摘要：采用TMS320C6701 DSP研制了一個(gè)應(yīng)用于電離層垂直探測系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)同步的DSP信號(hào)處理模塊。該系統(tǒng)具備開放性、靈活性、可升級(jí)性等優(yōu)點(diǎn)。該模塊應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：電離層垂直探測系統(tǒng) DSP FPGA m序列

自從20世紀(jì)70年代末片數(shù)字信號(hào)處理器芯片（DSP）問世以來，DSP就以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成，特別是可編程性高等優(yōu)點(diǎn)，為數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇。TI公司推出的C6000系列DSP本身就是針對(duì)多通道無線通信和有線通信的應(yīng)用領(lǐng)域，因此在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)系統(tǒng)等需要高度智能化的應(yīng)用領(lǐng)域，這種芯片的高速處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)接口具有不可取代的優(yōu)勢。

電離層垂直探測系統(tǒng)（UIS）的主要功能是對(duì)電離層進(jìn)行實(shí)時(shí)探測，獲取電離層參數(shù)變化狀態(tài)和高頻信道傳輸特性，同時(shí)它也可以用作頻率管理系統(tǒng)。在脈沖壓縮偽隨機(jī)碼調(diào)相體制的UIS系統(tǒng)中，經(jīng)過編碼的電波信號(hào)由天線發(fā)射后，經(jīng)電離層的反射到達(dá)地面，回波被接收機(jī)接收，從而得到電離層信道散射函數(shù)、散射多普勒頻移等有用信息。UIS系統(tǒng)采用的是一種收發(fā)共用天線體制，即接收機(jī)和發(fā)射機(jī)交替工作，通過天線開關(guān)交替使用同一部天線。
本文提到的電離層垂直探測系統(tǒng)是一種新型的、同步實(shí)時(shí)的探測平臺(tái)。在該系統(tǒng)的研制過程中，基于先進(jìn)的軟件無線電思想和EDA的設(shè)計(jì)方法，采用高性能的DSP（TMS320C6701），構(gòu)造了一個(gè)應(yīng)用于UIS中的實(shí)時(shí)同步的DSP信號(hào)處理模塊，從而使UIS系統(tǒng)具備適應(yīng)性強(qiáng)、升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 UIS系統(tǒng)原理、算法與結(jié)構(gòu)

電離層是時(shí)刻變化的，電離層信道可被視為一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，系統(tǒng)的特性可由其脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t,tp)來描述，稱為“雙時(shí)響應(yīng)”函數(shù)。其中，t指系統(tǒng)隨時(shí)間變化的一個(gè)時(shí)間變量；另一個(gè)時(shí)間變量tp，在電離層探測中為信號(hào)群傳播時(shí)間。該函數(shù)對(duì)時(shí)間t做傅里葉變換可得到電離層信道的散射函數(shù)：

在UIS系統(tǒng)中，發(fā)射波采用相位調(diào)制（所有的調(diào)制以復(fù)數(shù)表示），發(fā)射波信號(hào)可表示為：

式中，u(t)表示調(diào)制信號(hào)，f0是載波頻率。由于這是個(gè)窄帶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行同步解調(diào)并采用低通濾波可得到的接收信號(hào)為：

在利用脈沖雷達(dá)探測電離層信道參數(shù)的一般系統(tǒng)模型中，把調(diào)制信號(hào)u(t)作時(shí)間tp的延時(shí)，并用它與接收信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算，相關(guān)計(jì)算的時(shí)間長度為T0，則在te時(shí)刻兩者的互相關(guān)函數(shù)為：
實(shí)驗(yàn)表明，多數(shù)情況下電離層信道的平衡性可以持續(xù)10s～600s,在10s以內(nèi)，電離層可以看作是一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)，即認(rèn)為在T0（T0<10s）時(shí)間內(nèi)，h(t,τ)≈h(tc,τ)。交換公式（4）的積分順序后，得：
如果Cu,u=δ(tp)[δ(tp)為沖擊響應(yīng)函數(shù)]，則h(tc,tp)=Cr,u(tc,tp)。用變量t代換tc，即：

h(t,tp)=Cr,u(t,tp) (6)

從（5）式和（6）式可以看出，采用具有良好自相關(guān)性的偽隨機(jī)碼對(duì)發(fā)射載波進(jìn)行調(diào)制，每次測量就可直接得到特定時(shí)間t的電離層信道的單頻全路徑“回波～距離函數(shù)”。即在全路徑上觀測一個(gè)頻點(diǎn)，通過在單頻點(diǎn)多次測量，將測量結(jié)果按時(shí)間順序排列便得雙時(shí)響應(yīng)函數(shù)。對(duì)雙時(shí)響應(yīng)函數(shù)做關(guān)于時(shí)間t的Fourier變換即可得到電離層信道的散射函數(shù)。由散射函數(shù)可得探測電路上的多徑展寬和多譜勒展寬，進(jìn)而可得到短波通信的相關(guān)時(shí)間、相關(guān)帶寬這些信道特性參數(shù)，從而可實(shí)時(shí)確定短波通信的碼長，調(diào)制、解調(diào)參數(shù)，分集參數(shù)等。另外，通過對(duì)散射函數(shù)的波形分析，可得到電離層的動(dòng)態(tài)變化特性。

UIS系統(tǒng)組成如所示。PC機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制操作、圖形顯示、數(shù)據(jù)保存；DSP信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)控制FPGA產(chǎn)生階數(shù)可變的m序列和靈活多變的收發(fā)開關(guān)時(shí)序、從接收機(jī)串口接收回波信號(hào)、進(jìn)行相關(guān)的數(shù)字信號(hào)處理、與PC機(jī)通信等；DDS負(fù)責(zé)發(fā)射信號(hào)（m序列）的調(diào)制。

從可以看出，DSP信號(hào)處理模塊在UIS系統(tǒng)中處于地位，將同時(shí)或依次處理各種不同的任務(wù)。該模塊對(duì)所執(zhí)行任務(wù)的合理安排以及該模塊與其它模塊之間的通信是整個(gè)UIS系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。本文將重點(diǎn)介紹UIS系統(tǒng)中DSP信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)。

2 DSP信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

DSP信號(hào)處理模塊的——DSP采用TI公司的主流芯片TMS320C6701，主要具備以下特點(diǎn)：（1）運(yùn)算速度快。該芯片為浮點(diǎn)型，運(yùn)行頻率達(dá)150MHz，可以進(jìn)行并行計(jì)算，多可具備八條流水線，運(yùn)行速度可達(dá)1000MFLOPS。（2）外部存儲(chǔ)空間大。通過片內(nèi)集成外設(shè)EMIF接口可無縫連接128K×32bit SBSRAM和兩塊4M×32bit的SDRAM。（3）豐富的片內(nèi)集成外設(shè)。具有三個(gè)多通道緩沖串口（McBSP）和四個(gè)DMA通道。（4）具有可訪問DSP整個(gè)存儲(chǔ)空間的主機(jī)口（HPI）和32bit/33MHz的PCI主/從模式接口，便于DSP與PC機(jī)通過PCI總線以HPI方式進(jìn)行通信，支持多種加載模式。DSP信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)圖如所示。

2.1 DSP與FPGA的接口

在UIS系統(tǒng)中，天線開關(guān)的收發(fā)時(shí)序是靈活多變的，m序列的階數(shù)是在線可調(diào)的。為了保證本系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，m序列與時(shí)序產(chǎn)生模塊由FPGA器件構(gòu)成。FPGA器件選用Altera公司的EP1K50，其豐富的門資源（5萬門）確保了日后該模塊的可升級(jí)性。模塊功能由硬件描述語言Verilog完成。DSP與FPGA的接口框圖如所示，DSP通過接口模塊把m序列的階數(shù)和時(shí)序參數(shù)傳遞到FPGA并啟動(dòng)FPGA工作。

TMS320C6701 DSP具有三個(gè)多通道緩沖串口，并可配置為通用I/O口。在DSP信號(hào)處理模塊中，將TMS320C6701 DSP的McBPS1、McBSP2的管腳CLKX、FSX、CLKR、FSR設(shè)置為通用I/O口，通過八個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)DSP與FPGA的通信，傳送相關(guān)參數(shù)；FPGA中的接口模塊按照規(guī)定的協(xié)議將相關(guān)參數(shù)傳送到m序列與時(shí)序產(chǎn)生模塊轉(zhuǎn)換為m序列的階數(shù)和時(shí)序參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)DSP在線調(diào)整m序列的階數(shù)和時(shí)序參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

2.2 DSP與接收機(jī)的接口

接收機(jī)接收到數(shù)據(jù)后由接收機(jī)的串口輸出數(shù)字，經(jīng)過DSP的McBSP0送到DSP，再經(jīng)EMIF送到外部擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)SBSRAM（以下簡稱DSP緩存區(qū)）；在接收到一塊數(shù)據(jù)后，將這塊數(shù)據(jù)送到DSP的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)區(qū)SDRAM（以下簡稱DSP計(jì)算區(qū)），供DSP進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

DSP信號(hào)處理模塊分配DMA CH0服務(wù)于McBSP0，指定DMA CH0的同步事件為串口接收事件（REVT0）。McBSP0每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，就啟動(dòng)一個(gè)REVT0事件，驅(qū)動(dòng)DMA CH0將接收數(shù)據(jù)寄存器（DRR）中的數(shù)據(jù)搬移到DSP緩存區(qū)。當(dāng)DMA CH0搬移完一塊數(shù)據(jù)時(shí)，副控寄存器中的塊傳輸中斷使能標(biāo)志位（以下簡稱BLOCK IE）發(fā)生變化，從而產(chǎn)生中斷。在中斷服務(wù)程序中，初始化并啟動(dòng)DMA CH1將數(shù)據(jù)從DSP緩存區(qū)送到DSP計(jì)算區(qū)，同時(shí)重新初始化BLOCK IE，以便觸發(fā)下中斷。

2.3 DSP數(shù)據(jù)處理與相關(guān)運(yùn)算

如所示，DMA CH1在搬移接收數(shù)據(jù)的同時(shí)也將塊接收完成標(biāo)志字（0xf0f0）搬移到DSP計(jì)算區(qū)，DSP不斷查詢DSP計(jì)算區(qū)中的標(biāo)志字（其初始化值為0x0f0f），若其為0xf0f0，則認(rèn)為接收數(shù)據(jù)已搬移到DSP計(jì)算區(qū)；然后把該標(biāo)志字改寫為0x0f0f，以便在對(duì)下塊接收數(shù)據(jù)進(jìn)行有效查詢的同時(shí)將本塊數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。

相關(guān)算法是數(shù)據(jù)處理的，其功能是計(jì)算序列與接收碼的移位相關(guān)，從公式（5）可以看出，由此將得到電離層的沖擊函數(shù)，即系統(tǒng)模型。相關(guān)算法用DSP專用的匯編語言實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過編譯工具的三級(jí)優(yōu)化，可進(jìn)入深度流水和并行執(zhí)行狀態(tài)，極大地提高了DSP的運(yùn)算效率，縮短了程序執(zhí)行時(shí)間。

TMS320C6701的150MHz的運(yùn)行速度以及相關(guān)算法代碼的高效確保了在接收兩次塊數(shù)據(jù)的間隙內(nèi)相關(guān)算法已完成且處理結(jié)果已搬移到DSP輸出緩沖區(qū)，因此不會(huì)造成本塊數(shù)據(jù)還沒有處理完就被數(shù)據(jù)覆蓋的錯(cuò)誤，保證了相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的正確性。

相關(guān)計(jì)算完畢后，將運(yùn)算送到輸出緩存區(qū)，供PC機(jī)讀取。
2.4 DSP與PC機(jī)的通信

TMS320C6701內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是片內(nèi)提供多種集成外設(shè)，擁有可以訪問DSP整個(gè)存儲(chǔ)空間的主機(jī)口（HPI）和32bit/33MHz PCI主/從模式接口。如所示，通過外接專用PCI接口芯片AMCCS5933實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)通信的硬件接口。

PC機(jī)端采用Visual C++6.0作為開發(fā)平臺(tái)，基于TM公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫Evm6x.dll開發(fā)PC機(jī)與DSP的通信程序。

PC機(jī)端通過DSP的HPI口初始化DSP，轉(zhuǎn)載DSP程序代碼，輸入系統(tǒng)探測參數(shù)，啟動(dòng)DSP工作，訪問DSP整個(gè)存儲(chǔ)空間，從DSP的處理結(jié)果緩存區(qū)讀取運(yùn)算后的結(jié)果。
通過試驗(yàn)，獲得了電離層的垂測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可行性，特別是DSP信號(hào)處理模塊工作的正確性。是2003年5月19日武漢當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午10點(diǎn)28分散射函數(shù)的垂測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)射頻率為8.6MHz。從圖中可以看到，無Es層時(shí)，F(xiàn)層回波明顯，且O波、X波間距變大。

隨著DSP、FPGA芯片成本下降，性能提高，現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)計(jì)不再采用硬件化程序較高的芯片。本文提出的充分利用TMS320C6701運(yùn)算速度快和片內(nèi)外設(shè)接口豐富等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)同步的DSP處理模塊，對(duì)今后DSP在雷達(dá)上的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。