基于ADSP-TS201與FPGA的信號處理系統實現及優化設計

現代雷達信號處理已成為雷達功能實現的關鍵，本文根據某型雷達信號處理機的系統需要，對其硬件結構及軟件設計做了系統優化。設計了1套以4片 TS201和1片FPGA為核心信號處理板，該系統僅用l副板卡即實現空時二維信號處理。實現了自適應副瓣相消，4路脈沖壓縮與MTI／MTD，副瓣匿影和差波束測角等算法，可以完成對目標距離，方位偏差量的測算，滿足系統需求。

1 系統組成分析

回波信號在天線上進行部分微波合成，形成和、差通道信號及兩路輔助天線信號，進行IQ正交插值，1／8抽取后，形成4路待測數據，數據率共為128 MB／s。系統算法結構，如圖1所示，主要由旁瓣相消模塊，數字脈壓模塊，MTD處理模塊由3部分組成。和路信號MTD（FFT-CFAR）后經副瓣匿影若判定有目標則再由和、差兩路數據計算方位偏差量。

以雷達工作的低重頻模式為例，IQ數據為5 388點，重頻為140 Hz，考慮到一定的時間余量，4路信號的傳輸及處理必須在《6．7 ms的時間內完成。因此系統的數據速率、數據量及運算規模決定了系統設計必須具有以下特點：

（1）具有高性能浮點處理芯片，可完成旁瓣相消、脈沖壓縮、相參積累、雜波圖、恒虛警處理。

（2）內部各處理芯片間可進行高速數據傳遞且可外部擴展存儲芯片，保存大量數據。

（3）具備對外的數據接口和控制接口，并可輸出故障檢測信號。

（4）軟件設計中必須進行大量優化，保證上述所有處理模塊在1個脈沖周期內完成。

2 雷達處理機實現

2．1 硬件平臺設計

系統運算量及時間要求，信號處理板需采用多DSP并行處理的結構，為達到高速浮點處理能力、高數據吞吐率及大內存空間的要求，DSP芯片選用 ADSP-TS201，它是ADI公司最新型號的TigerSHARC架構高性能浮點數字信號處理器。它具有最高達600 MHz的工作時鐘，且每周期可完成4條指令；包括雙獨立運算模塊及用于地址計算的雙獨立整型ALU，可完全并行操作；擁有24 MB／s的片內存儲器，內存容量大；此外還有14路DMA控制器及外部端口、4個鏈路口，可進行高速數據吞吐；擁有4個SDRAM控制器，可外部擴展存儲芯片；擁有4個可編程flag引腳，可對外輸出所需標志信號。

多DSP設計通常有共享總線方式和鏈路口耦合方式兩種結構。共享總線結構的優點是可以提供全局地址空間，把多DSP的地址空間映射到主機的內存空間進行統一訪問。任一DSP也可通過總線讀寫其它處理器內存，操作方便。然而，當多DSP間數據交換頻繁時，總線競爭往往造成數據通信的總線瓶頸，因而該方法有明顯的缺點。采用鏈路口耦合方式則具有明顯的優點，各DSP總線獨立，擁有完全獨立的內存空間，各DSP程序設計可完全獨立，減小了程序調試的難度。各DSP之間僅通過鏈路口無縫連接，片間連線少，降低了PCB布線難度和層數，節約了制板成本。此外，數據傳輸采用鏈路口的DMA方式并不占用DSP內核的運算時間，可以提高處理板的實時性能。因而采用將4片ADSP-TS201通過鏈路口兩兩互連，形成松耦合的多DSP結構，如圖2所示。各DSP通過鏈路口可在任意兩個DSP之間進行最高達500 MB／s的數據傳輸。

板卡主要以4片TS201與1片FPGA為核心，外加FLASH，SDRAM與光纖及其配置芯片協同完成數據存儲及傳輸。FPGA主要完成系統中與雷達匹配的時序控制，對板外的數據傳輸與對DSP的總線通信。FPGA通過兩套獨立的32位外部數據總線與DSP0和DSP1連接，采用流水協議，外部總線工作頻率為50 MHz，可以實現400 MB／s的數據傳輸速度，達到了系統可進行高速數據傳輸的要求。系統時鐘為50 MHz，TS201經12倍頻工作在600 MHz，單板卡的系統峰值處理能力可以達到14．4 Gflops，板卡運算速度滿足了系統需求。

2．2 系統軟件設計及優化

系統算法的復雜性與計算中的動態范圍的要求，系統算法在DSP中軟件化設計，調試方便?；夭ń浳⒉ê铣珊笮纬珊?、差路及兩路輔助通道信號，A／D采樣正交差值后形成4路數據經光纖傳入FPGA，DSP0經總線以DMA方式接收4路數據，并分發至其它3片DSP。各DSP單獨處理一路數據，如圖2所示，MTD后回傳至DSP1進行副瓣匿影及門限檢測，并估算目標方位偏差量，檢測結果由DSP1經總線以DMA方式返還至FPGA，所有的模塊限制在1個脈沖周期內完成，形成了圖3的軟件流程圖。

（1）數字脈沖壓縮。