只有S0有效，這樣SDRAM只占用DSP的EMIFA口CE0空間，如果SDRAM的BANK有兩個(gè)，則占用DSP的EMIFA口CE0、CE1空間。

4.2 輸入/輸出FIFO
　　
DSP的EMIFA口CE2/CE3空間分別控制輸入FIFO和輸出FIFO。輸入FIFO采用IDT公司的IDT72V3670（8K×36Bit），輸出FIFO采用IDT公司的IDT72V3680（16K×36 Bit），封裝形式為T(mén)QFP，128pin。FIFO的設計采用同步方式讀寫(xiě)，但是利用0Ω電阻等效的短接線(xiàn)設計方式，也可以工作在異步模式下，FIFO控制信號通過(guò)CPLD做譯碼。
　　
ICTM模塊用于讀寫(xiě)操作的64bit FIFO采用用兩個(gè)32bit的FIFO并連實(shí)現，利用FIFO深度來(lái)做等效的輸入、輸出“乒乓”操作。其中輸出只用到一片FIFO，另外一片為將來(lái)大數據量的處理預留空間。

4.3 CPLD和HPI
　　
ICTM模塊各功能單元的電路狀態(tài)、時(shí)序控制以及I/O接口控制都由CPLD完成。此外，通過(guò)C6415的主機接口（HPI）可以直接訪(fǎng)問(wèn)DSP映射管理下的所有片內和片外存儲單元。因此，在電路設計中將DSP的HPI接口通過(guò)CPLD與系統控制總線(xiàn)相連，從而使主控能夠直接訪(fǎng)問(wèn)DSP的HPI接口，進(jìn)而滿(mǎn)足處理程序實(shí)時(shí)下載和指令數據實(shí)時(shí)傳輸的要求。
　　
ICTM模塊的硬件設計充分考慮了結構化的設計要求，為合成孔徑雷達實(shí)時(shí)成像處理系統提供了高性能的逆存儲轉置硬件平臺，結合配置的控制軟件就可以實(shí)現實(shí)時(shí)成像處理所需的逆存儲轉置功能。