基于DSP和FPGA的卫星测控多波束系统设计

1、基于dsp和fpga的卫星测控多波束系统设计卫星测控多波束系统主要针对卫星信号实施测控，它包括两个方面：信号波达方向(doa)的估量和数字波束合成。波达方向的估量是对空间信号的方向分布举行超辨别估量，提取空间源信号的参数如方位角、仰角等。数字波束合成也称为空域滤波，主要是按照信号环境的变幻自适应地转变各阵元的加权因子，在期望信号方向形成主波束，在干扰信号方向形成零陷，降低副瓣电平, 目的是在增加期望信号的同时最大程度的抑制无用的干扰和噪声，并提取实用的信号特征以及信号所包含的信息。用于测向和波束合成的算法无数，挑选合适的算法来满足系统的需求是一个重要方面。另一方面，该系统对实时性有一定的要求，

2、要求在限定时光内完成测向和波束合成权值的计算。二、tigersharc 芯片介绍tigersharc101s 是ad公司新近推出的高性能定/浮点dsp，具有极高的处理能力，它采纳静态超标量结构，既有超标量处理器所具有的大容量命令缓冲池和命令跳转功能，又可以在程序执行前就把命令级并行操作用编译器预测出来，其主要的性能指标为：(1)主频为250 mhz，即单命令周期为4 ns；有2个对等的处理单元来支持simd（单命令多数据）模式；(2)系统内部有3条自立的128位数据，分离拜访各自的2 mbit存储空间；(3)系统外部数据总线为64 bit，地址总线32 bit，外部寻址空间为4g字；(4)4个

3、8 bit的全双工链路口，各自可以自立工作。在多处理器系统中，链路口可作为处理器之间的点到点通信，组成分布式的多处理器系统。14个dma通道，可用于后台传输；(5)可扩展性强，分享并行总线可支持8个ts101s连在一起用于高速的数字信号处理。因为测向和波束合成的算法计算量大，系统对信号的处理时光有要求，一片dsp不能完成任务，本系统充分利用ts101s dsp芯片的并行处理能力，采纳多处理器的并行结构来完成信号的处理。三、算法讨论用于测向和波束合成的算法无数，各种算法各有优势，通过对这些算法的模拟和性能比较，终于挑选music(multiple signal characteristic)算法

4、来实现测向，用基于线性约束最小二乘恒模算法举行波束合成。music算法的基本原理是按照天线阵中不同位置的阵元所接收到的空间来波信号的样本数据、天线位置参数和阵元的特性参数，应用现代谱估量理论和统计学理论及相应的数学运算，对来波的空间谱举行估量，并分析其能量的分布状态，以确定空间来波的方向，也就是从背景噪声中检测出空间源信号并估量出信号的参数如方位角、仰角等，这种测向技术具有在较强干扰环境下同时对同信道内多个信号的迅速、高敏捷度、高精度测向的功能。算法实现流程图1所示。基于线性约束的最小二乘恒模算法是最小二乘算法的一种改进，它克服了最小二乘算法存在的干扰捕捉问题，利用线性约束的办法对初始权向量举

5、行优化，使之在迭代过程中可以较快而精确地收敛于我们所期望的信号,并且不受信号功率大小的影响。该算法收敛速度快，输出信号的信干噪比可以临近抱负值，并且对幅相差不敏感，通过对阵列信号举行算法，最小二乘恒模算法性能可以达到系统需求。算法的流程2所示。四、dsp模块设计1.dsp模块功能系统用法一个c尺寸vxi标准机箱，插槽包括0槽、dsp模块和波束合成模块。dsp模块负责测向和波束合成权值的计算，波束合成模块将原始数据和权值举行波束合成，模块之间的数据交换用法lbus。控制终端（微机）通过vxi总线给dsp模块发送指令，dsp模块以外部中断2的方式响应接收指令并实现控制中断的对系统的控制，指令格式由

6、内部协议规定。按照系统需求，dsp模块要完成以下6个功能：(1) 接收原始数据和合成结果数据采集部分是由波束合成模块完成的，dsp模块定时器每500 ms接收一次原始数据和结果数据，并在500 ms内完成测向和波束合成权值的计算。数据交换根据两个模块制定的内部协议来执行。(2)自动跟踪系统初始或普通状态为自动跟踪状态，来波的初始方位区域已给定，dsp模块每500 ms测向一次从而保证了系统能够紧跟信号来向。(3)多次测向考虑到实际信号中存在的干扰和误差，取多次测向中的平均值来作为实测方向。(4)指定来波方向指定来波方向后挺直计算波束合成的权值，此时不利用接收的原始信号而是自己产生信号来举行波束

7、合成权值的计算。(5)显示通道波形或幅相差dsp板将幅相差的数据回传给控制终端后并在终端计算机上显示。(6)显示合成结果dsp模块将波束合成的权值传输给波束合成模块，波束合成模块将权值和原始数据合成后回传过来并在控制终端上显示。dsp模块程序框图3所示。2.dsp模块结构接收卫星信号的阵列天线为6×6的面阵，多通道接收机完成信号的采样，再经过数字下变频，送处处理单元的是36个通道的i、q两路共72路数据。因为阵列信号的数据量大，算法也比较复杂，我们需要用法2片ts101s芯片并行处理来实现。并行系统的互连结构包括2种方式：分享存储器结构和分布式结构。分享存储器结构的衔接方式是将全部的

8、处理器都连到一个通道上，该通道普通是一种背板总线（如vxi总线），它既可以作为处理器间的通信媒介也可以作为处理器和分享存储器间的数据通信。这种结构数据传输的带宽远远大于挺直衔接的通信端口，但是存在着总线竞争问题，随着处理器数目的增强，处理器平均的总线带宽会降低，影响数据吞吐量。分布式结构处理器之间通过链路口举行挺直的数据传输，链路口在处理器之间提供了高宽带的点对点通信。这种衔接彻低为了处理器之间的通信，但是在数据传输时会占用其他dsp芯片的内部资源。tigersharc dsp芯片硬件上可以同时支持这两种并行体系结构，前者通过分享外部地址数据控制总线方式实现，后者通过dsp间的专用的链路口点对

9、点的互连实现。本文所设计的dsp模块结构从通信网络的衔接关系来看，既是分享总线系统，又是分布式系统，两片dsp芯片的外部地址总线、数据总线、控制总线挺直相连，并且一起通过总线接口衔接到vxi总线上，实现和其他模块的数据通信。因为每片dsp内部有6 mbit的双口ram，因此不需要外部数据存储器。dsp a和dsp b的链路口也挺直相连，两片dsp可以通过链路*换数据。dsp模块程序采纳eprom方式引导，两片dsp共用一片548k×8bit的flash dsm2150作为程序存储器。dsp模块框图4所示。囫囵dsp模块的处理时光分为3个时光段，分离为从缓冲中读取数据时光、测向时光和波

10、束合成权值计算时光，其中主要的开销是测向的时光。为了使dsp模块具备更高的效率，必需按照该模块的结构和tiger dsp芯片的性能合理分配任务。因为主要的开销是测向算法，所以解决好测向的并行算法是尤其重要的。在music算法中，推断出信号个数后要分离对各个信号区域举行峰值搜寻，最后锁定信号来向，系统最多可测4个不同来向的信号，因此将峰值搜寻的区域划分后交给两片dsp同时举行搜寻，可以节省大量的时光。测向和波束合成权值的计算不能同时举行，dsp a通知 dsp b举行波束合成后又可以返回去从缓存区中读取数据，此时dsp b计算波束合成的权值，这样又大大提高了并行度。控制终端对dsp模块的指令是通

11、过外部中断读入，在执行控制终端的指令时将定时器时钟关闭。dsp模块的程序框架用来构建，在c中插入汇编来提高运算效率，并充分利用tigerdsp芯片双处理器核的simd结构,为了更好地对囫囵的程序举行优化,用法开发软件中的工具 profiling 分析各个子函数所占用的时光比例，从而优化程序的瓶颈。并行的系统设计和一些优化措施使dsp模块的运行时光能够满足系统设计的需求。3.dsp模块设计的特点在卫星测控多波束系统dsp模块的设计中我们考虑了多方面的因素，可以归纳为以下几个特点：首先，高性能tigersharc dsp并行结构保证了系统的性能，系统要求在500 ms内完成最多4个来波方向的测定和

12、波束合成，用法两片tiger sharc dsp并行工作，在300 ms内就可以完成，使得系统有充裕的时光去响应控制终端的指令。第二，性能优越的测向和波束合成算法保证了系统的稳定工作，测向的精度保证在0.5°范围内，信号经过波束合成后,将噪声信号加以抑制，信噪比有了很大的提高。并且在双dsp处理器中并行分配任务，提高了程序运行效率。第三，dsp模块和波束合成模块之间以及和外部控制终端之间完备的通信协议保证了数据和指令能构精确的传输。这种通信协议是按照实际需要自定义的，并且具有一定的容错功能，保证了各个模块之间接口的正常运行。最后，系统控制流程设计合理，我们用法了dsp的外部中断1、2、定时器中断，以及两