DSP的線性調頻信號的數字脈沖壓縮
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本文以TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP芯片作為實現數字脈沖壓縮的核心器件,實現了線性調頻信號的頻域數字脈沖壓縮.
1 數字脈沖壓縮原理
數字脈沖壓縮采用數字信號處理技術完成相關匹配濾波,通常采用時域處理和頻域處理兩種方法實現這一過程.
1.1 時域脈沖壓縮處理
時域脈沖壓縮直接對雷達回波信號進行卷積運算,如圖1所示.其算式如下:
s(n)=s1(n)+jsQ(n);h(n)=hI(n)+jhQ(n)
y(n)=s(n)×h(n) (1)
式中,s(n)為A/D采樣之后的回波信號;h(n)為匹配濾波器的沖激響應信號;y(n)為時域脈壓輸入信號.采用時域方法進行脈沖壓縮且當卷積運算速度達到A/D采樣速度時,可以進行實時脈沖壓縮處理,輸入信號的長度不受濾波器階數的限制.但當A/D采樣頻率較高時,脈壓處理將無法實時完成.
1.2 頻域脈沖壓縮處理
頻域脈沖壓縮先對輸入回波序列進行FFT變換,將離散輸入時間序列變換成離散譜,然后乘以匹配濾波器沖擊響應的離散譜,再用逆FFT還原成壓縮后的時間離散信號,如圖2所示.其算式如下:
S(k)=FFT(s(n));H(k)=FFT(h(n))
y(n)=IFFT(S(k)×H(k))=IFFT(FFT(s(n))×FFT(h(n))) (2)
在大時寬信號時,采用高速FFT算法,大大減少了運算量,提高了運算速度,因而現代雷達體制廣泛采用的是頻域算法.頻域算法的實現要求發展快速傅立葉變換的硬件,以前多用高速FFT運算器件實現頻域脈壓.但隨著通用DSP器件速度的不斷加快,這些專用FFT器件不僅沒有了高速FFT算法運算上的優勢,同時還伴隨有功能單一、不便于功能擴展、成本高、實現電路復雜等劣熱,因此逐漸被淘汰,取而代之的是高速DSP器件.本文正是TI公司的高性能的TMS320C6701浮點DSP來實現頻域數字脈沖壓縮.
2 TMS320C6701的結構和性能
TMS320C6701(以下簡稱C6701)是TI公司近年來推出的含多個處理單元的一種新型新點DSP芯片.它采用VLIW結構,在167MHz的主頻下可以得到1GFLOPS的高處理速度.CPU中包括報兩套對套的運算單元(L,S,M,D)和相應的兩套寄存器組,每組有16個32位寬的寄存器.每個功能單元輸入輸出端口相互獨立,可實現并行處理.
C6701的地址總線為32位,尋址范圍達到4GB.存儲空間可分為四部分:片內程序空間、片內數據空間、外部存儲空間和內部外圍設備空間,可通過對五個BOOTMODE引腳的靈活設置設定各空間的地址范圍.片內數據空間又分成兩塊,每一塊RAM被組織為八個2K×16的存儲體,使得CPU可以同時訪問不同存儲體的數據,而不會發生沖突.片內程序空間可設為Cache,存儲經常使用的代碼,減少片外訪問次數,從而提高程序運行速度.
C6701的外圍端口包括DMA控制器、主機接口(HPI)、中斷選擇等.兩個多通道緩存串行口(McBSP)除多通道、比緩存外,還支持多種數據格式、硬件A/μ率壓擴展 、位時鐘和幀時鐘的靈活編程,另外還提供SBSRAM、SDRAM等高速存儲器的無縫接口.
C6701采用間接尋址,有線性方式和循環方式 兩種.程序按三級流水線執行,即取指、譯碼、執行.C6701具有豐富 的指令集,內含50余條指令,且大部分是單周期的,可完成數據傳輸、算術邏輯運算和程序控制等功能.
3 頻域脈沖壓縮系統的硬件結構和原理
以C6701為核心器件,輔以相應的輸入輸出電路,可完成數字頻域脈沖壓縮系統的設計.實現的硬件結構如圖3所示.
以上脈壓算法可以通過編程在DSP內部實現,這不僅簡化了電路、減小了體積、提高了系統的可靠性,而且擴展了系統的功能,使系統具有較高的靈活性,即在不改變硬件電路的情況下,只需改變系統軟件和外部ROM中的匹配系數,就能完成不同信號的脈沖壓縮功能.
4 頻域脈沖壓縮系統的軟件設計
在執行系統初始化程序時,要對系統的控制狀態寄存器、外部存儲器接口控制寄存器等進行參數設置,保證系統按要求正常工作.為提高系統效率,系統通過DMA通道從外部CE2空間將數據讀入片內RAM,所以初始化程序必須設置好外部存儲器CE2空間的控制寄存器.在進行FFT變換子程序的設計時,因為基四算法比基二算法快,并且頻率抽取算法比時間抽取算法能更好地發揮C6701的并行運算能力,所以采有基四頻率抽取算法.對4096點信號進行FFT變換,所需時間≤400μs.編寫的復數數組相乘通用子程序實現4096點運算所需時間≤95μs.對于反變換,可以直接得用前面的FFT算法實現,即先對輸入頻域序列作共軛變換,然后進行FFT運算,并對所得的時域序列再作共軛變換 ,最后除以FFT變換 數據的個數.但這樣進行反變換所需要的時間較長,不能實時處理.為此按照其四頻率抽取的算法編寫了IFFT子程序,此IFFT子程序經過CCS優化之后,對4096點逆變換來講,需要400μs左右.本程序和FFT子程序配合使用,可以方便地實現信號的正傅立葉變換和傅立葉變換,而不需要進行位反轉操作,不僅節省了存儲空間,而且加快了運算速度.為求復信號的模值,可以采用迭代等算法編寫求模子程序.
系統初始化程序如下:
system_intr()
{LOAD_REG_FIELD(CSR,0,0,2);
SET_REG(ICR,0xFFF0);
REG_WRITE(EXITERNAL_INTR_POL_ADDR,0);
INTR_MAP_RESET();
SET_REG(ISTP,0);
LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,5,READ_SETUP,READ_SETUP_SZ);
LOAD_FIELD(EMIF_CE2_CTRL_ADDR,8,READ_STROBE,READ_STROBE_SZ);
}
圖5是利用CCS提供的數據圖形顯示工具進行坐標變換后的脈壓結果.此線性調頻脈沖參數為:時寬32μs,帶寬5MHz,采樣頻率為5MHz.
采用先進的高速數字信號處理器,使得大點數脈沖壓縮能夠在很短的時間內高質量地完成.同時利用本系統,只要改變存儲器的系數,就可以方便地實現非線性調頻脈沖壓縮及其它濾波,具有通用性.對于要求更高速度的系統,可采用多片TMS320C6701并行處理.而TMS320C6701所帶的符合IEEE1149.1標準的JTAG口能夠方便地進行了多片級聯調試,再加上開發軟件CCS所具有強大的功能,可以大大提高工作效率和縮短產品的開發時間.
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