基于TS201处理器实现无线电测向系统的应用方案

张珊,周欣,吴瑛 发表于 2020-08-27 09:05:59 收藏 已收藏
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基于TS201处理器实现无线电测向系统的应用方案

张珊,周欣,吴瑛 发表于 2020-08-27 09:05:59
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无线电测向系统主要用来测定各类侦察目标的地理位置和移动情况,目前在技术侦察、电子对抗等领域已经发挥了重要的作用。无线电测向系统主要包括两方面功能:对空间信号波达方向(DOA)的估计和数字波束合成。波达方向的估计就是确定同时处在空间某一区域内多个感兴趣信号的空间位置(即多个信号到达阵列参考阵元的方位角及仰角);数字波束合成的目的是在增强期望信号的同时最大程度地抑制无用的干扰和噪声,并提取有用的信号特征以及信号所包含的信息,主要是根据信号环境的变化,自适应地改变各阵元的加权因子,在期望信号方向形成主波束,在干扰信号方向形成零陷,降低副瓣电平。本文所介绍的无线电测向系统要求在一定时间内完成测向和波束合成,需要选择合适的算法和快速的信号处理器来保证高速度、高灵敏度和高精度。

1 TS201的主要特点

TS201是ADI公司继ADSP-TS101之后又推出的新一代高性能Tiger-SHARC处理器,它集成了更大容量的存储器,性价比很高。它兼有ASIC和FPGA的信号处理性能和指令集处理器的高度可编程性与灵活性,适用于高性能、大存储量的信号处理和图像应用。其特点如下:

(1)主频为600 MHz,即单指令周期为1.67 ns;有2个对等的处理单元来支持SIMD(单指令多数据)模式。

(2)片内24 Mbit的存储空间,分成* Mbit的存储块。DSP可以在一个周期内从存储器的任意位置加载一个2×128 bit的数据。

(3)系统内部有4条独立的128 bit数据总线,分别访问不同的4 Mbit内部存储块。

(4)4个8 bit的全双工链路口,各自可以独立工作。在多处理器系统中,链路口可作为处理器之间的点到点通信,组成分布式的多处理器系统。14个DMA通道,可用于后台传输。DMA传输速率可达1 Gb/s。

(5)三级复位,即上电复位、正常复位和DSP核复位。

2 系统结构

无线电测向系统由4个部分组成:阵列天线、多通道接收机、阵列信号处理器以及监控终端,如图1所示。

该系统采用9元均匀面阵,多通道接收机完成信号的采样,再经过数字下变频,送到处理单元的9个通道。数字信号处理器为该系统的核心部分。由于考虑阵列信号处理的运算量较大(特征值分解及多次复矩阵相乘等运算),为了满足系统实时性的要求,故选用2片主频为600 MHz、内存为24 Mbit的TS201芯片作为本系统的处理器。其中一片用来实现测向算法,另一片用来实现波束合成算法。

3 算法研究

3.1 算法简介

通过对各种测向和波束合成算法的比较,选择了多重信号分类MUSIC算法和基于干扰源定向的零点预处理算法。

多重信号特征算法MUSIC(Multiple Signal CharacteriSTic)是一种基于矩阵特征空间的方法,它将观测空间分解为信号子空间和与之正交的噪声子空间。信号子空间由阵列接收到的数据协方差距阵中与信号对应的特征向量张成,而噪声子空间则由该协方差距阵中所有最小特征值(噪声方差)对应的特征向量张成。多重信号特征法就是利用这两个互补空间之间的正交特性来估计空间信号的方位,噪声子空间的所有向量都被用来构造谱估计器,所得空间方位谱中的峰值位置就是空间信号的方位估计。多重信号特征法大大提高了阵列信号处理的分辨率,可应用于任意形状的阵列和特性相异的阵元。

基于干扰源定向的零点预处理算法是在对各种自适应波束合成算法研究的基础上,基于协方差矩阵的特征分解,结合采样协方差矩阵求逆(SMI)算法、基于特征空间(ESB)、预投影变换等自适应波束合成算法的知识,以及MUSIC 算法中对协方差矩阵进行特征分解提取出信号子空间等手段而提出的一种新的自适应波束合成方法。它与阵列形状无关,在对干扰源进行精确定向的情况下,提取干扰信号的噪声子空间对阵列观测数据进行零点预处理再进行传统的自适应波束合成,从而使得阵列方向图在干扰方向形成极深零陷的同时在期望方向形成主瓣。该算法对干扰的抑制能力很强,合成增益接近最优;对幅相误差、实际期望信号来向误差不敏感,有着很强的稳健性,适合实际使用。

两种算法的流程图如图2、图3所示。

3.2 仿真结果

MUSIC算法:

仿真实验中,天线阵列为9元均匀面阵,天线阵元间距是二分之一中心波长,信号点数500点,信号来波方向为[15° 100°,60° 320°]。仿真结果见图4。

零点预处理算法:

实验环境同MUSIC算法,设空间三个信号,其中期望信号来波方向为[100° 30°],干扰信号来波方向为[40° 30°,160° 30°]。仿真结果见图5。

从图4可以看出,在[15° 100°]和[60° 320°]方向上出现了2个尖峰,说明MUSIC算法可以准确地测出空间2个信号的来向。从图5可以看出,零点预处理算法在期望方向形成主波束,在干扰方向形成门限。试验证明,选择这两种算法是正确合理的。

4 DSP模块功能

系统通信的命令格式如图6。

系统工作过程如下:

监控终端微机通过VXI总线给DSP-A发送命令,DSP-A接到命令后,按照内部协议产生校验码,如果与收到的校验码一致,则根据命令号进行相应的测向或波束合成操作。中断1用于DSP和监控终端微机之间的通信,中断0则用于2片DSP之间的通信。DSP-A若接到测向命令,则在DSP-A中取出测向结果;DSP-A若接到波束合成命令,则向DSP-B产生中断0,取出波束合成结果。

本系统采用2片DSP作为无线电测向系统的核心处理器,其中一片在50 ms之内完成测向,另一片在10 ms之内完成波束合成。根据实际需求,测向系统将完成以下功能:

(1)多次测向:由于实际中测向结果存在误差,通常进行多次测向,再取平均,以提高精度。测向次数可以由用户自由选择。

(2)自动跟踪:系统设置为自动跟踪态时,先由DSP-A测出信号的角度信息,DSP-B再根据已知的角度信息进行波束合成,使得主波束一直对准期望信号的方向,以此达到跟踪信号的目的。

(3)指定方向:系统设置为指定方向态时,DSP-B波束合成之后将主波束指向用户指定的方向,以便用户观察自己感兴趣方向上的信号动向。

2片DSP的程序流程图如图7、图8所示。

MUSIC和零点预处理算法中大部分都是复数运算,其中复数相乘、复矩阵特征值分解所占比例较大,二维的谱峰搜索耗费较多时间。为此,充分利用了TS201芯片双处理器核的SIMD结构和单周期内可4字读写的特点。在一个周期内同时向X核读入实部,Y核读入虚部,再同时进行乘加运算,双核的使用使程序的运行周期大大减少,约为单核的1/4。对于sin和cos的计算,以0.1°为间隔进行查表运算,比级数展开大大减少了运算时间,精度也达到了系统所需的要求。此外,在TS201的仿真环境VisualDSP++3.5中,还存在Linear profiling工具,可以分析各个子函数占总运行时间的比例,对于把握整个程序的运行状况、优化程序的瓶颈,起了很好的帮助作用。由于TS201有24 Mbit等分为* Mbit存储块的大容量存储空间,它可以充分存储这2个算法所运行的全部数据,不需要进行内存扩展,这也是很多芯片所无法比拟的。综上所述,通过合理的软件结构搭建和一系列的程序优化措施,使DSP的运行时间能够较好地满足系统所需的要求。

5 系统特点

无线电测向系统要求必须以尽可能短的时间、尽可能高的精度对空中信号进行定位和跟踪。本系统充分考虑以上2个因素,具有以下特点:

(1)稳健、高性能的算法。通过大量的仿真实验比较,本文选择了具有高分辨率且性能稳定的MUSIC算法和零点预处理算法。良好的算法保证了系统测向的精度和运行的稳定性。

(2)合理的系统结构。2片DSP的选用保证系统测向功能和波束合成功能互不干扰和影响。编程中充分注意双核的并行使用及快速算法的运用,使得系统的时效性大大提高(测向50 ms,波束合成10 ms)。

(3)完备可靠的通信协议。所有的通信协议均通过算法进行加密,正确的校验保证了数据和命令的可靠传输。

本文给出的基于TS201的无线电测向系统能够快速准确地对信号进行定位和跟踪,通过选用高性能的MUSIC和零点预处理算法使得系统具有较高的测向精度,通过选用高速信号处理器ADSP-TS201使得系统具有较快的运行速度。对DSP模块合理的结构搭建和一系列的优化措施,使得系统满足了指标要求。

责任编辑:gt

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