一种ADSP-TS201在无线电测向系统的实现

    无线电测向就是依据电磁波传播特性，使用无线电测向设备测定电波来波方向的过程。无线电波在空气中具有沿直线传播的特点。如果能确定出电波传播方向，就可确定出发射台所在方向。当测向的地点确定之后，该点的北方向与所测电台方向之间顺时针方向的夹角（也称示向度）也就确定了。如果只获得电台的一个示向度值，仅可以确定电台在某一直线上，但无法判断其具体位置。若设定两个或两个以上的测向点，就可获得不同的示向度，将其标绘在地图上，其交点即为发射电台的位置。在测定过程中，根据天线系统从到达来波信号中获得信息以及对信息处理的方法，可以将测向系统分为两大类：标量测向系统和矢量测向系统。标量测向系统仅能获得和使用到达来波信号有关的标量信息数据，矢量测向系统可以获得和使用到达来波信号的矢量信息数据；标量测向系统仅能单独获得和使用电磁波的幅度或者相位信息，而矢量测向系统可以同时获得和使用磁波的幅度和相位信息。

    1 TS201的主要特点

    ADSP-TS201采用超级哈佛结构，静态超标量操作适合多处理器模式运算，可直接构成分布式并行系统和共享存储式系统。其性能如下：

    （1）工作主频可达600 MHz,指令周期为1.67 ns.支持单指令多数据（SIMD）操作。

    （2）支持IEEE32位、40位浮点数据格式和8位、16位、32位和64位定点数据格式。

    （3）4条128位的数据总线与6个4 Mb的内部RAM相连。

    （4）32位的地址总线提供4 G的统一寻址空间。

    （5）对与多片处理器的无缝互连提供片上仲裁。

    ADSP-TS201处理器由处理器核和IO接口两部分组成，结构框图如图l所示。其中处理器核由两个计算块、两个整型算术逻辑单元、程序控制器组成。IO接口由内部存储器、外部设备接口、14通道的DMA控制器、全双工的LVDS链路口、IEEEll49.1JTAG接口组成。内部存储器为24 Mb DRAM,外部设备接口包括SDRAM控制器、EPROM接口、主机接口、多处理器接口。

    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

    MUSIC 算法是利用接收数据的协方差矩阵（Rx）分离出信号子空间和噪声子空间，利用信号方向向量与噪声子空间的正交性来构成空间扫描谱，进行全域搜索谱峰，从而实现信号的参数估计。MUSIC算法是空间谱估计发展史上具有里程碑意义的算法，它实际上已经成为空间谱估计方法和理论的重要基石。其特点是测向分辨率高；对信号个数、DOA、极化、噪声干扰强度、来波的强度和相干关系可以进行渐近无偏估计；可以解决多径信号的DOA估计问题；可以用于高密度信号环境下的无线测向。如果噪声子空间大于信号子空间，MUSIC算法有更好的性能。

    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[2]、基于特征空间（ESB）[3,4]、预投影变换[5]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；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。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，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6个4 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，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。