ADSP-TS201在無線電測向系統(tǒng)中的應(yīng)用

張珊，周欣，吳瑛

(信息工程大學信息工程學院，河南鄭州450002)

無線電測向系統(tǒng)主要用來測定各類偵察目標的地理位置和移動情況，目前在技術(shù)偵察、電子對抗等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。無線電測向系統(tǒng)主要包括兩方面功能:對空間信號波達方向(DOA)的估計和數(shù)字波束合成。波達方向的估計就是確定同時處在空間某一區(qū)域內(nèi)多個感興趣信號的空間位置(即多個信號到達陣列參考陣元的方位角及仰角)；數(shù)字波束合成的目的是在增強期望信號的同時最大程度地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，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。本文所介紹的無線電測向系統(tǒng)要求在一定時間內(nèi)完成測向和波束合成，需要選擇合適的算法和快速的信號處理器來保證高速度、高靈敏度和高精度。

1 TS201的主要特點

TS201是ADI公司繼ADSP-TS101之后又推出的新一代高性能Tiger-SHARC處理器，它集成了更大容量的存儲器，性價比很高。它兼有ASIC和FPGA的信號處理性能和指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲量的信號處理和圖像應(yīng)用。其特點如下:

(1)主頻為600 MHz，即單指令周期為1.67 ns；有2個對等的處理單元來支持SIMD(單指令多數(shù)據(jù))模式。

(2)片內(nèi)24 Mbit的存儲空間，分成6個4 Mbit的存儲塊。DSP可以在一個周期內(nèi)從存儲器的任意位置加載一個2×128 bit的數(shù)據(jù)。

(3)系統(tǒng)內(nèi)部有4條獨立的128 bit數(shù)據(jù)總線，分別訪問不同的4 Mbit內(nèi)部存儲塊。

(4)4個8 bit的全雙工鏈路口，各自可以獨立工作。在多處理器系統(tǒng)中，鏈路口可作為處理器之間的點到點通信，組成分布式的多處理器系統(tǒng)。14個DMA通道，可用于后臺傳輸。DMA傳輸速率可達1 Gb/s。

(5)三級復(fù)位，即上電復(fù)位、正常復(fù)位和DSP核復(fù)位。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線電測向系統(tǒng)由4個部分組成:陣列天線、多通道接收機、陣列信號處理器以及監(jiān)控終端，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用9元均勻面陣，多通道接收機完成信號的采樣，再經(jīng)過數(shù)字下變頻，送到處理單元的9個通道。數(shù)字信號處理器為該系統(tǒng)的核心部分。由于考慮陣列信號處理的運算量較大(特征值分解及多次復(fù)矩陣相乘等運算)，為了滿足系統(tǒng)實時性的要求，故選用2片主頻為600 MHz、內(nèi)存為24 Mbit的TS201芯片作為本系統(tǒng)的處理器。其中一片用來實現(xiàn)測向算法，另一片用來實現(xiàn)波束合成算法。

3 算法研究

3.1 算法簡介

通過對各種測向和波束合成算法的比較，選擇了多重信號分類MUSIC算法和基于干擾源定向的零點預(yù)處理算法。

多重信號特征算法MUSIC(Multiple Signal Characteristic)是一種基于矩陣特征空間的方法，它將觀測空間分解為信號子空間和與之正交的噪聲子空間。信號子空間由陣列接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差距陣中與信號對應(yīng)的特征向量張成，而噪聲子空間則由該協(xié)方差距陣中所有最小特征值(噪聲方差)對應(yīng)的特征向量張成。多重信號特征法就是利用這兩個互補空間之間的正交特性來估計空間信號的方位，噪聲子空間的所有向量都被用來構(gòu)造譜估計器，所得空間方位譜中的峰值位置就是空間信號的方位估計。多重信號特征法大大提高了陣列信號處理的分辨率,可應(yīng)用于任意形狀的陣列和特性相異的陣元。

基于干擾源定向的零點預(yù)處理算法是在對各種自適應(yīng)波束合成算法研究的基礎(chǔ)上，基于協(xié)方差矩陣的特征分解，結(jié)合采樣協(xié)方差矩陣求逆(SMI)算法[2]、基于特征空間(ESB)[3，4]、預(yù)投影變換[5]等自適應(yīng)波束合成算法的知識，以及MUSIC算法中對協(xié)方差矩陣進行特征分解提取出信號子空間等手段而提出的一種新的自適應(yīng)波束合成方法。它與陣列形狀無關(guān)，在對干擾源進行精確定向的情況下，提取干擾信號的噪聲子空間對陣列觀測數(shù)據(jù)進行零點預(yù)處理再進行傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束合成，從而使得陣列方向圖在干擾方向形成極深零陷的同時在期望方向形成主瓣。該算法對干擾的抑制能力很強，合成增益接近最優(yōu)；對幅相誤差、實際期望信號來向誤差不敏感，有著很強的穩(wěn)健性，適合實際使用。

兩種算法的流程圖如圖2、圖3所示。

3.2 仿真結(jié)果

MUSIC算法:

仿真實驗中，天線陣列為9元均勻面陣，天線陣元間距是二分之一中心波長，信號點數(shù)500點，信號來波方向為[15°100°，60°320°]。仿真結(jié)果見圖4。

零點預(yù)處理算法:

圖2 MUSIC算法流程圖

圖3 零點預(yù)處理算法流程圖

實驗環(huán)境同MUSIC算法，設(shè)空間三個信號，其中期望信號來波方向為[100°30°]，干擾信號來波方向為[40°30°，160°30°]。仿真結(jié)果見圖5。

從圖4可以看出，在[15°100°]和[60°320°]方向上出現(xiàn)了2個尖峰，說明MUSIC算法可以準確地測出空間2個信號的來向。從圖5可以看出，零點預(yù)處理算法在期望方向形成主波束，在干擾方向形成門限。試驗證明，選擇這兩種算法是正確合理的。

4 DSP模塊功能

系統(tǒng)通信的命令格式如圖6。

圖6 命令格式

系統(tǒng)工作過程如下:

監(jiān)控終端微機通過VXI總線給DSP-A發(fā)送命令，DSP-A接到命令后，按照內(nèi)部協(xié)議產(chǎn)生校驗碼，如果與收到的校驗碼一致，則根據(jù)命令號進行相應(yīng)的測向或波束合成操作。中斷1用于DSP和監(jiān)控終端微機之間的通信，中斷0則用于2片DSP之間的通信。DSP-A若接到測向命令，則在DSP-A中取出測向結(jié)果；DSP-A若接到波束合成命令，則向DSP-B產(chǎn)生中斷0，取出波束合成結(jié)果。

本系統(tǒng)采用2片DSP作為無線電測向系統(tǒng)的核心處理器，其中一片在50 ms之內(nèi)完成測向，另一片在10 ms之內(nèi)完成波束合成。根據(jù)實際需求，測向系統(tǒng)將完成以下功能:

(1)多次測向:由于實際中測向結(jié)果存在誤差，通常進行多次測向，再取平均，以提高精度。測向次數(shù)可以由用戶自由選擇。

(2)自動跟蹤:系統(tǒng)設(shè)置為自動跟蹤態(tài)時，先由DSP-A測出信號的角度信息，DSP-B再根據(jù)已知的角度信息進行波束合成，使得主波束一直對準期望信號的方向，以此達到跟蹤信號的目的。

(3)指定方向:系統(tǒng)設(shè)置為指定方向態(tài)時，DSP-B波束合成之后將主波束指向用戶指定的方向，以便用戶觀察自己感興趣方向上的信號動向。

2片DSP的程序流程圖如圖7、圖8所示。

MUSIC和零點預(yù)處理算法中大部分都是復(fù)數(shù)運算，其中復(fù)數(shù)相乘、復(fù)矩陣特征值分解所占比例較大，二維的譜峰搜索耗費較多時間。為此，充分利用了TS201芯片雙處理器核的SIMD結(jié)構(gòu)和單周期內(nèi)可4字讀寫的特點。在一個周期內(nèi)同時向X核讀入實部，Y核讀入虛部，再同時進行乘加運算，雙核的使用使程序的運行周期大大減少，約為單核的1/4。對于sin和cos的計算，以0.1°為間隔進行查表運算，比級數(shù)展開大大減少了運算時間，精度也達到了系統(tǒng)所需的要求。此外，在TS201的仿真環(huán)境VisualDSP++3.5中，還存在Linear profiling工具，可以分析各個子函數(shù)占總運行時間的比例，對于把握整個程序的運行狀況、優(yōu)化程序的瓶頸，起了很好的幫助作用。由于TS201有24 Mbit等分為6個4 Mbit存儲塊的大容量存儲空間，它可以充分存儲這2個算法所運行的全部數(shù)據(jù)，不需要進行內(nèi)存擴展，這也是很多芯片所無法比擬的。綜上所述，通過合理的軟件結(jié)構(gòu)搭建和一系列的程序優(yōu)化措施，使DSP的運行時間能夠較好地滿足系統(tǒng)所需的要求。

圖7 DSP-A 程序流程圖

圖8 DSP-B程序流程圖

5 系統(tǒng)特點

無線電測向系統(tǒng)要求必須以盡可能短的時間、盡可能高的精度對空中信號進行定位和跟蹤。本系統(tǒng)充分考慮以上2個因素，具有以下特點:

(1)穩(wěn)健、高性能的算法。通過大量的仿真實驗比較，本文選擇了具有高分辨率且性能穩(wěn)定的MUSIC算法和零點預(yù)處理算法。良好的算法保證了系統(tǒng)測向的精度和運行的穩(wěn)定性。

(2)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2片DSP的選用保證系統(tǒng)測向功能和波束合成功能互不干擾和影響。編程中充分注意雙核的并行使用及快速算法的運用，使得系統(tǒng)的時效性大大提高(測向50 ms，波束合成10 ms)。

(3)完備可靠的通信協(xié)議。所有的通信協(xié)議均通過算法進行加密，正確的校驗保證了數(shù)據(jù)和命令的可靠傳輸。

本文給出的基于TS201的無線電測向系統(tǒng)能夠快速準確地對信號進行定位和跟蹤，通過選用高性能的MUSIC和零點預(yù)處理算法使得系統(tǒng)具有較高的測向精度，通過選用高速信號處理器ADSP-TS201使得系統(tǒng)具有較快的運行速度。對DSP模塊合理的結(jié)構(gòu)搭建和一系列的優(yōu)化措施，使得系統(tǒng)滿足了指標要求。

[1]VEEN B D V，BUCKLEY K M.B:Aversatile approach to spatial filtering.IEEE AES Magazine，1987，2(5):4-24.

[2]YU J L，YEH C C.Generlized eigenspace-based beamformers.IEEE Trans on Signal Processing，1995，43(1):2453-2461.

[3]LEE C C，LEE J H.Eigenspace-based adaptive array beam-forming with robust capabilities.IEEE Trans.Antennas Propagation，Propagation，1997，45(12):1711-17l6.

[4]AVID D，F(xiàn).A projection approach for adaptive beamforming.IEEE Trans.Signal Processing，1994，4(4):867-876.

[5]王永良，陳輝.空間譜估計理論于算法[M].北京:清華大學出版社，2004.

[6]ADSP-TS201 TigerSHARC Hardware Reference.Analog Devices Inc，August 2004.

[7]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Programming Reference.Analog Devices Inc，August 2004.