（控制理论与控制工程专业论文）毫米波敏感器信号检测与处理.pdf

摘要 本研究以总装备部某预研课题为研究背景，以现代目标识别理论及信号处 理理论为基础，利用通用d s p 芯片的高效性和实时性的特点，设计了毫米波复 合探测器的信号检测与目标识别系统。 本设计将数字信号处理和目标识别的理论与数字信号处理器的应用相结 合，以毫米波敏感器在军事中的应用为背景，在d s p 的硬件设计和软件算法设 计两方面进行了深入研究。由于毫米波敏感器目标识别系统对探测信号的数据采 集、存储、信号预处理及目标识别对于实时性的要求非常高，本文采用t i 公司 的通用可编程定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 x 系列芯片进行毫米波探测器目标识别 系统的设计，能很好的满足实时性的要求，并适用于更复杂、更有效的目标识别 算法。 在硬件上，本设计选用t m s 3 2 0 v c 5 4 i o 芯片为核心来进行目标识别系统的 硬件设计，采用t l c 5 5 1 0 模数转换芯片和a d 7 8 2 4 模数转换芯片来完成数据采 集，利用s s t 3 9 v f 2 0 0 实现程序及数据存储，形成以5 4 1 0 为核心的完整独立数 字信号处理与控制系统。在软件上，研究设计出完整的系统软件。 由于神经网络是一种大规模、并行、分布式信息处理系统，本文以神经网 络理论为基础，提出了具有自适应性的目标识别算法，并将之应用于毫米波复合 敏感器的目标识别，建立并讨论了相应的理论模型及实现方案。 芙键词：毫米波敏感器d s p 处理系统目标识别软件设计 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa f f i l i a t e do n eo ft h en a t i o n a ld e f e n c ep r e p a r a t o r ys t u d yt a s k ，b a s e d o nt a r g e tr e c o g n i t i o nt h e o r ya n ds i g n a lp r o c e s s i n g o nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rd e s i g n s t h et a r g e tr e c o g n i t i o ns y s t e mo f m m wd e t e c t o ru s i n gt h eu n i v e r s a ld s r b a s e do nt h em a r t i a la p p l i c a t i o no fm m wd e t e c t o r , t h i sd e s i g nc o m b i n e st h e t h e o r yo ft a r g e tr e c o g n i t i o na n dt h es i g n a lp r o c e s s o ra n dm a k et h ed e e p l ys t u d yo n b o t hh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g c o n s i d e r i n gt h eh i g h l yr e q u e s to f r e a lt i m ei nt h es y s t e m ，i nt h i sp a p e rw ec h o o s et h ep r o g r a m m e df i x e d p o i n td s p ： t m s 3 2 0 c 5 4 xc a t e n ac h i po ft ii n c t od e s i g nt h et a r g e tr e c o g n i t i o ns y s t e m t h i s s y s t e mc a nb ef i tf o rt h er e a lt i m ej o b ，f u r t h e rm o r ei ta d a p t st om o r ec o m p l e xt a r g e t r e c o g n i t i o ns o f t w a r e i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0i st h ec o r eo f t h i ss y s t e m ，t l c 5 5 1 0a n d a d 7 8 2 4w i l la c c o m p l i s ht h ea ds a m p l i n g ，s s t 3 9 v f 2 0 0i sm a d en s eo fr e a l i z i n gt h e d a t em e m o r y , u s i n gt h e s ec h i p sa n do t h e rc o m p o n e n t sw eb u i l d u pa l li n t e g r a t e d i n d e p e n d e n td i g i t a lp r o c e s sa n dc o n t r o ls y s t e m i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ew h o l e s o f t w a r es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d n e u r a ln e t w o r k si sal a r g e - s c a l ep a r a l l e ld i s t r i b u t e ds i g n a lp r o c e s ss y s t e m a b i l i t y o ft h en e u r a ln e t w o r k s ，a n dc o n s e q u e n t l ya c q u i r ea c c u r a t ec l a s s i f i e dp r e c i s i o ni n t h i sp a p e r , w eb u i l dt h es e l f - a d a p t e dt a r g e tr e c o g n i t i o na r i t h m e t i c ，a n da p p l yt h i s a r i t h m e t i ci n t ot h et a r g e tr e c o g n i t i o nt a s ko fm m w d e t e c t i n gs y s t e m f i n a l l yd i s c u s s t h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a lm o d e la n dr e a l i z a t i o np r e c e p t k e y w o r d s ：m m wc o m b i n e ds e n s o r ；d s ps i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m t a r g e ti d e n t i f i c a t i o n ；s o f t w a r ed e s i g n 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着科学技术的进步，各种高科技新式武器在现代战争中着越来越起重要 的作用，武器系统的性能得到大幅度的提高，集中表现在精确制导、高精度传感 器系统和实时数据处理与通信系统三个方面。在海湾战争中，多国部队使用的各 种导弹、末制导炮弹多达五十余种，这标志着能够精确打击目标的弹药已经成为 现代战争中的主要突击力量。 与微波探测相比较，毫米波探测系统具有精度高、抗干扰能力强、性能好、 体积小等优点。尽管毫米波段的大气传播衰减高于微波，但在近距离下仍具有全 天候工作能力。因此，毫米波是精确制导武器较为理想的选择波段。目前，美国 研制的通用型“萨达姆”( s a d a r m ) 1 5 5 r a m 末敏子弹、德国最新研制的末敏弹 “灵巧1 5 5 ”( s m a r t 一1 5 5 ) 等均采用了毫米波复合探测体制。 本文以总装备部某研究课题为研究背景，重点研究了毫米波敏感器的信号 检测与处理技术。 1 2 毫米波及毫米波敏感器 由于毫米波具有诸多优点，在现代军事方面，各种毫米波探测系统得到了广 泛的应用。 1 2 1毫米波及其特点，3 】 毫米波的工作频率介于微波和光波之间，因此兼有两者的优点。它具有以 下主要特点： ( 1 ) 带宽极宽。通常认为毫米波频率范围为2 6 5 3 0 0 g h z ，带宽高达 2 7 3 5 g h z 。超过从直流到微波全部带宽的1 0 倍。即使考虑大气吸收，在大气中 传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的e 2 , 带宽也可达1 3 5 g h z ，为微波 以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。 ( 2 ) 波束窄。在相同的天线尺寸下，毫米波的波束要比微波的波束窄得多a 毫米波敏感器信号检测与处理 因此相对于微波，毫米波可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的 细节。 ( 3 ) 与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天 候的工作能力。 ( 4 ) 和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小 型化。 由于毫米波具有上述突出的优点，加上毫米波元器件的生产、加工技术的 迅速发展，毫米波得n t 重视与应用，尤其在精确指导武器与技术领域内得到了 广泛应用。 1 2 2 毫米波敏感器 毫米波探测器的工作方式可分为被动式和主动式两种。被动式毫米波探测 器即毫米波辐射计，是一种毫米波辐射信号的高灵敏度接收机。它不发射信号， 工作频带宽，具有抗干扰能力强、隐蔽、无目标闪烁等优点。但其也有工作距离 近、获得的目标信息量少等缺点。主动式毫米波探测器即毫米波雷达，其不但能 探测到目标的距离、方位和速度，而且能获得良好的距离、角度和速度分辨力， 但其工作在近距离时容易产生目标闪烁效应。由此可以看到，毫米波雷达和辐射 计两种工作体制之间存在着优势互相补充、缺点互相弥补的特点，所以毫米波主 被动体制的复合成为必然。这样不仅提高了探测距离、消除了目标闪烁效应，而 且能够获得更丰富的目标信息。 1 3 数字信号处理与数字信号处理系统 数字信号处理( d i 垂t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是- - ；7 新兴的高科技技术，它广泛用 于雷达、语音、通信、图象处理、机器人等方面。以往采用通用的微处理器来完 成大量数字信号处理运算，速度较慢，难以满足实际需要。数字信号处理器( d 诤t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 的出现很好地解决了上述问题。 1 3 1 数字信号处理理论及其实现方法 2 0 世纪6 0 年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技 硕士学位论文 术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以 数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得 到符合人们需要的信号形式。数字信号处理在理论上所涉及的范围及其广泛，数 学领域中的微积分、概率统计、随机过程、数值分析、复变函数等都是它的基本 工具，网络理论、信号与系统等均是他的理论基础。在应用上，数字信号处理又 与最优控制、通信理论、故障诊断等等紧密相连。近年来又成为人工智能、模式 识别、神经网络等新兴学科的理论基础之一。其软硬件实现又与计算机科学和微 电子技术密不可分。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种9 1 ： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 编程实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现。这种方法主要在一些 专门场合下用于算法调试； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s 一5 l 、9 6 系列等) 实现。这种方法可用于一些 不太复杂的数字信号处理，如数字控制等： ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适 合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于需要复杂数字信号处理算法的系 统： ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极 高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算 法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需 进行编程。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于信号处理 算法的模拟；第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2 种方法 也不便于系统的独立运行：第3 种方法只适用于实现简单的信号处理算法：只有 第4 种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 1 _ 3 2 数字信号处理器及数字信号处理系统 d s p 芯片又称数字信号处理器，是一种特别适用于实时数字信号处理的微 处理器。d s p 芯片与现在广泛应用的单片机芯片相比有着更为突出的优点，如内 毫米波敏感器信号检测与处理 部带有硬件乘法器、累加器，采用哈佛( h a v a r ( 1 ) 流水线工作方式及并行结构，多 总线，速度快，配有适于信号处理的指令等。 数字信号处理系统以数字信号处理理论为基础，因此具有数字处理的全部 优点f 1 5 】： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相 互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口容易 得多； ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程中 灵活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。将模拟信号数字化后可以得到很高的运算精度，例如1 6 位数 字系统可以达到1 0 。的精度： ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能的影响比较大，而数字 系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的部件多为数字器件，具有高度的规范性，便于 大规模集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理任务， 如与模拟交换线的电话接口时，若采用d s p 芯片设汁则使成本增加。d s p 系统 中的高速时钟则可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消耗的功 率也较大。此外，d s p 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还 不尽完善。 虽然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优势已经使之在通信、语音、 图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 1 4 本文工作简介 完善的毫米波敏感器包括天线、信号收发系统、信号放大检波系统和信号 检测与处理系统等部分。本设计以毫米波复合敏感器为背景，主要对它的信号检 测与处理系统进行了软硬件的设计和调试，所做工作具体如下： 硕士学位论文 ( 1 1 采用t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片为核心，进行了目标识别系统的硬件设计， 包括核心处理器电路、基于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的数据采集电路、程序数据存储电 路以及系统在脱离仿真环境独立运行的所需要的处理电路等。 ( 2 ) 研究了毫米波敏感器目标识别算法及其在c 5 4 x 芯片上的具体实现。 f 3 ) 用c 5 4 x 汇编语言及c 语言编写了系统运行的程序，对软硬件系统进行 了集成调试。 一 墨查鉴壁垒墨堡兰竺型皇丝翌 第二章毫米波敏感器信号处理系统 2 1 毫米波敏感器工作原理及理论模型 本文所讨论的毫米波敏感器为复合体制，系统分为主动通道和被动通道，系 统上电后，两路通道同时工作。本节对主动、被动两路通道的工作原理以及数学 模型进行了介绍和讨论。 2 1 1 毫米波被动探测系统m ，5 1 一、毫米波辐射计工作原理 物质内部电子和质子运动使物体产生电磁辐射。广义地讲，任何物体都是一 个辐射源，在一定温度下要发射电磁波，同时也被其它物体发射的电磁波所辐射。 毫米波被动探测就是对物体在毫米波段的电磁辐射进行探测的。 在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能变为辐射能的理想辐射体叫 作黑体。在毫米波段，黑体就是能吸收落在它上面的全部毫米波辐射而无反射的 物体。 目标体的辐射强弱一般用亮度温度来表示，它等于相应频带内辐射强度相 同的黑体温度。根据目标体辐射特性有： 瓦= t ( 2 ，1 ) 考虑到目标体对天空和大气辐射的散射和反射，( 2 1 ) 式可改写成： = s 乙。+ p 乙。( 2 2 ) 其中为比例系数( 0 s 1 ) ；卢为物体的反射系数( 0 尸 1 ) ；乙。为目标 的环境温度；t “为天空温度。而和p 之间满足 占+ p = 1( 2 3 ) 由( 2 2 ) 式、( 2 3 ) 式得： 兀= 瓦。6 + 占一( e h 一瓦。)( 2 4 ) 毫米波段天空温度一般至少比环境温度高2 0 3 0 k ，它对物体的照射与成像 关系十分密切。从( 2 4 ) 式可以看出：如果天空温度与目标环境温度相等，则目标 6 硕士学位论文 亮度温度等于环境温度，无法分辨。正是由于天空温度和目标环境温度二者之间 存在着温差，物体的反射系数又与观察方向有关，目标亮度温度随观察方向改变， 形成被动式雷达像。目标的热辐射成像主要取决于目标温度、灰度系数；反射和 散射能量也占有相当大的比例。毫米波被动探测系统工作时由天线接受温度描述 信号。通过混频器得到差频信号，经中频放大器、检波器低频放大器放大检波后 进入信号处理电路进行识别处理。 二、毫米波辐射计输出信号的数学模型u ，4 , 5 l 不同物质的辐射温度差别很大，一般来说“1 ，相对介电常数商的物质，发射 率小，反射系数高。所以在同样的物理温度下，高导电材料的辐射系数低，辐射 温度低，即较冷。利用金属与其它物质辐射温度的这种差异，即可探测出金属目 标。 为分析方便，假设目标正好充满整个波束，大气衰减忽略。当辐射计扫到金 属目标时，天线附近的温度为： 兀7 = p r 瓦+ p ，l ， 式中p ，为金属目标的发射系数，瓦为天顶的毫米波辐射温度 毫米波辐射温度。 ( 2 5 ) 地面和金属目标的对比度为： 弓= 瓦g ( 臼，巾，p i ，a f ) 一r ( 2 6 ) 其中，。为天线扫描到背景时的天线温度。此对比度弓可达到几百k ，应超 过辐射计的接收灵敏度，因此可检测到地面金属目标。 我们可以利用天线方向图计算天线温度，从而导出辐射计信号模型。设接收 天线功率方向图为g ( o ，妒) ，由天线理论知，天线有效接收面积为： 似) g ( 帅) + 篆 ( 2 7 ) 当带宽 厶( 2 1 8 ) 通常选择为 ( 5 lo ) 兀。 从测距角度，根据最大作用距离r 。选择，即 赤 ( 2 ”) 毫米波雷达工作在近距离时，此条件必然满足。一般从保证近程雷达的工f 常工作 出发，还需按脉冲引信的时间空间观点来选择脉冲重复频率，即要求储 能器正常工作所需要的脉冲数应在目标飞越距离不超过某一数值l 的时间内实 现，可得到 和等 ( 2 2 0 ) 式中：u ，为目标与雷达的相对速度；址根据目标的用途和应用条件得到。 由于作用距离近，目标不能再认为是点目标，使得目标反射特性极为复杂。 不仅目标的各个部位到雷达的距离不同，而且反射的相位也不同。因此毫米波脉 冲多普勒雷达不仅能获得目标的距离、速度信息，其目标回波还蕴含目标散射信 息，有利于目标识别。 2 , 1 3 毫米波主被动复合探测系统 毫米波主动、被动探测技术在实际应用中各有所长m ，”。被动探测不发射信 号，目标波形闪烁效应小，可准确地探测目标中心，但无法测速、测距，作用距 毫米波敏感器信号检测与处理 离较近。毫米波主动探测能够获得丰富的目标多散射结构信息、速度和距离等信 息，在近区却存在严重的闪烁效应。因此完善的毫米波探测系统应包括主动式和 被动式两种体制。毫米波复合探测系统即为一种雷达与辐射计组合的复合式系 统。常见的毫米波复合体制有主动、被动频率同频分时复合体制，先主动后被动 同频复合体制，主动、被动异频复合体制等。 一、复合探测器的工作原理 毫米波主被动探测器的探测精度与作用距离密切相关i t , 5 。作用距离较远时， 主动式探测器的跟踪精度较高；随着作用距离减小，则会产生目标闪烁效应，探 测精度也随之大大下降。如果探测器在远离目标时工作于主动方式，随着系统与 目标接近，系统由主动式转换为主、被动复合方式，就可以在作用距离内有较好 的探测精度。图2 2 为毫米波复合探测器的系统原理图： 垣呻鬣黧卜匪 发劓源h 叫调制器 l ! 墨塑整查量 目标被动信号上 信号识别 处理系统 主动测距信号 检波器l i 目标主动信号 测距输出信号，tii 3 0 0 m1 5 0 m1 0 0 m5 0 m 识别输m 信号 图2 2 毫米波复合探测系统原理幽 f i g 22 b l o c kd i a g r a mo f m i l l i m e t e rw a v es e n s o r 整个系统分为主动和被动两个通道。主动通道由天线、环流器、发射源、调 制器、中频放大器、混频器、视频放大器、检波器及信号识别处理系统等部分组 成，主要用于测距和目标识别。被动通道由天线、环流器、混频器、中频放大器、 检波器、低频放大器及信号处理识别系统等部分组成，主要对接收到的目标回波 进行识别。 系统上电后首先进入主动测距工作，当所测距离到达设定范围后，转入主被 动复合识别程序。主动通道的振荡器产生毫米波射频信号，天线将调制后的射频 硕士学位论文 信号发射到空间，并接收目标反射的信号；天线所接收的反射信号经混频器处理 后获得有用的差频信号，经过放大和检波处理后进入信号识别处理系统，通过测 量发射波与回波信号之间的延迟时间f ，便可确定雷达和目标之间的距离 r = c r 2 ( 其中f 为电磁波在空气中的传播速度) 完成测距功能。另一方面，由视 频放大器输出的回波信号经过数字切换器去除泄漏信号并经过检波处理后，便可 以进行识别处理。 二、被动通道主要指标1 , 3 , 4 , 5 1 1 、灵敏度咒。 设被动通道系统带宽b 。= 5 0 0 m h z ，取积分时间r = 2 m s ，环境工作温度 死= 2 9 0 k ，考虑到与主动通道公用部件及其它连接等射频损耗的影响，设双边 带噪声系数只= 7 d b ，则理想灵敏度为 一番扎4 5 世 亿2 1 ， 2 、作用距离 当天线波束中心对准目标中心时，天线温度的变化量瓦可用下式来估算： 瓦= 1 一e x p ( 一b a r 积2 ) ( 2 2 2 ) 式中，丁为目标与背景之间的温度对比；a ，为目标等效辐射面积：b 为天 线方向图系数：r 为作用距离。 根据式2 2 1 和式2 2 2 ，可以计算出辐射计理想信噪比为 s ，= 疋，l 。= 垒三1 l = j i ；警( z 2 s ) 将各参数代入即可算出不同信噪比要求下辐射计的作用距离。 三、主动通道主要指标u , 3 , 5 1 1 、雷达测距精度 雷达测距精度可表示为 址= 去 b z 。， z 丘。， 毫米波敏感器信号检测与处理 式中c3 旬y e n _ ：b 。为发射脉冲的等效带宽，当发射脉冲宽度f = 5 0 n s 时 b 。= 2 0 m h z ，根据式2 2 4 可以得出测距精度为a r = 7 5 m 。 2 、作用距离 忽略大气影响，根据雷达方程，接收机输入端的信噪比与作用距离的关系可 由式2 2 5 算出： s n r ：熹黩 ( 2 2 5 ) ( 4 丌) 3r 4 k t o b f l 、 式中# 为发射功率；五为工作波长；召为系统带宽；，为系统噪声系数；三 为射频损耗；g 。为天线增益；k 为玻尔兹曼常数；盯。为雷达目标散射面积；瓦 为环境温度；r 为作用距离。 2 2 毫米波敏感器的信号处理系统 毫米波复合敏感器可在复杂背景下对目标进行检测与识别，信号识别处理系 统是毫米波敏感器中完成信号处理的核一1 5 , 部分，本文所讨论的信号处理系统为主 被动复合系统，它以视频放大器和低频放大器输出的含有目标信息的回波信号作 为输入，对其进行信号的变换与处理，并根据波形所包含的特征进行距离的测定 以及目标的识别工作，并给出相应的输出信号。 由于被动系统不发射信号，无法测距，因此测距工作通过主动通道完成，目 标信号由天线接受，经过放大器进入信号处理系统，系统对回波进行处理，测量 敏感器与目标的距离，并将所测得的距离分类输出。目标识别工作由主动、被动 两个通道共同完成：主动、被动探测系统将带有目标信息的回波信号送入信号处 理系统，经过预处理、信号变换及目标特征提取，然后根据目标识别理论算法， 对目标进行识别处理，最后给出识别结果。 为了提高信号识别处理系统处理速度和检测、识别的精度，本文研究了以 d s p 为核心处理器的敏感器信号处理系统。由于采用了流水线方式，无间断地完 成数据的实时输入输出，d s p 芯片的信号处理速度可以达到通用微处理器的4 1 0 倍。实验结果表明，采用这种设计方法可以满足系统采样速率快、信号实时 处理和数据处理精度高的要求。 4 硕士学位论文 第三章毫米波复合敏感器信号处理系统硬件设计 3 1毫米波复合敏感器信号处理系统硬件结构 毫米波复合敏感器信号处理系统用于信号的采集、处理与识别。如图3 1 所 示，识别器由d s p 、a d 转换器、程序存储器、电压转换器、数据总线驱动器、 去漏检波电路等部分组成。 号 动信号 图3 1毫米波敏感器信号处理系统原理框图 f i g 3 1 b l o c kd i a g r a mo fs i g n a lp r o c e s ss y s t e m 本系统测距部分为单一主动系统，主动信号经放大后直接送入系统，由测距 a d 采样后进行处理。系统的识别部分为主被动复合系统，目标得被动信号直接 送入识别a d 。目标主动信号经过去漏检波电路去除泄漏信号并检波后进入识别 a d 。考虑到d s p 数据输入信号为3 3 v ，而a d 采样芯片输出为5 v ，所以在a d 芯片和d s p 芯片之间需要加接一片电平转换器，以实现d s p 与外设之间的信号 匹配。 系统上电后首先进行测距工作，包含距离信息的目标回波经过主动通道进入 a d 采样器，a d 将采样所得数据送入d s p 进行处理判断。根据系统要求，敏感 器与目标的距离分为四档，分别对应四个输出。当d s p 测得敏感器与目标之间 的距离后，将其归类于预定的四个距离档，给出相应的输出。当所测距离满足一 定条件后系统转入识别工作。敏感器工作时在目标上空处于高速旋转状态，识别 工作要求当敏感器经过目标中心上方时，d s p 给出识别信号。 毫米波敏感器信号检测与处理 3 2 系统中央处理器的选择 在嵌入式系统应用中，目前常用的中央处理器有很多种如：单片机、a r m 、 d s p 、f p g a 等等。选择一个合适的中央处理器直接决定了整个系统的工作性能 与成本。上述几种处理器各有其特点，在不同系统中可以单独使用某一种，也可 以多种处理器同时使用。 d s p 芯片也称数字信号处理器【6 】，是一种特别适合于进行数字信号处理运算 的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。d s p 作为可 编程超大规模集成电路( v l s i ) 器件，是通过可下载的软件或固件来实现扩展算法 和数字信号处理功能的，其最典型的用途是实现f i r 滤波器和f f t 算法。在硬 件上，d s p 最基本的构造单元是被称为m a c 的乘加器。它通常被集成在数据通 道中，这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，d s p 芯片还 有若干个独立的片内存储器、r o m 、r a m 、并行功能单元、锁相环( p l l ) 、振荡 器、几条8 位或1 6 位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电保 存数据的要求，d s p 芯片还采用了诸如闪速1 字储器、铁电存储器等技术。当前， 大多数的d s p 芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使 得处理指令和数据可以同时进行，提高了处理效率。另外还采用了流水线技术， 将取指、取操作数、执行指令等步骤的指令时间重叠起来，大大提高了运算速度。 d s p 芯片的c p u 结构专为数字信号处理而设计，而其片上外设也一般用来 提供与高速外围设备的接口，从而使d s p 芯片成为数字信号处理应用中的主导 处理器，尤其是在实时、快速的信号处理应用中。正是由于d s p 芯片的这种特 征，d s p 芯片在与一些慢速设备如键盘、l c d 显示器等的连接中效率并不高， 同时为满足实时处理的要求，d s p 往往不适合频繁的任务切换。而通用的微控制 器m c u 如单片机和a r m e 3 0 l 在数学计算和数据寻址上都不如d s p ，却适合承载 操作系统完成复杂任务。单片机结构简单价格低廉，通常适用于简单的小型系统。 而在现在的很多应用中，如多媒体信号处理，不仅需要系统强大的信号处理能力， 同时也要求系统有完善的外围接口能力和多任务管理能力，a r m 则适用于这些 复杂系统。与通用微处理器相比，d s p 芯片的其他通用功能相对较弱些。 f p g a 1 6 1 指的是现场可编程门阵列，它的基本功能模块是由n 输入的查找表、 存储数据的触发器和复路器等组成。由于f p g a 内部结构的特点，它可以很容易 硕士学住论文 的实现分布式的算法结构，这一点对实现无线通信中的高速数字信号处理十分有 利。因为无线通信中通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量 的乘和累加操作，而通过分布式的算术结构，f p g a 可以有效地实现乘和累加操 作。f p g a 器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水 线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由f p g a 实现的计 算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于f p g a 可动态地 配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线形函数，因此有可能在很少 的几片甚至一片f p g a 中集成一个支持所有标准的系统。 不过，由于现有的f p g a 的开发系统几乎都是为a s i c 的原型验证而设计的， 导致这些开发系统在f p g a 资源的利用效率方面比较差。v h d l 语言可大大提高 设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面v h d l 的设计方法还有一定的局 限性，还不能提供f p g a 布局布线的优化和约束。此外f p g a 现有的面向信号处 理的工具和i p 模块还比不上发展较为成熟的d s p 所有拥有的工具和软件。这也 形成了f p g a 的个重大缺点：有分析表明，优化f p g a 复杂信号处理功能所花 费的时间是优化d s p 的5 倍。尽管存在这种缺点，f p g a 的巨大性能优势还是 使其成为一些高端信号处理应用的技术选择。 在本系统中，考虑到处理器主要用于实时数据处理，而外围接口很少，也不 需要操作系统和人机界面，所以单片机和a r m 并不适合。f p g a 用硬件实现数 据处理。功能强大，实时性好，但其成本较高，开发周期较长。与f p g a 相比而 言，d s p 是通用的信号处理器，用软件实现数据处理，算法灵活。且成本较低， 开发周期短。所以，综合以上因素，系统采用d s p 作为中央处理器。 3 3t m s 3 2 0 v c 5 4 x d s p 简介1 3 ，1 4 t m s 3 2 0 v c 5 4 x 芯片系列是t i 公司作为一大类新型而重要的阶段性数字信 号处理器，在各种应用领域正在显示出越来越重要的应用。其软件和硬件都比 t m s 3 2 0 c 2 x 和c 3 x 有所改进。它与c 2 5 相比，结构为1 6 b i t 定点，具有更高的 时钟频率，其指令周期分别为5 0 n s 、3 5 n s 、2 5 n s 、1 0 n s ；更多的片上r a m ，且 为双端口；增加了一个3 2 b i t 的累加器缓冲器：增加了一个1 6 b i t 的并行逻辑单 元p l u ；具有循环寻址方式，延迟转换及四级流水线操作等功能。在c 5 4 x 芯片 毫米波敏感器信号检测与处理 系列中不同的也有大的区别；c 5 4 0 8 、c 5 4 0 9 和c 5 4 1 0 的程序存储空间由1 2 8 页 6 4 k 长的地址空间组成；而相比之下c 5 4 0 2 却只有1 6 页存储空间。此外c 5 4 x 系列芯片还具有增强哈佛结构；c p u 中有适用于特殊应用的硬件逻辑：具有片 上外设和高效的专用指令集等，具有灵活性高和速度快的特点。 t m s 3 2 0 v c 5 4 i o 体系结构包括c p u 、存储器和片上外设三个部分。存储空 间分别设置程序和数据处理空间，使同时存取程序指令和数据成为可能。并行指 令和特殊应用也能完全利用这个体系结构。而数据可以在程序存储空间和数据空 间自由移动，不仅使这种并行结构能在单指令周期内完成全部的算术、逻辑和位 操作，丽且能同时控制硬件，这又大大方便了诸如管理中断、重复操作和子程序 调用的动作。其总线结构是8 条1 6 总线( 四程序数据总线和四地址总线) ；程序 总线从程序存储器装载指令码和立即操作数，而三条数据总线负责将片上的各个 部分相互连结，四地址总线负责装载指令执行所需要的地址。c p u 包括一个4 0 位a l u 、两个4 0 位累加器、桶形移位寄存器、1 7 1 7 位乘法器、一个4 0 位加 法器、比较和存储单元、数据地址产生单元和程序地址产生单元。它们将完成相 应的数操作、乘法、加法、选择和比较操作。一个周期的流水线作业分为独立的 六级：预取指、取指、译码、寻址、读数和执行。一个c p u 可以连结各种片上 外设。其选项视应用目的而变。还有三个串行口和外部总线接口以及用于仿真和 测试的i e e e l l 4 9 1 l 标准逻辑扫描电路。 3 4t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 片内及外围电路设计1 4 】 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的有着丰富的片内外设，如时钟、定时器、中断系统等。进 行d s p 系统设计时，首先应当对这些片内外设进行设计，这些片内外设的正常 设置是d s p 核心电路稳定工作的前提和基础。 本节对系统中所要用到的片内资源的设计和使用以及设计中遇到的问题进行 了分析和讨论，并给出了相应的解决方案。 3 4 1 双电压供电的设计 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片是低功耗的，它采用两种电压供电，一种是内核电压 ( 2 5 v ) ，主要为该器件的内部逻辑提供电压，包括c p u 和其它所有的外设逻辑； 硕士学位论文 另一种是i o 电压( 3 3 v ) ，主要用来和外部器件连接。与3 3 v 供电相比，2 5 v 供电可以降低4 4 的功耗。外部接口引脚仍然采用3 3 v 电压，这样可以直接与 外部低压器件相接，而无需额外的电平转换电路。供电设计中需要考虑的问题有： 1 、电流要求 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的电流消耗主要取决于器件的激活度，c v d d 消耗的电流主 要决定于c p u 的激活度，外设消耗的电流决定于正在工作的外设及其速度，一 般与c p u 相比，外设消耗的电流是比较小的。时钟电路也需要消耗- 4 , 部分电 流，而且这部分电流是恒定的，与c p u 和外设的激活程度无关。c v d d 为器件的 所有内部逻辑提供电流，包括c p u 、时钟电路和所有外设。d v d d 只为外部接口 引脚提供电压，消耗的电流决定于外部输出的速度和数量，以及在这些输出上的 负载电容。 2 、加电次序 由于有两个电源，所以需要考虑加电次序的问题。在理想情况下，d s p 芯片 上的两个电源应当同时加电，但是这一要求在某些场合很难做到。如果不能做到 同时加电，则应先对d v d d 加电，然后对c v d d 加电。d v d d 应不超过c v d d2 v 。 这个加电次序主要依赖于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的内部静电放电保护电路，内部保护 电路图如图3 2 所示。从图中可以看出，d v d d 不能超过c v d d 的电压为4 个二 极管压降( 约2 v ) ，c v d d 不能超过d v d d 的电压为1 个二极管压降( 约o 5 v ) ，否 则有可能损坏器件。 d v d d c v d d l ll l l i l i ，r l，r i，r l，r i i i 、 图3 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 内部保护电路 f i g 3 2i n t e r i o r p r o t e c t i v ec i r c u i to f t m s 3 2 v c 5 4 1 0 毫米波敏感器信号检测与处理 3 、t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的电源解决方案 t i 公司针对其d s p 产品提供了多种两路输出的电源芯片，如t p s 7 3 h d 3 0 1 ， t p s 7 3 h d 3 2 5 ，t p s 7 3 h d 3 1 8 。其中，t p s 7 3 h d 3 0 1 的输出电压为一路3 3 v 、一 路可调输出( 1 2 9 7 5 v ) ，t p s 7 3 h d 3 2 5 的输出电压为一路3 3 v 、一路2 5 v ， t p s 7 3 h d 3 1 8 的输出电压为一路3 3 v 、一路1 8 v 。每路电源的最大输出电流为 7 5 0 m a 。芯片还提供两个宽度为2 0 0 m s 的低电平复位脉冲。由于c 5 4 1 0 采用 3 3 v 2 5 v 供电，所以本系统选用t p s 7 3 h d 3 2 5 芯片。其接线电路如图33 。 ， 图3 3t p s 7 3 h d 3 2 5 为t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 供电接线图 f i g3 3 p o w e rs u p p l yc i r c u i to f t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 3 4 2 系统时钟的设计 由于d s p 及其它芯片工作都是以时钟为基准，如果时钟质量不高，那么系统 的可靠性、稳定性就很难保证，因此时钟电路是d s p 系统设计中非常重要的一 个环节。c 5 4 x 的时钟信号是由时钟发生器提供的。时钟发生器由内部振荡器和 锁相环电路两部分组成。时钟发生器要求有一个参考时钟输入，可以由两种方式 提供： 第一种方式：利用芯片内部提供的晶振电路，将一个晶体跨接到x l 和 x 2 c l k i n 引脚两端，使内部振荡器工作，x 1 和x 2 分别对地接一l o p f 的电容。 晶体及其辅助电容与d s p 的连接如图3 4 ( a ) 所示。 2 n 硕士学位论文 第二种方式：将外部时钟信号直接加到x 2 c l k i n 引脚，x 1 悬空。振荡器 可采用封装好的有源晶体振荡器。这种方法使用方便，因而应用较为广泛。晶振 与d s p 的连接如图3 4 ( b ) 所示。 ( a ) 图3 4t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的时钟连接 f i g 3 4 c l o c kc i r c u i to f t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 第一种方式所用的振荡器称为“晶体”，即通常所说的无源晶振，一般为2 脚封装，第二种方式所用的那种振荡器称为“晶振”，即通常所说的有源晶振， 一般为4 脚封装。两者在使用上各有优缺点：有源晶振容易起振，接上电源和地 就可以使用，由于不需外加辅助器件，所以工作较为稳定，但是体积一般较大， 价格比较高；无源晶振需则要加接辅助电容、起振反馈电阻、和反向器，共同构 成震荡电路，而其中的辅助器件一1 旦出现异常就会影响震荡电路，所以常常会出 现无法起振的问题，但它一般体积小，价格低。有源品振从其供电电压的角度可 分为+ 5 v 、+ 3 3 v 、+ 2 3 v 等几种。由于t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 芯片的接入电压为3 3 v ， 核心电压为18 v ，它的外部都是接3 3 v 的器件，所以其使用有源晶振时必须接 33 v 的晶振。 在本系统中选用第二种方法。晶振提供的时钟信号为1 0 m h z 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 的最高工作频率为1 0 0 m h z ，为了满足实时性的要求，由于系统 工作时对精度要求较高，所以希望c p u 处理的速度越快越好，那么需要考虑的 问题就是如何配置才能把1 0 m h z 的外部时钟频率倍乘到比较高的频率。 c 5 4 x 内部的p l l 兼有频率放大和信号提纯的功能。用高稳定的参考振荡器 锁定，可以提供高稳定的频率源。所咀，c 5 4 x 的外部频率源的频率可以比c p u 的机器周期的速率低，这样采用低频的外部频率源可以降低由于高速开关时钟所 造成的高频噪声。 c 5 4 x 系列芯片的锁相环p l l 有硬件配置和软件编程两种。t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 毫米波敏感器信号检测与处理 的p l l 是软件可编程的，具有高度的灵活性。它的时钟定标器提供各种时钟乘