基于A(yíng)DSP-TS101S的超分辨測向算法硬件設計

空間譜估計超分辨是一種空域處理技術(shù)，具有優(yōu)越的空域參數(如方位角)估計性能?？臻g譜估計屬于陣列信號處理的一個(gè)重要分支，其基本原理是通過(guò)空間陣列接收數據的相位差來(lái)確定一個(gè)或幾個(gè)待估計的參數，如方位角、俯仰角及信號源個(gè)數等?？臻g譜估計超分辨技術(shù)可以大大改善在系統處理帶寬內空間信號的角度估計精度、角度分辨力及其他相關(guān)參數精度，因而在雷達、通信、聲吶等眾多領(lǐng)域有廣闊的應用前景。

為了滿(mǎn)足快速掃描及系統處理的實(shí)時(shí)性要求，本系統采用支持浮點(diǎn)運算的高速處理器ADSP-TS101S，其DSP之間鏈路口的無(wú)縫連接可以提供高速率數據傳輸；采用空間譜估計中MUSIC算法對從天線(xiàn)陣元接收到的數據進(jìn)行處理，提高測角精度，實(shí)現超分辨測向；用多片DSP分工同時(shí)進(jìn)行目標搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多處理器系統的空間譜估計超分辨測向算法的硬件實(shí)現。

1 空間譜估計超分辨測向基本原理

空間譜估計超分辨測向的基本原理為通過(guò)對多元天線(xiàn)陣接收的空中無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數字信號進(jìn)行數學(xué)處理來(lái)估計信號的來(lái)波方向，其中最常用的算法是多重信號分類(lèi)(MUSIC)算法。MUSIC算法的過(guò)程為先計算陣列接收數據的協(xié)方差矩陣R，對R進(jìn)行特征分解求出其特征值和特征向量。根據特征值可以確定信號源的數量，利用由特征向量組成的信號子空間和噪聲子空間的正交關(guān)系，對兩個(gè)子空間進(jìn)行適當的處理，確定無(wú)線(xiàn)電信號來(lái)波方向。

定義窄帶遠場(chǎng)信號的DOA數學(xué)模型為：

式中：X(t)為陣列數據，S(t)為空間信號，N(t)為噪聲數據，A為空間陣列的流型矩陣(導向矢量陣)。陣列數據X(t)的協(xié)方差矩陣R可寫(xiě)成：

Rs=E[S(t)SH(t)]是空間信號的相關(guān)矩陣，σ2為理想白噪聲功率。注意到R為滿(mǎn)秩陣，對R進(jìn)行特征值分解：

式中：∧S為大特征值組成的對角陣，∧N為小特征值組成的對角陣。通常稱(chēng)US為信號子空間，UN為噪聲子空間。定義空間譜為：

當導向矢量α(θ)不屬于信號子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)不為零的矢量，而當導向矢量屬于信號子空間時(shí)，αH(θ)UN是一個(gè)趨近于零的矢量。所以由空間譜公式得到的空間譜PMUSIC(θ)在信號源方向會(huì )產(chǎn)生尖銳的“譜峰”，而在其他方向相對平坦。據此譜峰可以估計出信號的來(lái)向。

2 ADSP-TS101S的主要性能

TigerSHARC是ADI公司的定浮點(diǎn)兼容的高速DSP系列處理器，比SHARC系列處理器具有更多的片上存儲器、更高的并行度、更寬的帶寬、更快的時(shí)鐘速率以及更大的靈活度，是專(zhuān)門(mén)為數字信號處理任務(wù)和復雜通信算法而設計的。

TigerSHARC系列的ADSP-TS101S內部集成了靜態(tài)超標量體系結構和大容量的SRAM。處理器工作在300MHz，單周期能執行4條指令，能實(shí)現每秒2.4億次乘累加操作和每秒1.8億次浮點(diǎn)操作，并且支持兩種方式的集成多處理器連接，很容易實(shí)現多片并行處理系統，使得該處理器能達到無(wú)縫超標量能力和杰出的I／O性能表現。

·ADSP-TS101S的主要性能有：
·最高運行速度為300MHz，指令周期為3.3ns；
·片內帶有6Mbit雙口SRAM；
·支持32位浮點(diǎn)和8位、16位、32位和64位定點(diǎn)運算；
·提供最大1800MFLOPS運算能力；
·帶有雙運算模塊，每個(gè)包含一個(gè)ALU、一個(gè)乘法器、一個(gè)移位器和一個(gè)寄存器組；
·有14個(gè)DMA通道進(jìn)行數據傳輸；
·片上有4個(gè)鏈路口，可實(shí)現系統加載和多處理器間無(wú)縫連接；
·簇式多處理器最高可支持8個(gè)ADSP-TS101S。

ADSP-TS101S具有高速處理能力，片內帶有較大容量存儲器，而且優(yōu)越的浮點(diǎn)運算能力和鏈路口的無(wú)縫連接能力特別適合運算復雜的信號處理系統和多處理器系統。

采用鏈路口連接的多處理器系統，可以實(shí)現無(wú)縫連接，無(wú)總線(xiàn)仲裁問(wèn)題，總的鏈路口通道數據傳輸速率高于共享總線(xiàn)方式。各DSP程序可以獨立設計，而且片間引線(xiàn)少，PCB板設計容易。除此之外，ADSP-TS101S還可以用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編程，而且同一個(gè)程序也可以部分用C、部分用匯編語(yǔ)言編程，二者可以相互調用。

3 系統設計

本系統主要是實(shí)現雷達信號的超分辨測向。其實(shí)時(shí)性和連續性要求處理系統應具有較高的浮點(diǎn)數據處理能力，所以設計時(shí)采用四片ADSP-TS101S構成并行處理系統，以提高系統的數據處理能力。

3.1 硬件系統設計

輸入中頻解調后的I、Q兩路數據，運用空間譜估計算法進(jìn)行運算處理得到該雷達信號的DOA估計。將方位0°～360°、俯仰0°～90°的搜索范圍分成四個(gè)部分，每片ADSP-TS101S分別承擔90°俯仰90°方位即1／4的搜索范圍。

系統的硬件框圖如圖1所示。

ADSP-TS101S-1接收中頻解調后的I、Q兩路數據后，對數據進(jìn)行誤差校正和噪聲抑制得到X(n)。主DSPADSP-TS101S-1按照空間譜估計超分辨測向的MUSIC算法將X(n)的自相關(guān)函數X(n)進(jìn)行特征分解，判斷信號源個(gè)數。主DSP將X(n)的特征向量和信號源個(gè)數通過(guò)鏈路口傳輸給三個(gè)從DSP。ADSP-TS101S-1、ADSP-TS101S-2、ADSP-TS101S-3、ADSP-TS101S-4分別在自己的搜索范圍內進(jìn)行譜峰搜索。從DSP需將搜索結果通過(guò)鏈路口回傳給主DSP。最后由主DSP將各搜索結果匯總，判斷輸出信號的DOA估計。四片ADSP-TS101S在各自的范圍內同時(shí)搜索，大大降低了MUSIC算法在譜峰搜索上花的時(shí)間，提高了系統的實(shí)時(shí)件。