一種實(shí)時(shí)信號處理系統的研究和實(shí)現

　　引言

　　近年來(lái)，實(shí)時(shí)信號處理的要求越來(lái)越高，所用系統要求具有處理大量數據的能力，這就要求系統硬件要達到很高的運算速度，并且軟件處理程序也要盡可能優(yōu)化，以保證系統的實(shí)時(shí)性。本文基于FPGA和ADSP-TS101S所實(shí)現的一種高速數據并行處理系統，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)連續波和脈沖波的處理，并將連續波的頻譜和脈沖波脈沖幅度信息、脈前時(shí)刻、脈寬及載頻打包輸出。整個(gè)系統的輸出延時(shí)被控制在1ms之內。

　　系統任務(wù)及系統結構

　　系統任務(wù)

　　系統頻譜分析電路組成結構如圖1所示。前端輸入為高頻寬帶模擬信號經(jīng)過(guò)數字化采樣后得到的數字信號。系統主要完成的任務(wù)是對該數字信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并識別出高頻寬帶模擬信號為連續波還是脈沖波。如為連續波，系統計算出它的頻率，并輸出其頻譜；如為脈沖波，系統計算出它的脈沖寬度和脈載頻，并把載頻與時(shí)域中的脈沖前沿時(shí)刻信息、寬度信息及幅度信息對應起來(lái)，傳送給后面的系統進(jìn)行處理。

　　系統先對輸入的數字信號進(jìn)行電平轉換，然后進(jìn)行正交變換。接下來(lái)開(kāi)始對信號進(jìn)行頻域處理，并以1.92μs為最小時(shí)段輸出其頻譜，同時(shí)進(jìn)行預處理和連續波／脈沖波判別。對連續波，將各小時(shí)段的信號頻譜進(jìn)行綜合處理后輸出其頻譜。對脈沖波，確定其脈沖前延時(shí)刻和脈沖后延時(shí)刻，從而確定其脈沖寬度，接著(zhù)將脈沖幅度、后延時(shí)刻及寬度進(jìn)行數據合成，之后再結合各個(gè)小時(shí)段的頻譜進(jìn)行綜合處理，最終將脈沖幅度信息、脈沖前延時(shí)刻、寬度及載頻打包輸出。

　　系統結構

　　該信號并行處理系統結構框圖如圖2所示。

　　該系統主要由1片FPGA和11片TS101系列的DSP構成。FPGA首先將16位高速ADC采集進(jìn)來(lái)的數據預處理后拼接成64位，使數據總線(xiàn)上的數據傳輸速率降低為輸入速率的1／4，然后通過(guò)數據總線(xiàn)依次送給TS0～TS8，同時(shí)產(chǎn)生TS0～TS9的控制信號DMAR和IRQ來(lái)控制每片DSP讀取數據總線(xiàn)上的數據。

　　由圖2可以看出，TS0、TS1、TS2(第1組)和TS3、FS4、TS5(第2組)以及TS6、TS7、TS8(第3組)在結構上為完全相同的三部分，且所進(jìn)行的工作也完全相同，都需將處理完的數據通過(guò)鏈路口送給TS9和TS10。接著(zhù)由TS9和TS10進(jìn)行綜合比較，最后再通過(guò)鏈路口將處理結果送給后級板，并將結果分為3組，可進(jìn)行相同的處理。每片TS101S只有4個(gè)鏈路口，因此TS9和TS10只能提供3個(gè)鏈路口給TS0～FS8，TS0的數據通過(guò)TS2的鏈路口中轉給TS9和TS10，TS1的數據也通過(guò)TS2的鏈路口中轉給TS9和TS10，其它兩組與第1組處理方法相同。

　　在1.92μs內，TS0～TS8將接收到的一幀64×64位數據拆分擴展成256×32位浮點(diǎn)數，然后對數據進(jìn)行32位浮點(diǎn)FFT(快速傅立葉變換)運算，接著(zhù)求模平滑，將得到的頻域數據發(fā)送給TS9和TS10進(jìn)行綜合處理。TS9負責完成脈沖波綜合處理任務(wù)，TS10負責完成連續波綜合處理任務(wù)。最后，TS9和TS10將數據通過(guò)鏈路口送往后級進(jìn)行處理。

　　信號處理軟件實(shí)現

　　在整個(gè)并行分析系統中，TS0～TS8需要各片DSP在時(shí)序上達到高度統一，每片DSP都應盡量簡(jiǎn)化流程，節約時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。TS0～TS8的主要任務(wù)是將接收到的數據進(jìn)行FFT運算，并最終將各個(gè)小段信號的頻譜發(fā)送到TS9和TS10進(jìn)行綜合處理。其操作流程如圖3。

　　這里，DSP首先進(jìn)行初始化設置，設置完畢進(jìn)入等待，直到接收到FPGA發(fā)出的信號，DSP跳出等待，進(jìn)入IRQ中斷服務(wù)子程序。在IRQ中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行DMA通道初始化，準備從總線(xiàn)上接數，設置完畢DSP前臺進(jìn)入等待。DSP后臺接數操作每接到一個(gè)FPGA發(fā)出的信號，就完成接一個(gè)數。當接滿(mǎn)64個(gè)64位數時(shí)，發(fā)出DMA中斷，并使DSP跳出等待，進(jìn)入DMA中斷服務(wù)子程序。在DMA中斷服務(wù)子程序中，進(jìn)行拆數、FFT、求平方和、平滑等運算，待所有運算完畢，DSP開(kāi)始設置鏈路口，將平滑后的結果，即128個(gè)32位的數傳給每組的最后一片，最后一片發(fā)往TS9和TS10。

　　連續波信號需要在FFT變換后再做平滑處理，然后依次輸出各頻率點(diǎn)的幅度值，從而獲取連續波信號的頻譜信息。具體而言，就是TS0～TS8分成3組，每組3片；每組DSP中，前兩片的鏈路口分別與第3片的鏈路口相連，然后通過(guò)第3片的鏈路口將其運算結果傳送到TS10中；以17.28μs×4=69.12μs為一幀，9片DSP分時(shí)并行完成2.56點(diǎn)FFT運算和求模運算，TS10將這9片DSP的運算結果在一幀內進(jìn)行平滑，完成一幀內信號的頻譜分析，同時(shí)將該幀的譜信息打包處理，最后通過(guò)TS10的第4個(gè)鏈路口將包數據發(fā)送到后級處理器。圖4為T(mén)S10的處理流程圖。

　　對于脈沖波綜合處理，其操作流程如圖5所示。

　　脈沖波綜合處理要同時(shí)輸出該段時(shí)間內的時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間、寬度及載頻信息。上述參數中，時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間和脈沖寬度已經(jīng)通過(guò)相應的DMA中斷送到TS9，TS9通過(guò)32位總線(xiàn)中的高24位接收數據，次高位用于設置脈后標志(即當次高位為1時(shí)脈沖結束，低22位即為脈后時(shí)刻)，脈后時(shí)刻前的數據為脈沖幅度信息，脈后時(shí)刻后的數據信息表示了脈沖寬度，由此可得到脈沖起始時(shí)刻)。另外，對于載頻信息，TS0～TS8將FFT結果送到TS9之中，TS9連續循環(huán)存儲多幀頻域數據，由于前9片DSP所得到的信息是按照嚴格的幀定時(shí)運算所得的，所以需要將它們的信息做相應的融合合并才能打包輸出。具體融合原則為：

　　a．當在接收到的時(shí)域數據中搜索到脈沖結束標志時(shí)，計算出該脈沖的脈前信息，并存儲脈前信息、時(shí)域脈沖幅度信息、脈沖起始時(shí)間及脈沖寬度；

　　b．在TS0～TS8送來(lái)的譜信息中搜索，與存儲的時(shí)域脈沖波信息相結合確定脈沖波，且將數個(gè)小段數據(1.92μs)內的幾個(gè)(最多只加5個(gè))譜信息組合合并，得到相對完整準確的脈沖載頻；

　　c．向后級發(fā)送數據時(shí)發(fā)送脈沖前沿時(shí)刻、時(shí)域幅度信息、脈寬及載頻等信息。

　　結語(yǔ)

　　本文中的高速實(shí)時(shí)信號并行處理系統已通過(guò)測試，系統能夠完成連續波和脈沖波的處理，對連續波計算出它的頻率并輸出其頻譜，對脈沖波計算出它的脈沖寬度和脈沖載頻，并把脈沖載頻與時(shí)域中的脈沖前沿時(shí)刻信息，脈沖寬度信息及脈沖幅度信息很好地對應起來(lái)打包輸出。各個(gè)DSP算法程序均已完成，并已通過(guò)測試。整個(gè)DSP中程序均使用匯編程序編寫(xiě)，最大地簡(jiǎn)化了運算流程，節約了時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。