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基于ADSP21161的比相測(cè)距雷達(dá)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要：介紹了ADSP21161的結(jié)構(gòu)及性能，主要討論了其在連續(xù)波比相測(cè)距雷達(dá)中的應(yīng)用。介紹了比相測(cè)距雷達(dá)的基本原理，分析以DSP為核心的雷達(dá)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論了軟件部分的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明，整套系統(tǒng)較好地滿足了設(shè)計(jì)要求。連續(xù)波雷達(dá)具有測(cè)量精度高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)波比相測(cè)距雷達(dá)繼承了連續(xù)波雷達(dá)的固有優(yōu)點(diǎn)，由于采用了FFT比相技術(shù)，不僅克服了一般連續(xù)波雷達(dá)測(cè)距困難的缺點(diǎn)，而且又便于利用現(xiàn)代信號(hào)處理的新技術(shù)。隨著近年來低截獲概率雷達(dá)發(fā)展的需要，其研究日益受到人們的重視。采用新的數(shù)字信號(hào)處理器件，不僅大大降低了雷達(dá)本身的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，而且極大地提高了雷達(dá)的整體性能。
1 ADSP21161的主要特點(diǎn)
ADSP21161是美國(guó)AD公司生產(chǎn)的一款高性能的32位浮點(diǎn)處理器。在一個(gè)單獨(dú)的芯片上集成了具有強(qiáng)大浮點(diǎn)運(yùn)算能力的微處理器內(nèi)核、1Mbit的零等待SRAM、多種形式的外部接口和獨(dú)立的I／O控制器，構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)；超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)(SHARC)的CPU和高速指令Cache使得ADSP21161的指令均為單周期指令；6套獨(dú)立的總線分別用于程序存儲(chǔ)區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)(DM)，可以同時(shí)對(duì)PM和DM進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問；經(jīng)優(yōu)化的DMA和中斷的傳輸機(jī)制使得其與外部的數(shù)據(jù)交換獨(dú)立且并行于處理器內(nèi)核的運(yùn)算過程；片內(nèi)的主機(jī)接口和總線仲裁器可以使多片處理器無需任何附加資源即可構(gòu)成多處理器陣列。該處理器適用于各種高性能的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)和構(gòu)成多處理器陣列。
ADSP21161的主要特點(diǎn)包括：
(1)100MHz的內(nèi)核工作頻率；600MFLOPS(每秒百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算)的浮點(diǎn)運(yùn)算峰值；單片ADSP21161完成1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT僅需92μs。
(2)32位單精度(或40位擴(kuò)展精度)IEEE浮點(diǎn)DSP處理器內(nèi)核；有3個(gè)獨(dú)立的關(guān)聯(lián)計(jì)算單元(分別為算術(shù)／邏輯單元、乘法器和移位器)；完備的算術(shù)運(yùn)算指令集；具有16個(gè)通用寄存器組；所有運(yùn)算指令均為單周期指令；支持零等待循環(huán)執(zhí)行和條件轉(zhuǎn)移。
(3)片內(nèi)集成2M／1M雙端口零等待時(shí)間的SRAM存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器(PM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(DM)。雙端口的設(shè)計(jì)使得DSP處理器內(nèi)核、DMA控制器和I／O處理器能快速、獨(dú)立地對(duì)存儲(chǔ)器存取。
(4)兩套相同的運(yùn)算處理單元，支持單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)結(jié)構(gòu)；利用并行的總線結(jié)構(gòu)，在一個(gè)周期內(nèi)可以執(zhí)行一次乘法器運(yùn)算和一次ALU運(yùn)算，同時(shí)還可以對(duì)雙端口SRAM進(jìn)行一次讀或者寫的操作。
(5)兩套相同的地址產(chǎn)生單元，有效地支持SIMD結(jié)構(gòu)，支持循環(huán)緩沖區(qū)尋址、廣播加載尋址和位反序?qū)ぶ返榷喾N尋址方式，非常適合用于數(shù)字信號(hào)處理。
(6)獨(dú)立于處理器內(nèi)核的I／O處理器具有DMA控制、存儲(chǔ)器映射和與處理器外部通信的功能；14個(gè)DMA通道與雙端口SRAM配合使用，實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器、外圍輔助設(shè)備、主機(jī)、串行口、鏈路口之間的并行傳輸而不影響DSP處理器內(nèi)核的運(yùn)算過程；8個(gè)串行口和2個(gè)鏈路口構(gòu)成的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接很容易構(gòu)造多處理器系統(tǒng)。
2 比相測(cè)距雷達(dá)的基本原理
連續(xù)波比相測(cè)距雷達(dá)在頻域完成目標(biāo)的距離、速度等參數(shù)的測(cè)量，其基本原理如圖1所示。假設(shè)發(fā)射兩個(gè)頻率為f0、f1且頻差為△f的連續(xù)正弦波，其中△f = f1- f0。為了討論方便，所有信號(hào)幅度均取為1。發(fā)射信號(hào)的兩個(gè)分量的電壓波形可分別寫為：
由于多普勒效應(yīng)，回波信號(hào)產(chǎn)生了頻移。接收機(jī)將兩個(gè)回波信號(hào)區(qū)分開來，通過混頻、低通濾波、正交雙通道處理、A／D變換，得到兩個(gè)多普勒頻移信號(hào)的時(shí)域離散表達(dá)形式為：
式中，T為數(shù)據(jù)采樣周期；fdo／fd1為對(duì)應(yīng)發(fā)射信號(hào)的多普勒頻率；c為光速；R0為初始時(shí)刻的距離。
對(duì)x0(n)和x1(n)分別做FFF處理，搜索出譜峰位置。根據(jù)譜峰位置可求得目標(biāo)的徑向速度，求出譜峰位置的相位。利用兩者的相位差即可確定目標(biāo)對(duì)應(yīng)的距離。
3 跟蹤控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
跟蹤控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)給出目標(biāo)的速度、距離、角度和信噪比等信息，并能對(duì)雷達(dá)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，以使雷達(dá)波束始終跟蹤住目標(biāo)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3．1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
跟蹤控制系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示，它主要包括數(shù)據(jù)鎖存電路、FIFO存儲(chǔ)電路、計(jì)數(shù)控制電路、DSP最小系統(tǒng)四大部分，其中DSP最小系統(tǒng)又包括ADSP21161、EEPROM和SDRAM三個(gè)主要組成部分。
前端的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻、濾波、A／D轉(zhuǎn)換等一系列處理后，輸出時(shí)域離散的多普勒頻移信號(hào)。數(shù)據(jù)鎖存電路對(duì)前端輸入的離散多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行鎖存，將需要的數(shù)據(jù)寫入FIFO存儲(chǔ)電路。FIFO存儲(chǔ)電路主要用于存儲(chǔ)ADSP21161所需的處理數(shù)據(jù)，它要受計(jì)數(shù)控制電路的控制。當(dāng)計(jì)數(shù)控制電路達(dá)到設(shè)定計(jì)數(shù)值時(shí)，F(xiàn)IFO停止寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)數(shù)控制電路向DSP發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)。測(cè)量開始的時(shí)候，ADSP21161從嵌入式微機(jī)接收一組控制參數(shù)，并對(duì)計(jì)數(shù)控制電路進(jìn)行初始化。在接收到計(jì)數(shù)控制電路發(fā)出的中斷信號(hào)時(shí)，ADSP21161開始從FIFO存儲(chǔ)電路讀取經(jīng)預(yù)處理后的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行FFF等一系列的數(shù)字信號(hào)處理，最后得出目標(biāo)的速度、相位差和信噪比等參數(shù)，并利用ADSP21161的主機(jī)接口將這些結(jié)果參數(shù)發(fā)送到嵌入式微機(jī)，計(jì)算出俯仰和方位誤差角之后送往伺服系統(tǒng)，以使雷達(dá)始終跟蹤住目標(biāo)，并在終端上實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的有關(guān)參數(shù)。EEPROM用于存儲(chǔ)ADSP21161的軟件代碼及程序所需的一些數(shù)據(jù)。SDRAM則用于解決實(shí)時(shí)信號(hào)處理過程中ADSP21161片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不夠的問題。
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