基于ADSP-TS201与FPGA的信号处理系统实现及优化设计

现代雷达信号处理已成为雷达功能实现的关键，本文根据某型雷达信号处理机的系统需要，对其硬件结构及软件设计做了系统优化。设计了1套以4片 TS201和1片FPGA为核心信号处理板，该系统仅用l副板卡即实现空时二维信号处理。实现了自适应副瓣相消，4路脉冲压缩与MTI／MTD，副瓣匿影和差波束测角等算法，可以完成对目标距离，方位偏差量的测算，满足系统需求。

1 系统组成分析

回波信号在天线上进行部分微波合成，形成和、差通道信号及两路辅助天线信号，进行IQ正交插值，1／8抽取后，形成4路待测数据，数据率共为128 MB／s。系统算法结构，如图1所示，主要由旁瓣相消模块，数字脉压模块，MTD处理模块由3部分组成。和路信号MTD（FFT-CFAR）后经副瓣匿影若判定有目标则再由和、差两路数据计算方位偏差量。

以雷达工作的低重频模式为例，IQ数据为5 388点，重频为140 Hz，考虑到一定的时间余量，4路信号的传输及处理必须在《6．7 ms的时间内完成。因此系统的数据速率、数据量及运算规模决定了系统设计必须具有以下特点：

（1）具有高性能浮点处理芯片，可完成旁瓣相消、脉冲压缩、相参积累、杂波图、恒虚警处理。

（2）内部各处理芯片间可进行高速数据传递且可外部扩展存储芯片，保存大量数据。

（3）具备对外的数据接口和控制接口，并可输出故障检测信号。

（4）软件设计中必须进行大量优化，保证上述所有处理模块在1个脉冲周期内完成。

2 雷达处理机实现

2．1 硬件平台设计

系统运算量及时间要求，信号处理板需采用多DSP并行处理的结构，为达到高速浮点处理能力、高数据吞吐率及大内存空间的要求，DSP芯片选用 ADSP-TS201，它是ADI公司最新型号的TigerSHARC架构高性能浮点数字信号处理器。它具有最高达600 MHz的工作时钟，且每周期可完成4条指令；包括双独立运算模块及用于地址计算的双独立整型ALU，可完全并行操作；拥有24 MB／s的片内存储器，内存容量大；此外还有14路DMA控制器及外部端口、4个链路口，可进行高速数据吞吐；拥有4个SDRAM控制器，可外部扩展存储芯片；拥有4个可编程flag引脚，可对外输出所需标志信号。

多DSP设计通常有共享总线方式和链路口耦合方式两种结构。共享总线结构的优点是可以提供全局地址空间，把多DSP的地址空间映射到主机的内存空间进行统一访问。任一DSP也可通过总线读写其它处理器内存，操作方便。然而，当多DSP间数据交换频繁时，总线竞争往往造成数据通信的总线瓶颈，因而该方法有明显的缺点。采用链路口耦合方式则具有明显的优点，各DSP总线独立，拥有完全独立的内存空间，各DSP程序设计可完全独立，减小了程序调试的难度。各DSP之间仅通过链路口无缝连接，片间连线少，降低了PCB布线难度和层数，节约了制板成本。此外，数据传输采用链路口的DMA方式并不占用DSP内核的运算时间，可以提高处理板的实时性能。因而采用将4片ADSP-TS201通过链路口两两互连，形成松耦合的多DSP结构，如图2所示。各DSP通过链路口可在任意两个DSP之间进行最高达500 MB／s的数据传输。

板卡主要以4片TS201与1片FPGA为核心，外加FLASH，SDRAM与光纤及其配置芯片协同完成数据存储及传输。FPGA主要完成系统中与雷达匹配的时序控制，对板外的数据传输与对DSP的总线通信。FPGA通过两套独立的32位外部数据总线与DSP0和DSP1连接，采用流水协议，外部总线工作频率为50 MHz，可以实现400 MB／s的数据传输速度，达到了系统可进行高速数据传输的要求。系统时钟为50 MHz，TS201经12倍频工作在600 MHz，单板卡的系统峰值处理能力可以达到14．4 Gflops，板卡运算速度满足了系统需求。

2．2 系统软件设计及优化

系统算法的复杂性与计算中的动态范围的要求，系统算法在DSP中软件化设计，调试方便。回波经微波合成后形成和、差路及两路辅助通道信号，A／D采样正交差值后形成4路数据经光纤传入FPGA，DSP0经总线以DMA方式接收4路数据，并分发至其它3片DSP。各DSP单独处理一路数据，如图2所示，MTD后回传至DSP1进行副瓣匿影及门限检测，并估算目标方位偏差量，检测结果由DSP1经总线以DMA方式返还至FPGA，所有的模块限制在1个脉冲周期内完成，形成了图3的软件流程图。

（1）数字脉冲压缩。