基于Tiger SHARC系列TS101S芯片實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于TigerSHARC系列TS101S芯片實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理就是用一些數(shù)學(xué)算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、估值和識(shí)別。作為數(shù)字信號(hào)處理核心和標(biāo)志的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片自問(wèn)世以來(lái)得到了快速的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、圖形/圖像處理、雷達(dá)聲納、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。隨著人們對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求的不斷提高和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器也發(fā)生著日新月異的變革。美國(guó)AD公司，繼16b定點(diǎn)ADSP21xx和32b浮點(diǎn)ADSP21xxx系列之后推出的ADSPTigerSHARC系列處理器，是基于AD2106x的下一代高性能芯片。本文著重介紹TigerSHARC系列中TS101S芯片的性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并將其應(yīng)用在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。1TigerSHARCDSPTigerSHARCDSP是一款高性能的靜態(tài)超標(biāo)量數(shù)字信號(hào)處理器，該處理器專(zhuān)為大的信號(hào)處理和通信任務(wù)而在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化。由于該處理器將非常寬的存儲(chǔ)帶寬和雙運(yùn)算模塊結(jié)合在一起，從而建立了數(shù)字信號(hào)處理器性能的新標(biāo)準(zhǔn)。TigerSHARC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令、24個(gè)16b定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。該TigerSHARCDSP器件在3條相互獨(dú)立的128b寬度的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線(xiàn)中，每條可連接3個(gè)2Mb內(nèi)部存儲(chǔ)器中的1個(gè)，并可提供4個(gè)字的數(shù)據(jù)、指令及I/O訪(fǎng)問(wèn)和12GB/s的內(nèi)部存儲(chǔ)器帶寬。運(yùn)行在250MHz時(shí)，ADSPTS101S的內(nèi)核指令周期為4ns，同時(shí)可以提供20億次的40bMAC運(yùn)算或者500萬(wàn)次80bMAC運(yùn)算。TigerSHARCDSP器件的主要性能如下：（1）最高運(yùn)行速度為300MHz，指令周期為3.3ns。（2）帶有6Mb片內(nèi)SRAM，分為了3個(gè)2Mb的存儲(chǔ)塊M0，M1和M2，每一個(gè)存儲(chǔ)塊都能夠單獨(dú)存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)或同時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。（3）帶有雙運(yùn)算模塊，每個(gè)運(yùn)算塊有1個(gè)64bALU，1個(gè)乘法器，1個(gè)64b移位器和1個(gè)由32個(gè)寄存器構(gòu)成的寄存器組，可執(zhí)行定點(diǎn)和浮點(diǎn)的算術(shù)邏輯等通用運(yùn)算。（4）3條內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)，每條總線(xiàn)都連接到3個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器塊中的1個(gè)。3條總線(xiàn)都是128b寬，可以在任一周期使用任一條總線(xiàn)傳送多達(dá)4條指令或4個(gè)對(duì)齊的數(shù)據(jù)。這樣TS101S內(nèi)核可以在任一周期并行訪(fǎng)問(wèn)3個(gè)存儲(chǔ)塊，1個(gè)取指令，2個(gè)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)。（5）4個(gè)鏈路口支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高帶寬數(shù)據(jù)傳送，可通過(guò)單個(gè)鏈接口以250Mb/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。4個(gè)鏈路口為處理器與處理器之間的通訊提供了一個(gè)良好的途徑，總吞吐量多達(dá)1Gb/s。（6）多處理器特性，當(dāng)單個(gè)DSP芯片組成的系統(tǒng)不能滿(mǎn)足處理要求時(shí)，TS101S通過(guò)外部口或鏈路口與其他TS101S相連構(gòu)成多處理器系統(tǒng)。TS101S的外部總線(xiàn)支持多達(dá)8個(gè)DSP外加Host處理器的并行總線(xiàn)連接。在構(gòu)成多處理器系統(tǒng)時(shí)，處理器之間無(wú)論是采用共享總線(xiàn)方式，還是采用鏈路口互連方式，都不需任何外加控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，在并行總線(xiàn)上可以800Mb/s的速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（7）有DMA和SDRAM控制器，擁有14個(gè)DMA通道，提供了在處理器核不干預(yù)條件下的零開(kāi)銷(xiāo)數(shù)據(jù)傳輸，SDRAM的地址、數(shù)據(jù)引腳可以與TigerSHARC的直接相連，另外，TigerSHARC提供專(zhuān)用的尋址空間支持SDRAM。TS101S的主要性能指標(biāo)如表1所示。2信號(hào)處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)圖1所示是一個(gè)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件框圖。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，減少DSP片間連線(xiàn)，該系統(tǒng)的4個(gè)DSP以松耦合的鏈路方式進(jìn)行連接，并共用一片F(xiàn)PGA。首先由DSP1通過(guò)外部DMA方式讀入中頻解調(diào)后的I、Q路數(shù)據(jù)，并由DSP1對(duì)讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮（匹配濾波），脈沖壓縮后進(jìn)行二次對(duì)消，以消除固定雜波。設(shè)計(jì)總距離單元數(shù)為2000，需做2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT，當(dāng)2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT完成后，還必須和預(yù)先存儲(chǔ)好的匹配濾波器系數(shù)H（k）相乘，一般需要做2048個(gè)復(fù)數(shù)乘法，相乘結(jié)果還需做2048點(diǎn)復(fù)數(shù)IFFT以獲得脈沖壓縮結(jié)果。TigerSHARCDSP做2048點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT和IFFT大約需要200μs（工作在250MHz），利用TigerSHARCDSP的雙運(yùn)算塊和單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）特點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)距離單元的復(fù)數(shù)乘法，完成2048個(gè)復(fù)數(shù)乘法僅需25μs。二次對(duì)消對(duì)于每個(gè)距離單元都需要做2次減法和1次加法，2000個(gè)距離單元的二次對(duì)消大約需要50μs。DSP完成上述運(yùn)算大約要300μs。DSP2和DSP3完成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)功能。在使用窄帶多譜勒濾波器組時(shí)，為了降低旁瓣可在系統(tǒng)中采用滑窗加權(quán)FFT的方法，在距離單元數(shù)為2000時(shí)大約需要640μs處理時(shí)間，用2片DSP并行處理即可實(shí)現(xiàn)。求模采用近似算法，每個(gè)距離單元只用做1次比較和1次加法。恒虛警處理先進(jìn)行選大單元平均運(yùn)算，再對(duì)被檢單元進(jìn)行比較判決，從而降低虛警率。積累采用簡(jiǎn)單累加求平均的方式完成。以上3種運(yùn)算由DSP4實(shí)現(xiàn)。FPGA在電路中起輔助作用，在數(shù)據(jù)量較大的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)寄存和分配，同時(shí)也能擔(dān)負(fù)DSP4的工作，如果需要的話(huà)還能進(jìn)行數(shù)據(jù)的并/串轉(zhuǎn)換工作。3TigerSHARCDSP的使用為保證TigerSHARCDSP能正常工作，上電復(fù)位信號(hào)的設(shè)計(jì)非常重要。上電復(fù)位波形要求如圖2所示，但應(yīng)注意tSTARTLO在供電穩(wěn)定之后必須至少大于1ms，tPULSE1HI必須大于50個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，同時(shí)小于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，tPULSE2LO必須大于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，在DSP上電后，如需正常復(fù)位，其低電平持續(xù)時(shí)間必須大于100個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。TigerSHARCDSP有3個(gè)電源，其中數(shù)字3.3V為I/O供電，數(shù)字1.2V為DSP內(nèi)核供電，模擬1.2V為內(nèi)部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。TigerSHARCDSP要求數(shù)字3.3V和1.2V應(yīng)同時(shí)上電。若無(wú)法嚴(yán)格同步，則應(yīng)保證內(nèi)核電源1.2V先上電，I/O電源3.3V后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字3.3V輸入端并聯(lián)了一個(gè)大電容，而在數(shù)字1.2V輸入端并聯(lián)了一個(gè)小電容，其目的就是為了保證3.3V充電時(shí)間大于1.2V充電時(shí)間，以便很好地解決電源供電的先后問(wèn)題。TigerSHARCDSP內(nèi)核最大電流為1.277A，該電流是DSP進(jìn)行單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）方式下，4個(gè)16b定點(diǎn)字乘加與2個(gè)4字讀取并行操作以及進(jìn)行由外部口到內(nèi)部存儲(chǔ)器DMA操作所需的電流。實(shí)際上，DSP內(nèi)核電流大小還和內(nèi)核工作頻率有關(guān)，因此，供給DSP內(nèi)核電流可根據(jù)不同的并行處理任務(wù)和內(nèi)核工作頻率來(lái)確定，最大內(nèi)核功耗為1.534W。外部口的功耗（對(duì)VDDIO）主要是輸出引腳（例如數(shù)據(jù)線(xiàn)的某個(gè)位由高到低，或由低到高）轉(zhuǎn)換的功率消耗，而且該功耗與系統(tǒng)無(wú)關(guān)，一般為0.45W。由此可估算出該信號(hào)處理系統(tǒng)的功耗大約為10W。4結(jié)語(yǔ)本文介紹了多片TigerSHARCDSP在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)充分利用了TS101S高速的運(yùn)算能力及數(shù)據(jù)吞吐量，對(duì)不同的距離單元段進(jìn)行并行處理。文中分析了系統(tǒng)的運(yùn)算量、所需時(shí)間以及完成算法所