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TMS320C6701DSP線性調頻信號數字脈沖壓縮

發布時間:2010-6-9 16:18    發布者:看門狗
關鍵詞: TMS320C6701 , 調頻
線性調頻信號具有拋物線式的非線性相位譜,能夠獲得較大的時寬帶寬積;與其它脈壓信號相比,很容易用數字技術產生,且技術上比較成熟;所用的匹配濾波器對回波信號的多卜勒頻移不敏感,因而可以用一個匹配濾波器處理具有不同多卜勒頻移的回波信號。這將大大簡化信號處理系統,因此它在工程中得到了廣泛的應用。采用這種信號的雷達可以同時獲得遠的作用距離和高的距離分辨率。數字化的脈沖壓縮系統具有性能穩定、受干擾小、工作方式靈活多樣等優點,是現代脈壓系統的發展趨勢。

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。

將正交的兩路采樣信號輸入到放大器。放大器一方面對信號放大。另一方面也將放大的信號以差分方式輸出。信號以差分方式輸出是為了抑制掉高階諧波分量,濾掉各種干擾信號(如電源和地的噪聲),這樣有利于提高A/D轉換器的性能。系統選用了12位A/D轉換芯片AD9220,該芯片具有單端輸入和差分輸入兩種方式,因此,放大器輸出信號能直接輸入到AD9220進行模/數轉換。兩路回波信號經AD9220正交采樣后,再經符號擴展成16位存入FIFO。C6701處理器將輸入的32位信號送到內部RAM,按照圖2所示的方法進行頻域脈壓處理。首先對輸入信號進行FFT變換,將信號變換離散的頻域抽樣值。然后將FFT變換 結果和匹配濾波系數相乘。設計中將匹配濾波器的系數存放在FLASH ROM中,上電后將此系數搬移到內部高速數據RAM,然后才進行運算。為了獲得-40dB以下的副瓣電平,通常將匹配濾波器的系數進行漢明加權后存放在ROM中。再后,對相乘結果進行反傅立葉變換,完成頻域脈壓。量后,將反傅立葉變換結果進行求模運算,得出離散的脈壓信號并將其輸出。由于C6701是浮點處理器,既保證了較高的精度,又不用考慮溢出問題,使得有限字長的影響可以忽略不計。當雷達發射周期較長時,可以將輸入信號分段進行處理,每段單獨進行頻域脈沖壓縮,然后按照重疊保留法將每段壓縮結果組合成整個信號脈壓輸出。

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

頻域脈沖壓縮系統的軟件設計主要采用TI公司的CCS軟件開發。在CCS下,軟件可分為三個階段。第一階段,根據任務編寫C語言程序,并對程序進行優化。當代碼性能較低時,為改進代碼性能進入第二階段,第二階段利用優化方法重新編寫C代碼,并檢查所生成的代碼性能。第三階段,從C語言程序中抽出對性能影響很大的程序段,使用線性匯編語言重新編寫,然后使用匯編優化器對線性匯編程序進行優化,從而得到滿意的代碼性能。根據以上方法,編寫出的脈沖壓縮系統的軟件包括系統初始化子程序、DMA子程序、正傅立葉變換FFT子系統和反傅立葉變換IFFT子程序、復數相乘子程序、求模子程序等。其流程如圖4所示。

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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