DSP和FPGA在衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

一、引言

衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)主要針對衛(wèi)星信號實(shí)施測控，它包括兩個(gè)方面：信號波達(dá)方向(DOA)的估計(jì)和數(shù)字波束合成。

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

數(shù)字波束合成也稱為空域?yàn)V波，主要是根據(jù)信號環(huán)境的變化自適應(yīng)地改變各陣元的加權(quán)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(qiáng)期望信號的同時(shí)最大程度的抑制無用的干擾和噪聲，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，選擇合適的算法來滿足系統(tǒng)的需求是一個(gè)重要方面。另一方面，該系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性有一定的要求，要求在限定時(shí)間內(nèi)完成測向和波束合成權(quán)值的計(jì)算。

本文所介紹的衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)采用ADI公司新近推出的新一代TigerSHARCDSP芯片和FPGA器件相結(jié)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(quán)值的計(jì)算，然后用FPGA器件將原始信號和權(quán)值進(jìn)行波束合成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們使用兩片igerSHARCDSP芯片來完成。高性能的DSP芯片保證了數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的處理，也構(gòu)成了該系統(tǒng)的重要組成部分。

二、TigerSHARCDSP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(biāo)量結(jié)構(gòu)，既有超標(biāo)量處理器所具有的大容量指令緩沖池和指令跳轉(zhuǎn)功能，又可以在程序執(zhí)行前就把指令級并行操作用編譯器預(yù)測出來，其主要的性能指標(biāo)為：

(1)主頻為250MHz，即單指令周期為4ns；有2個(gè)對等的處理單元來支持SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）模式；

(2)系統(tǒng)內(nèi)部有3條獨(dú)立的128位數(shù)據(jù)總線，分別訪問各自的2Mbit存儲空間；

(3)系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)總線為64bit，地址總線32bit，外部尋址空間為4G字；

(4)4個(gè)8bit的全雙工鏈路口，各自可以獨(dú)立工作。在多處理器系統(tǒng)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(tǒng)。14個(gè)DMA通道，可用于后臺傳輸；

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

由于測向和波束合成的算法計(jì)算量大，系統(tǒng)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(tǒng)充分利用TS101SDSP芯片的并行處理能力，采用多處理器的并行結(jié)構(gòu)來完成信號的處理。?

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，通過對這些算法的模擬和性能比較，最終選擇MUSIC(MultipleSignalCharacteristic)算法來實(shí)現(xiàn)測向，用基于線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(jù)天線陣中不同位置的陣元所接收到的空間來波信號的樣本數(shù)據(jù)、天線位置參數(shù)和陣元的特性參數(shù)，應(yīng)用現(xiàn)代譜估計(jì)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論及相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，對來波的空間譜進(jìn)行估計(jì)，并分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來波的方向，也就是從背景噪聲中檢測出空間源信號并估計(jì)出信號的參數(shù)如方位角、仰角等，這種測向技術(shù)具有在較強(qiáng)干擾環(huán)境下同時(shí)對同信道內(nèi)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(xiàn)流程圖1所示。

基于線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題，利用線性約束的方法對初始權(quán)向量進(jìn)行優(yōu)化，使之在迭代過程中可以較快而準(zhǔn)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(dá)到系統(tǒng)需求。算法的流程如圖2所示。

四、DSP模塊設(shè)計(jì)

1.DSP模塊功能

系統(tǒng)使用一個(gè)C尺寸VXI標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，插槽包括0槽、DSP模塊和波束合成模塊。DSP模塊負(fù)責(zé)測向和波束合成權(quán)值的計(jì)算，波束合成模塊將原始數(shù)據(jù)和權(quán)值進(jìn)行波束合成，模塊之間的數(shù)據(jù)交換使用LBUS?？刂平K端（微機(jī)）通過VXI總線給DSP模塊發(fā)送命令，DSP模塊以外部中斷2的方式響應(yīng)接收命令并實(shí)現(xiàn)控制中斷的對系統(tǒng)的控制，命令格式由內(nèi)部協(xié)議規(guī)定。

根據(jù)系統(tǒng)需求，DSP模塊要完成以下6個(gè)功能：

(1)接收原始數(shù)據(jù)和合成結(jié)果

數(shù)據(jù)采集部分是由波束合成模塊完成的，DSP模塊定時(shí)器每500ms接收一次原始數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)，并在500ms內(nèi)完成測向和波束合成權(quán)值的計(jì)算。數(shù)據(jù)交換按照兩個(gè)模塊制定的內(nèi)部協(xié)議來執(zhí)行。

(2)自動跟蹤

系統(tǒng)初始或一般狀態(tài)為自動跟蹤狀態(tài)，來波的初始方位區(qū)域已給定，DSP模塊每500ms測向一次從而保證了系統(tǒng)能夠緊跟信號來向。

(3)多次測向

考慮到實(shí)際信號中存在的干擾和誤差，取多次測向中的平均值來作為實(shí)測方向。

(4)指定來波方向

指定來波方向后直接計(jì)算波束合成的權(quán)值，此時(shí)不利用接收的原始信號而是自己產(chǎn)生信號來進(jìn)行波束合成權(quán)值的計(jì)算。

(5)顯示通道波形或幅相差

DSP板將幅相差的數(shù)據(jù)回傳給控制終端后并在終端計(jì)算機(jī)上顯示。

(6)顯示合成結(jié)果

DSP模塊將波束合成的權(quán)值傳輸給波束合成模塊，波束合成模塊將權(quán)值和原始數(shù)據(jù)合成后回傳過來并在控制終端上顯示。

DSP模塊程序框圖如圖3所示。

2.DSP模塊結(jié)構(gòu)

接收衛(wèi)星信號的陣列天線為6×6的面陣，多通道接收機(jī)完成信號的采樣，再經(jīng)過數(shù)字下變頻，送到處理單元的是36個(gè)通道的I、Q兩路共72路數(shù)據(jù)。由于陣列信號的數(shù)據(jù)量大，算法也比較復(fù)雜，我們需要使用2片TS101S芯片并行處理來實(shí)現(xiàn)。

并行系統(tǒng)的互連結(jié)構(gòu)包括2種方式：共享存儲器結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。共享存儲器結(jié)構(gòu)的連接方式是將所有的處理器都連到一個(gè)通道上，該通道一般是一種背板總線（如VXI總線），它既可以作為處理器間的通信媒介也可以作為處理器和共享存儲器間的數(shù)據(jù)通信。這種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸掃h(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接連接的通信端口，但是存在著總線競爭問題，隨著處理器數(shù)目的增加，處理器平均的總線帶寬會降低，影響數(shù)據(jù)吞吐量。分布式結(jié)構(gòu)處理器之間通過鏈路口進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)傳輸，鏈路口在處理器之間提供了高寬帶的點(diǎn)對點(diǎn)通信。這種連接完全為了處理器之間的通信，但是在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會占用其他DSP芯片的內(nèi)部資源。

TigerSHARCDSP芯片硬件上可以同時(shí)支持這兩種并行體系結(jié)構(gòu)，前者通過共享外部地址數(shù)據(jù)控制總線方式實(shí)現(xiàn)，后者通過DSP間的專用的鏈路口點(diǎn)對點(diǎn)的互連實(shí)現(xiàn)。本文所設(shè)計(jì)的DSP模塊結(jié)構(gòu)從通信網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系來看，既是共享總線系統(tǒng)，又是分布式系統(tǒng)，兩片DSP芯片的外部地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線直接相連，并且一起通過總線接口連接到VXI總線上，實(shí)現(xiàn)和其他模塊的數(shù)據(jù)通信。由于每片DSP內(nèi)部有6Mbit的雙口RAM，因此不需要外部數(shù)據(jù)存儲器。DSPA和DSPB的鏈路口也直接相連，兩片DSP可以通過鏈路口交換數(shù)據(jù)。DSP模塊程序采用EPROM方式引導(dǎo)，兩片DSP共用一片548K×8bit的FLASHDSM2150作為程序存儲器。DSP模塊框圖如圖4所示。

整個(gè)DSP模塊的處理時(shí)間分為3個(gè)時(shí)間段，分別為從緩沖中讀取數(shù)據(jù)時(shí)間、測向時(shí)間和波束合成權(quán)值計(jì)算時(shí)間，其中主要的開銷是測向的時(shí)間。為了使DSP模塊具備更高的效率，必須根據(jù)該模塊的結(jié)構(gòu)和TigerDSP芯片的性能合理分配任務(wù)。由于主要的開銷是測向算法，所以解決好測向的并行算法是尤其重要的。在MUSIC算法中，判斷出信號個(gè)數(shù)后要分別對各個(gè)信號區(qū)域進(jìn)行峰值搜索，最后鎖定信號來向，系統(tǒng)最多可測4個(gè)不同來向的信號，因此將峰值搜索的區(qū)域劃分后交給兩片DSP同時(shí)進(jìn)行搜索，可以節(jié)約大量的時(shí)間。測向和波束合成權(quán)值的計(jì)算不能同時(shí)進(jìn)行，DSPA通知DSPB進(jìn)行波束合成后又可以返回去從緩存區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)DSPB計(jì)算波束合成的權(quán)值，這樣又大大提高了并行度?？刂平K端對DSP模塊的命令是通過外部中斷讀入，在執(zhí)行控制終端的命令時(shí)將定時(shí)器時(shí)鐘關(guān)閉。

DSP模塊的程序框架用C語言來構(gòu)建，在C中插入?yún)R編來提高運(yùn)算效率，并充分利用TigerDSP芯片雙處理器核的SIMD結(jié)構(gòu),為了更好地對整個(gè)的程序進(jìn)行優(yōu)化,使用開發(fā)軟件中的工具Linearprofiling分析各個(gè)子函數(shù)所占用的時(shí)間比例，從而優(yōu)化程序的瓶頸。并行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和一些優(yōu)化措施使DSP模塊的運(yùn)行時(shí)間能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

3.DSP模塊設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

在衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)DSP模塊的設(shè)計(jì)中我們考慮了多方面的因素，可以歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn)：

首先，高性能TigerSHARCDSP并行結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)要求在500ms內(nèi)完成最多4個(gè)來波方向的測定和波束合成，使用兩片TigerSHARCDSP并行工作，在300ms內(nèi)就可以完成，使得系統(tǒng)有充裕的時(shí)間去響應(yīng)控制終端的命令。

其次，性能優(yōu)越的測向和波束合成算法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，測向的精度保證在0.5°范圍內(nèi)，信號經(jīng)過波束合成后,將噪聲信號加以抑制，信噪比有了很大的提高。并且在雙DSP處理器中并行分配任務(wù)，提高了程序運(yùn)行效率。

第三，DSP模塊和波束合成模塊之間以及和外部控制終端之間完備的通信協(xié)議保證了數(shù)據(jù)和命令能構(gòu)準(zhǔn)確的傳輸。這種通信協(xié)議是根據(jù)實(shí)際需要自定義的，并且具有一定的容錯(cuò)功能，保證了各個(gè)模塊之間接口的正常運(yùn)行。

最后，系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)合理，我們使用了DSP的外部中斷1、2、定時(shí)器中斷，以及兩片DSP之間通信的矢量中斷來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，為了使高速運(yùn)行的DSP能夠有效的與其他模塊、外部控制終端進(jìn)行通信，程序流程的設(shè)計(jì)經(jīng)過了仔細(xì)的推敲，為DSP的穩(wěn)定工作提供保障。

五、結(jié)束語

本文討論了衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)DSP模塊中算法的并行實(shí)現(xiàn)以及并行處理任務(wù)的分配，采取了一系列措施優(yōu)化DSP模塊的整體程序，并應(yīng)用了模塊化的思想，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足系統(tǒng)的需求。