浅谈雷达信号处理中的Adsp-TS101性能分析及其应用

　　ADSP-TS101是AD公司新一代TIgerSHARC结构的数字信号处理器，具有多指令流多数据流（MIMD）结构；有两个计算单元，每个单元包括算术逻辑单元（ALU）、移位寄存器（shift）、乘法器（mult）、寄存器组（register files）。Adsp-TS101性能比ADSP21160有显着提高，且与之兼容，使得以ADSP21160开发的产品升级快速、简捷。Adsp-TS101是64位处理器，工作在250 MHz时钟下，可进行32位定点和32位或40位浮点运算，提供1500 MFLOPS（Millions of floating-pointoperations per second，每秒执行百万次浮点操作）的运算能力；内部具有6 M位双口 SRAM，同时集成了I/O处理器，加上内部总线，消除了I/O瓶颈。

在雷达信号处理系统中，被处理的回波信号可能来自运动目标，如飞机、舰艇、车辆等，也可能是固定背景或缓慢运动背景，如海浪和金属丝干扰所产生的杂波。在实际应用中，从固定杂波背景中提取出运动目标回波是很重要的问题。由于固定杂波和运动目标回波的多谱勒频移不相同，利用多谱勒滤波器滤去固定杂波而取出运动目标的回波，就可以大大改善在杂波背景下检测运动目标的能力。由于多种高性能数字信号处理器的出现，使得可以采用软件通过快速傅里叶变换（FFT）算法来实现窄带多谱勒滤波器组。本文讨论的是由高速DSP芯片ADSP TS101构成的数字式雷达信号处理器。ADSP TS101数字信号处理器作为雷达信号处理器的，主要完成以下功能：一是采用快速傅里叶变换（FFT）算法来实现窄带多谱勒滤波器组；二是对被检测信号进行恒虚警处理。本系统在设计时比较好地发挥了高速DSP芯片ADSP TS101的良好性能；合理地解决了高速数据率的问题；充分地利用了芯片内部资源；降低了系统设备的复杂性，又保证了系统性能。

　　1 Adsp-TS101的主要性能

Adsp-TS101的主要性能如下：

采用TigerSHARC结构，具有3条独立总线用于取指令、取数据、不间断I/O;

指令周期4 ns，工作时钟250 MHz;

单指令流多数据流（SIMD）提供两个运算单元，每个有一个算术逻辑单元、乘法器、移位器、寄存器组，可同时在两个运算单元上进行同一指令下对不同数据的32位操作；

提供1 500 MFLOPS运算能力；

片内6 M位双口SRAM，允许CPU、Host和DMA的独立存取；

有14个DMA通道，可进行内存和外存、外设、主处理器、串（serial）口、链路（1ink）口之间的数据传输；

有2个数据地址发生器（IALU），允许取模和按位取反操作；

片内集成I/0处理器、6 M位双口 SRAM，具有串行、连接、外部总线和JTAG测试口，支持多处理器结构；

并行总线和多运算单元，使单周期可执行1次算术逻辑运算、1次乘法、1次双口SRAM的读或写，以及1次取指操作，CPU与内存之间可进行每周期4个32位浮点字的传输；

簇式多处理器可支持8个TigerSHARC Adsp-TS101。

Adsp-TS101性能测试如表1、2所列。

　　2 Adsp-TS101的系统结构框图和功能简介

ADSP一TSl01的系统结构框。Adsp-TS101包括PEX、PEY两个运算单元，每一个浮点运算有一个算术逻辑单元、乘法器、移位器、32字寄存器组。另外，算术逻辑单元、乘法器、移位器为并行排列，可进行单周期多功能操作，如在同一机器周期中算术逻辑单元和乘法器可同时进行操作。

当数据在存储器和寄存器之间传递时，IALU提供存储器的地址。每个IALU有一个算术逻辑单元、32字寄存器组。

程序控制器包括指令队列缓冲器（IAB）和分支目标缓冲器（BTB）。Adsp-TS101既有4个外部中断IRQ3～O，也有内部中断。

3条128位总线提供高的宽带连接。每个总线允许每个周期4条指令或4队列数据进行传输。外部口和其他链路口的片上单元也用这些总线访问存储器。

片内6 M位SRAM，分为3个（M0、M1、M2）128位宽的2 M位的块，可组合构成数据、程序存储器，每个SRAM与两个总线相连，允许单周期内完成和CPU之间4个数的传输。

外部口支持与片外存储器、主机（host）及8片Adsp-TS101的多处理器接口。外部口支持同步、异步及突发式存取。

DMA控制器支持独立于处理器的后台零等待数据传输。DMA（Direct Memory Access，直接内存存取） 是所有现代电脑的重要特色，他允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于 CPU 的大量 中断 负载。否则，CPU 需要从 来源 把每一片段的资料复制到 暂存器，然后把他们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用。 DMA 传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。当 CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器 来实行和完成。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA 传输对于高效能 嵌入式系统 算法和网络是很重要的。

串口支持250 Mb/s的收发独立的同步传输。

具有IEEE JTAG标准1149.1测试口和片内仿真。

27 mm×27 mm或19 mm×19 mm PBGA封装。

内部ADD1.2 V，外部ADD3.3 V。

　　3 Adsp-TS101的典型应用

根据ADSP-TS101的系统结构特点，给出Adsp-TS101在雷达信号处理方面的典型应用。信号处理机主要由以下几部分组成。

① 运放及A/D。DPMCW接收机视频输出信号幅度为O～+4 V，经运放接收后，输出到A/D的模拟输入端。运放及A/D分为I、Q两路输入，以32位定点数同时采集到DSP1，在DSP1内分为I、Q两部分进行处理。

② CPLD。CPLD内部主要完成对数据的锁存，产生A/D采样时钟、各个DSP的中断请求信号和数据发送的同步信号。

③ DSP1。DSP1主要完成：A/D数据输入变换，并输出到DSP2;系统自举。系统采用EPROM自举方式，4个DSP的加载任务由DSP1完成。初始化时，DSP1通过链路口1发出一个控制字，将工作参数传给DSP2、DSP3、DSP4。

④ DSP2。DSP2完成2048点FFT运算。输入数据用链路口0和链路口2，输出数据用链路口1和链路口3。链路口4用于系统自举。

⑤ DSP3。DSP3完成门限判断与固定目标对消和动目标运动速度的校正。

⑥ DSP4和DPRAM。DSP4完成数据积累，然后对数据进行整理并输出。

　　4 电源供电及功耗估计

（1） 电源供电

Adsp-TS101有三个电源，其中数字3.3 V为l/0供电；数字1.2 V为DSP内核供电；模拟1.2 V为内部锁相环和倍频电路供电。Adsp-TS101要求数字3.3 V和数字1.2 V同时上电。如果无法严格同步，则应保证核电源1.2 V先上电，l/0电源3.3 v后上电。本系统在数字3.3 V输入端并联了一个大电容，而在数字1.2 v输入端并联了一个小电容。

（2）外部口功耗估计

外部口的功耗主要是输出引脚（例如数据线的某个位由高到低，或由低到高）转换的功率消耗，而且该功耗与系统无关。由于这种转换的外部平均电流为0.137 A，因此，功耗为PDD=VD×lDD=3.3 V×0.137 A="0".45 W

（3）内核功耗估计

内核电流为1.277 A。该电流是DSP进行单指令流多数据流（SIMD）方式下，4个16位定点字乘加与2个四字读取并行操作以及进行由外部口到内部存储器DMA操作所需的电流。实际上，DSP内核电流大小还和内核工作频率有关，其内核电流与频率的关系曲线。因此，供给DSP内核电流可根据不同的并行处理任务和内核工作频率来确定。若并行处理较少，工作频率低，所需电流就小。

　　结 语

本文介绍了Adsp-TS101芯片及其在雷达信号处理方面的应用。该应用系统充分利用了Adsp-TS101高速的运算能力、数据吞吐量大以及易于多片连接，可对数据进行串行处理的特点。文中还讨论了DSP应用过程中的电源设计和功耗问题，因而具有一定的工程指导意义。目前该系统已成功用于某雷达系统。