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空间谱估计超分辨测向算法的硬件实现
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2017-10-24
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空间谱估计超分辨是一种空域处理技术，具有优越的空域参数（如方位角）估计性能。空间谱估计属于阵列信号处理的一个重要分支，其基本原理是通过空间阵列接收数据的相位差来确定一个或几个待估计的参数，如方位角、俯仰角及信号源个数等。空间谱估计超分辨技术可以大大改善在系统处理带宽内空间信号的角度估计精度、角度分辨力及其他相关参数精度，因而在雷达、通信、声呐等众多领域有广阔的应用前景。
为了满足快速扫描及系统处理的实时性要求，本系统采用支持浮点运算的高速处理器ADSP-TS101S，其DSP之间链路口的无缝连接可以提供高速率数据传输；采用空间谱估计中MUSIC算法对从天线阵元接收到的数据进行处理，提高测角精度，实现超分辨测向；用多片DSP分工同时进行目标搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多处理器系统的空间谱估计超分辨测向算法的硬件实现。
1 空间谱估计超分辨测向基本原理
空间谱估计超分辨测向的基本原理为通过对多元天线阵接收的空中无线电信号进行放大、变频、采样以及A／D变换后的数字信号进行数学处理来估计信号的来波方向，其中最常用的算法是多重信号分类（MUSIC）算法。MUSIC算法的过程为先计算阵列接收数据的协方差矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量，利用由特征向量组成的信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处理，确定无线电信号来波方向。
定义窄带远场信号的DOA数学模型为：
式中：X（t）为阵列数据，S（t）为空间信号，N（t）为噪声数据，A为空间阵列的流型矩阵（导向矢量阵）。阵列数据X（t）的协方差矩阵R可写成：
Rs=E［S（t）SH（t）］是空间信号的相关矩阵，σ2为理想白噪声功率。注意到R为满秩阵，对R进行特征值分解：
式中：∧S为大特征值组成的对角阵，∧N为小特征值组成的对角阵。通常称US为信号子空间，UN为噪声子空间。定义空间谱为：
当导向矢量α（θ）不属于信号子空间时，αH（θ）UN是一个不为零的矢量，而当导向矢量属于信号子空间时，αH（θ）UN是一个趋近于零的矢量。所以由空间谱公式得到的空间谱PMUSIC（θ）在信号源方向会产生尖锐的“谱峰”，而在其他方向相对平坦。据此谱峰可以估计出信号的来向。
2 ADSP-TS101S的主要性能
TigerSHARC是ADI公司的定浮点兼容的高速DSP系列处理器，比SHARC系列处理器具有更多的片上存储器、更高的并行度、更宽的带宽、更快的时钟速率以及更大的灵活度，是专门为数字信号处理任务和复杂通信算法而设计的。
TigerSHARC系列的ADSP-TS101S内部集成了静态超标量体系结构和大容量的SRAM。处理器工作在300MHz，单周期能执行4条指令，能实现每秒2.4亿次乘累加操作和每秒1.8亿次浮点操作，并且支持两种方式的集成多处理器连接，很容易实现多片并行处理系统，使得该处理器能达到无缝超标量能力和杰出的I／O性能表现。
为了满足快速扫描及系统处理的实时性要求，本系统采用支持浮点运算的高速处理器ADSP-TS101S，其DSP之间链路口的无缝连接可以提供高速率数据传输；采用空间谱估计中MUSIC算法对从天线阵元接收到的数据进行处理，提高测角精度，实现超分辨测向；用多片DSP分工同时进行目标搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多处理器系统的空间谱估计超分辨测向算法的硬件实现。
1 空间谱估计超分辨测向基本原理
空间谱估计超分辨测向的基本原理为通过对多元天线阵接收的空中无线电信号进行放大、变频、采样以及A／D变换后的数字信号进行数学处理来估计信号的来波方向，其中最常用的算法是多重信号分类（MUSIC）算法。MUSIC算法的过程为先计算阵列接收数据的协方差矩阵R，对R进行特征分解求出其特征值和特征向量。根据特征值可以确定信号源的数量，利用由特征向量组成的信号子空间和噪声子空间的正交关系，对两个子空间进行适当的处理，确定无线电信号来波方向。
定义窄带远场信号的DOA数学模型为：
式中：X（t）为阵列数据，S（t）为空间信号，N（t）为噪声数据，A为空间阵列的流型矩阵（导向矢量阵）。阵列数据X（t）的协方差矩阵R可写成：
Rs=E［S（t）SH（t）］是空间信号的相关矩阵，σ2为理想白噪声功率。注意到R为满秩阵，对R进行特征值分解：
式中：∧S为大特征值组成的对角阵，∧N为小特征值组成的对角阵。通常称US为信号子空间，UN为噪声子空间。定义空间谱为：
当导向矢量α（θ）不属于信号子空间时，αH（θ）UN是一个不为零的矢量，而当导向矢量属于信号子空间时，αH（θ）UN是一个趋近于零的矢量。所以由空间谱公式得到的空间谱PMUSIC（θ）在信号源方向会产生尖锐的“谱峰”，而在其他方向相对平坦。据此谱峰可以估计出信号的来向。
2 ADSP-TS101S的主要性能
TigerSHARC是ADI公司的定浮点兼容的高速DSP系列处理器，比SHARC系列处理器具有更多的片上存储器、更高的并行度、更宽的带宽、更快的时钟速率以及更大的灵活度，是专门为数字信号处理任务和复杂通信算法而设计的。
TigerSHARC系列的ADSP-TS101S内部集成了静态超标量体系结构和大容量的SRAM。处理器工作在300MHz，单周期能执行4条指令，能实现每秒2.4亿次乘累加操作和每秒1.8亿次浮点操作，并且支持两种方式的集成多处理器连接，很容易实现多片并行处理系统，使得该处理器能达到无缝超标量能力和杰出的I／O性能表现。
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