基于ADSP21161的比相測距雷達(dá)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連續(xù)波雷達(dá)具有測量精度高、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)。連續(xù)波比相測距雷達(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)測距困難的缺點(diǎn)，而且又便于利用現(xiàn)代信號處理的新技術(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)對點(diǎn)的連接很容易構(gòu)造多處理器系統(tǒng)。

2 比相測距雷達(dá)的基本原理

連續(xù)波比相測距雷達(dá)在頻域完成目標(biāo)的距離、速度等參數(shù)的測量，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，所有信號幅度均取為1。發(fā)射信號的兩個(gè)分量的電壓波形可分別寫為：

由于多普勒效應(yīng)，回波信號產(chǎn)生了頻移。接收機(jī)將兩個(gè)回波信號區(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為對應(yīng)發(fā)射信號的多普勒頻率；c為光速；R0為初始時(shí)刻的距離。

對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。數(shù)據(jù)鎖存電路對前端輸入的離散多普勒頻移信號進(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。測量開始的時(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)信號處理過程中ADSP21161片內(nèi)存儲(chǔ)器容量不夠的問題。

3．2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跟蹤控制系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。所有的程序代碼都存儲(chǔ)在EEPROM中，系統(tǒng)上電后，ADSP21161通過BMS引腳信號自動(dòng)選擇EEPROM自動(dòng)加載程序。

程序引導(dǎo)完成之后，ADSP21161首先通過雙口RAM從嵌入式微機(jī)接收一組控制參數(shù)，主要包括FFT運(yùn)算點(diǎn)數(shù)等。然后初始化計(jì)數(shù)控制電路，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到運(yùn)算要求時(shí)，計(jì)數(shù)控制電路給ADSP21161發(fā)送一個(gè)中斷信號，此時(shí)ADSP21161才開始從FIFO存儲(chǔ)器中讀取經(jīng)預(yù)處理后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集完成后，為了降低旁瓣，在FFT運(yùn)算之前要對原始數(shù)據(jù)加窗，然后開始FFT運(yùn)算。加窗所需的窗函數(shù)和FFT運(yùn)算所需的旋轉(zhuǎn)因子開始都放置在EEPROM中，在程序引導(dǎo)完成之后利用DMA將它們導(dǎo)入SDRAM。

根據(jù)實(shí)際使用情況的不同，為了達(dá)到最佳的處理效果，可以改變FFT點(diǎn)數(shù)。在1024點(diǎn)FFT等點(diǎn)數(shù)比較小的情況下，所有的處理都能在SRAM中完成，此時(shí)FFT采用按時(shí)域抽取的基-2算法。在16384點(diǎn)FFT等點(diǎn)數(shù)比較大的情況下，SRAM的容量不足以一次完成所有的處理，這時(shí)的FYT采用先頻域抽取，再時(shí)域抽取，最后重新排序以得到FFT輸出結(jié)果的正常位序。

ADSP21161能夠直接訪問SDRAM。但在FFF點(diǎn)數(shù)比較大的情況下，在SRAM和SDRAM之間經(jīng)常有大量的數(shù)據(jù)需要交換，若采用CPU直接訪問SDRAM的方式傳輸，不管是隨機(jī)訪問SDRAM還是以連續(xù)的地址訪問SDRAM，在SDRAM最高工作頻率為166MHz下的情況測試的結(jié)果為需要大約13個(gè)指令周期傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。如果采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)，同樣的條件下，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)只需要一個(gè)指令周期。而且，采用DMA方式傳輸數(shù)據(jù)還可以充分利用DMA傳輸和CPU運(yùn)算的并行性，從而進(jìn)一步提高處理效率。另外，ADSP21161支持鏈?zhǔn)紻MA，可以在不中斷CPU運(yùn)算的情況下自動(dòng)傳輸多段數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸盡可能都采用DMA方式。

經(jīng)過FFT處理后，雷達(dá)回波數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換到頻域。ADSP21161根據(jù)FFT的結(jié)果進(jìn)一步估計(jì)出功率譜，在功率譜估計(jì)的基礎(chǔ)上跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開始目標(biāo)的捕獲態(tài)或者跟蹤。

在雷達(dá)剛發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)候，不可能立即進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。這時(shí)雷達(dá)處于目標(biāo)捕獲階段。此時(shí)，ADSP21161利用上面估計(jì)的功率譜，在嵌入式微機(jī)送來的初始速度窗內(nèi)搜索譜峰、計(jì)算信噪比，利用給定的信噪比門限判斷當(dāng)前搜索到的譜峰是否為有效的速度點(diǎn)。若為有效速度點(diǎn)，則利用能量重心法進(jìn)行譜校正，利用校正之后的譜峰位置計(jì)算對應(yīng)的速度值，以得到更精確的實(shí)時(shí)參數(shù)；若為無效點(diǎn)，則說明雷達(dá)沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。利用這種方法，在得到幾個(gè)連續(xù)有效的速度點(diǎn)之后，并經(jīng)目標(biāo)配準(zhǔn)，才可認(rèn)定目標(biāo)捕獲成功。為了防止低頻干擾，不要在零頻附近搜索譜峰。 目標(biāo)捕獲成功之后，跟蹤控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入目標(biāo)跟蹤的階段。首先根據(jù)目標(biāo)捕獲所得的幾個(gè)速度點(diǎn)，利用最小二乘算法估計(jì)下一時(shí)刻的速度點(diǎn)值，其中參與預(yù)測的速度點(diǎn)數(shù)和最小二乘預(yù)測的階數(shù)可根據(jù)不同的應(yīng)用情況而改變。然后ADSP21161利用所估計(jì)的功率譜數(shù)據(jù)和速度預(yù)測值，在以速度預(yù)測值為中心的某個(gè)范圍內(nèi)搜索譜峰，利用信噪比門限判斷當(dāng)前的譜峰是否為有效點(diǎn)。若連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)無效速度點(diǎn)，則表明剛才跟蹤的目標(biāo)已經(jīng)丟失，此時(shí)系統(tǒng)重新進(jìn)入目標(biāo)捕獲狀態(tài)；若連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)有效速度點(diǎn)，則表明當(dāng)前雷達(dá)對目標(biāo)的跟蹤狀況良好。為了減小干擾，提高處理效率，可以逐步減小速度搜索的范圍；為了準(zhǔn)確地給出速度值，要舍棄距當(dāng)前測量時(shí)刻時(shí)間較長的一些速度點(diǎn)，只利用最近的幾個(gè)有效速度點(diǎn)來預(yù)測下一時(shí)刻的速度值。

除了前面提到的速度參數(shù)之外，ADSP21161還要根據(jù)搜索到的譜峰計(jì)算俯仰相位差、方位相位差、信噪比等其它參數(shù)，最后利用ADSP21161的主機(jī)接口將計(jì)算所得的結(jié)果參數(shù)送往嵌入式微機(jī)，在那里完成目標(biāo)距離的測量和俯仰誤差角、方位誤差角的計(jì)算。

經(jīng)過系統(tǒng)測試，以ADSP21161為核心的跟蹤控制系統(tǒng)能夠較好地完成雷達(dá)信號的實(shí)時(shí)處理。測距、測速都達(dá)到了比較高的精度，而且能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。