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基于ADSP-TS101的雷达信号处理系统的设计分析
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2017-10-24
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作为面向数字信号处理的可编程嵌入式处理器，DSP具有高速、灵活、可靠、可编程、低功耗、接口丰富、处理速度快、实时性好等特点。雷达信号处理系统所涉及的主要技术包括数据重采样、参数估计、自适应滤波、恒虚警处理、脉冲压缩、自适应波束形成和旁瓣对消等，通常需要完成大量具有高度重复性的实时计算。由于DSP可以利用硬件算术单元、片内存储器、哈佛总线结构、专用寻址单元、流水处理技术等特有的硬件结构，来高速完成FFT、FIR、复数乘加、相关、三角函数以及矩阵运算等数字信号处理。因此，DSP非常适合雷达数字信号处理算法的实现。本文详细地介绍了一种基于ADI公司高性能DSP—ADSP-TS101的雷达信号处理系统的具体实现方法。
1 系统部件及信号处理算法的实现
本系统是某雷达的信号处理机，总共有4块电路板，分为母板、抗干扰板、脉冲压缩板和MTD板。
1.1 母板
母板主要是为其它三块单板提供电源，同时也可作为单板间信号传送的桥梁，将处理完的视频数据送到显示器显示。
1.2 抗干扰板
抗干扰板的主要功能包括中频采要、正交解调与低通滤波、自适应旁瓣对消及旁瓣消隐等。
（1） 中频采样
中频采样主要是通过ADC读人中频数据。本系统的ADC采用美国ADI公司生产的12位、40MSPS转换速率的高性能模数转换器，来将I、Q两路模拟信号以某一采样率转换为数字信号。
（2） 正交解调与低通滤波
该功能用于在FPGA中完成正交解调与低通滤波。在该系统中，FPGA选用的是ALTERA公司生产的EP1K100，，图1所示是该系统的中频解调示意图。由于系统会将采样信号均转换为1，0，-1，0，1……这样的数字序列，故在对采样信号进行解调后，会使其变为零中频信号，然后再对其做FIR低通滤波。
（3） 自适应旁瓣对消及旁瓣消隐
实现上述两算法总共要用到4片ADSP-TS101S。为了简化系统硬件、减少DSP的片间连线，系统的4个DSP之间应以松耦合的链路方式进行链接。可由DSP1将经过FlR低通滤波后的零中频信号以DMA方式读入。为了保证处理的数据为一帧完整的数据，本系统采用乒乓方式读人I、Q两路数据，这样可以保证一边读数据，一边处理，同时将定点数据转换为浮点数，并将处理结果送到DSP2。DSP2主要用于计算最佳旁瓣对消参数WI和WQ，并做旁瓣对消工作，再把处理结果送到DSP3。DSP3主要负责转发主副通路I、Q两路数据到DSP4，并计算主副通路I、Q两路数据模值的工作，同时负责将处理结果送到DSP4。DSP4主要完成旁瓣消隐运算并将处理结果发往脉冲压缩板。
1.3 脉冲压缩板
脉冲压缩板主要实现以下功能：
（1） 脉冲压缩
图2所示为脉冲压缩的实现原理图。脉冲压缩主要解决雷达作用距离与分辨率之间的矛盾，是雷达系统中较为成熟和经常采用的技术。假如总距离单元数为6000，则应将其补齐至8192点，然后做FFT。需要说明的是，这里用到的H（k）是在MATLAB中生成好的，然后存贮到DSP中以供其调用。在产生H（k）时，不光要采用加海明窗的方法，还应采用时域综合法进行旁瓣抑制。具体算法可参见相关资料。频域相乘后再做IFFT就是脉冲压缩的结果。该算法在DSP1中完成后，就可将处理后的数据送到DSP2做后续处理。
（2） 自适应滤波
自适应滤波采用自适应二次对消器来抑制云雨杂波，它由杂波测量和自适应二次对消器组成，主要在DSP2中完成自适应滤波参数Wi和Wq的估计运算，并做自适应滤波。然后把处理结果送到DSP3做后续处理。
1 系统部件及信号处理算法的实现
本系统是某雷达的信号处理机，总共有4块电路板，分为母板、抗干扰板、脉冲压缩板和MTD板。
1.1 母板
母板主要是为其它三块单板提供电源，同时也可作为单板间信号传送的桥梁，将处理完的视频数据送到显示器显示。
1.2 抗干扰板
抗干扰板的主要功能包括中频采要、正交解调与低通滤波、自适应旁瓣对消及旁瓣消隐等。
（1） 中频采样
中频采样主要是通过ADC读人中频数据。本系统的ADC采用美国ADI公司生产的12位、40MSPS转换速率的高性能模数转换器，来将I、Q两路模拟信号以某一采样率转换为数字信号。
（2） 正交解调与低通滤波
该功能用于在FPGA中完成正交解调与低通滤波。在该系统中，FPGA选用的是ALTERA公司生产的EP1K100，，图1所示是该系统的中频解调示意图。由于系统会将采样信号均转换为1，0，-1，0，1……这样的数字序列，故在对采样信号进行解调后，会使其变为零中频信号，然后再对其做FIR低通滤波。
（3） 自适应旁瓣对消及旁瓣消隐
实现上述两算法总共要用到4片ADSP-TS101S。为了简化系统硬件、减少DSP的片间连线，系统的4个DSP之间应以松耦合的链路方式进行链接。可由DSP1将经过FlR低通滤波后的零中频信号以DMA方式读入。为了保证处理的数据为一帧完整的数据，本系统采用乒乓方式读人I、Q两路数据，这样可以保证一边读数据，一边处理，同时将定点数据转换为浮点数，并将处理结果送到DSP2。DSP2主要用于计算最佳旁瓣对消参数WI和WQ，并做旁瓣对消工作，再把处理结果送到DSP3。DSP3主要负责转发主副通路I、Q两路数据到DSP4，并计算主副通路I、Q两路数据模值的工作，同时负责将处理结果送到DSP4。DSP4主要完成旁瓣消隐运算并将处理结果发往脉冲压缩板。
1.3 脉冲压缩板
脉冲压缩板主要实现以下功能：
（1） 脉冲压缩
图2所示为脉冲压缩的实现原理图。脉冲压缩主要解决雷达作用距离与分辨率之间的矛盾，是雷达系统中较为成熟和经常采用的技术。假如总距离单元数为6000，则应将其补齐至8192点，然后做FFT。需要说明的是，这里用到的H（k）是在MATLAB中生成好的，然后存贮到DSP中以供其调用。在产生H（k）时，不光要采用加海明窗的方法，还应采用时域综合法进行旁瓣抑制。具体算法可参见相关资料。频域相乘后再做IFFT就是脉冲压缩的结果。该算法在DSP1中完成后，就可将处理后的数据送到DSP2做后续处理。
（2） 自适应滤波
自适应滤波采用自适应二次对消器来抑制云雨杂波，它由杂波测量和自适应二次对消器组成，主要在DSP2中完成自适应滤波参数Wi和Wq的估计运算，并做自适应滤波。然后把处理结果送到DSP3做后续处理。
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