張珊，周欣，吳瑛

(信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450002)

無線電測(cè)向系統(tǒng)主要用來測(cè)定各類偵察目標(biāo)的地理位置和移動(dòng)情況，目前在技術(shù)偵察、電子對(duì)抗等領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。無線電測(cè)向系統(tǒng)主要包括兩方面功能:對(duì)空間信號(hào)波達(dá)方向(DOA)的估計(jì)和數(shù)字波束合成。波達(dá)方向的估計(jì)就是確定同時(shí)處在空間某一區(qū)域內(nèi)多個(gè)感興趣信號(hào)的空間位置(即多個(gè)信號(hào)到達(dá)陣列參考陣元的方位角及仰角)；數(shù)字波束合成的目的是在增強(qiáng)期望信號(hào)的同時(shí)最大程度地抑制無用的干擾和噪聲，并提取有用的信號(hào)特征以及信號(hào)所包含的信息，主要是根據(jù)信號(hào)環(huán)境的變化，自適應(yīng)地改變各陣元的加權(quán)因子，在期望信號(hào)方向形成主波束，在干擾信號(hào)方向形成零陷，降低副瓣電平。本文所介紹的無線電測(cè)向系統(tǒng)要求在一定時(shí)間內(nèi)完成測(cè)向和波束合成，需要選擇合適的算法和快速的信號(hào)處理器來保證高速度、高靈敏度和高精度。

1 TS201的主要特點(diǎn)

TS201是ADI公司繼ADSP-TS101之后又推出的新一代高性能Tiger-SHARC處理器，它集成了更大容量的存儲(chǔ)器，性價(jià)比很高。它兼有ASIC和FPGA的信號(hào)處理性能和指令集處理器的高度可編程性與靈活性，適用于高性能、大存儲(chǔ)量的信號(hào)處理和圖像應(yīng)用。其特點(diǎn)如下:

(1)主頻為600 MHz，即單指令周期為1.67 ns；有2個(gè)對(duì)等的處理單元來支持SIMD(單指令多數(shù)據(jù))模式。

(2)片內(nèi)24 Mbit的存儲(chǔ)空間，分成6個(gè)4 Mbit的存儲(chǔ)塊。DSP可以在一個(gè)周期內(nèi)從存儲(chǔ)器的任意位置加載一個(gè)2×128 bit的數(shù)據(jù)。

(3)系統(tǒng)內(nèi)部有4條獨(dú)立的128 bit數(shù)據(jù)總線，分別訪問不同的4 Mbit內(nèi)部存儲(chǔ)塊。

(4)4個(gè)8 bit的全雙工鏈路口，各自可以獨(dú)立工作。在多處理器系統(tǒng)中，鏈路口可作為處理器之間的點(diǎn)到點(diǎn)通信，組成分布式的多處理器系統(tǒng)。14個(gè)DMA通道，可用于后臺(tái)傳輸。DMA傳輸速率可達(dá)1 Gb/s。

(5)三級(jí)復(fù)位，即上電復(fù)位、正常復(fù)位和DSP核復(fù)位。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線電測(cè)向系統(tǒng)由4個(gè)部分組成:陣列天線、多通道接收機(jī)、陣列信號(hào)處理器以及監(jiān)控終端，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用9元均勻面陣，多通道接收機(jī)完成信號(hào)的采樣，再經(jīng)過數(shù)字下變頻，送到處理單元的9個(gè)通道。數(shù)字信號(hào)處理器為該系統(tǒng)的核心部分。由于考慮陣列信號(hào)處理的運(yùn)算量較大(特征值分解及多次復(fù)矩陣相乘等運(yùn)算)，為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，故選用2片主頻為600 MHz、內(nèi)存為24 Mbit的TS201芯片作為本系統(tǒng)的處理器。其中一片用來實(shí)現(xiàn)測(cè)向算法，另一片用來實(shí)現(xiàn)波束合成算法。

3 算法研究

3.1 算法簡(jiǎn)介

通過對(duì)各種測(cè)向和波束合成算法的比較，選擇了多重信號(hào)分類MUSIC算法和基于干擾源定向的零點(diǎn)預(yù)處理算法。

多重信號(hào)特征算法MUSIC(Multiple Signal Characteristic)是一種基于矩陣特征空間的方法，它將觀測(cè)空間分解為信號(hào)子空間和與之正交的噪聲子空間。信號(hào)子空間由陣列接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差距陣中與信號(hào)對(duì)應(yīng)的特征向量張成，而噪聲子空間則由該協(xié)方差距陣中所有最小特征值(噪聲方差)對(duì)應(yīng)的特征向量張成。多重信號(hào)特征法就是利用這兩個(gè)互補(bǔ)空間之間的正交特性來估計(jì)空間信號(hào)的方位，噪聲子空間的所有向量都被用來構(gòu)造譜估計(jì)器，所得空間方位譜中的峰值位置就是空間信號(hào)的方位估計(jì)。多重信號(hào)特征法大大提高了陣列信號(hào)處理的分辨率,可應(yīng)用于任意形狀的陣列和特性相異的陣元。

基于干擾源定向的零點(diǎn)預(yù)處理算法是在對(duì)各種自適應(yīng)波束合成算法研究的基礎(chǔ)上，基于協(xié)方差矩陣的特征分解，結(jié)合采樣協(xié)方差矩陣求逆(SMI)算法[2]、基于特征空間(ESB)[3，4]、預(yù)投影變換[5]等自適應(yīng)波束合成算法的知識(shí)，以及MUSIC算法中對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解提取出信號(hào)子空間等手段而提出的一種新的自適應(yīng)波束合成方法。它與陣列形狀無關(guān)，在對(duì)干擾源進(jìn)行精確定向的情況下，提取干擾信號(hào)的噪聲子空間對(duì)陣列觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)預(yù)處理再進(jìn)行傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束合成，從而使得陣列方向圖在干擾方向形成極深零陷的同時(shí)在期望方向形成主瓣。該算法對(duì)干擾的抑制能力很強(qiáng)，合成增益接近最優(yōu)；對(duì)幅相誤差、實(shí)際期望信號(hào)來向誤差不敏感，有著很強(qiáng)的穩(wěn)健性，適合實(shí)際使用。

兩種算法的流程圖如圖2、圖3所示。

3.2 仿真結(jié)果

MUSIC算法:

仿真實(shí)驗(yàn)中，天線陣列為9元均勻面陣，天線陣元間距是二分之一中心波長(zhǎng)，信號(hào)點(diǎn)數(shù)500點(diǎn)，信號(hào)來波方向?yàn)閇15°100°，60°320°]。仿真結(jié)果見圖4。

零點(diǎn)預(yù)處理算法:

圖2 MUSIC算法流程圖

圖3 零點(diǎn)預(yù)處理算法流程圖

實(shí)驗(yàn)環(huán)境同MUSIC算法，設(shè)空間三個(gè)信號(hào)，其中期望信號(hào)來波方向?yàn)閇100°30°]，干擾信號(hào)來波方向?yàn)閇40°30°，160°30°]。仿真結(jié)果見圖5。

從圖4可以看出，在[15°100°]和[60°320°]方向上出現(xiàn)了2個(gè)尖峰，說明MUSIC算法可以準(zhǔn)確地測(cè)出空間2個(gè)信號(hào)的來向。從圖5可以看出，零點(diǎn)預(yù)處理算法在期望方向形成主波束，在干擾方向形成門限。試驗(yàn)證明，選擇這兩種算法是正確合理的。

4 DSP模塊功能

系統(tǒng)通信的命令格式如圖6。

圖6 命令格式

系統(tǒng)工作過程如下:

監(jiān)控終端微機(jī)通過VXI總線給DSP-A發(fā)送命令，DSP-A接到命令后，按照內(nèi)部協(xié)議產(chǎn)生校驗(yàn)碼，如果與收到的校驗(yàn)碼一致，則根據(jù)命令號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)向或波束合成操作。中斷1用于DSP和監(jiān)控終端微機(jī)之間的通信，中斷0則用于2片DSP之間的通信。DSP-A若接到測(cè)向命令，則在DSP-A中取出測(cè)向結(jié)果；DSP-A若接到波束合成命令，則向DSP-B產(chǎn)生中斷0，取出波束合成結(jié)果。

本系統(tǒng)采用2片DSP作為無線電測(cè)向系統(tǒng)的核心處理器，其中一片在50 ms之內(nèi)完成測(cè)向，另一片在10 ms之內(nèi)完成波束合成。根據(jù)實(shí)際需求，測(cè)向系統(tǒng)將完成以下功能:

(1)多次測(cè)向:由于實(shí)際中測(cè)向結(jié)果存在誤差，通常進(jìn)行多次測(cè)向，再取平均，以提高精度。測(cè)向次數(shù)可以由用戶自由選擇。

(2)自動(dòng)跟蹤:系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)跟蹤態(tài)時(shí)，先由DSP-A測(cè)出信號(hào)的角度信息，DSP-B再根據(jù)已知的角度信息進(jìn)行波束合成，使得主波束一直對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)的方向，以此達(dá)到跟蹤信號(hào)的目的。

(3)指定方向:系統(tǒng)設(shè)置為指定方向態(tài)時(shí)，DSP-B波束合成之后將主波束指向用戶指定的方向，以便用戶觀察自己感興趣方向上的信號(hào)動(dòng)向。

2片DSP的程序流程圖如圖7、圖8所示。

MUSIC和零點(diǎn)預(yù)處理算法中大部分都是復(fù)數(shù)運(yùn)算，其中復(fù)數(shù)相乘、復(fù)矩陣特征值分解所占比例較大，二維的譜峰搜索耗費(fèi)較多時(shí)間。為此，充分利用了TS201芯片雙處理器核的SIMD結(jié)構(gòu)和單周期內(nèi)可4字讀寫的特點(diǎn)。在一個(gè)周期內(nèi)同時(shí)向X核讀入實(shí)部，Y核讀入虛部，再同時(shí)進(jìn)行乘加運(yùn)算，雙核的使用使程序的運(yùn)行周期大大減少，約為單核的1/4。對(duì)于sin和cos的計(jì)算，以0.1°為間隔進(jìn)行查表運(yùn)算，比級(jí)數(shù)展開大大減少了運(yùn)算時(shí)間，精度也達(dá)到了系統(tǒng)所需的要求。此外，在TS201的仿真環(huán)境VisualDSP++3.5中，還存在Linear profiling工具，可以分析各個(gè)子函數(shù)占總運(yùn)行時(shí)間的比例，對(duì)于把握整個(gè)程序的運(yùn)行狀況、優(yōu)化程序的瓶頸，起了很好的幫助作用。由于TS201有24 Mbit等分為6個(gè)4 Mbit存儲(chǔ)塊的大容量存儲(chǔ)空間，它可以充分存儲(chǔ)這2個(gè)算法所運(yùn)行的全部數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行內(nèi)存擴(kuò)展，這也是很多芯片所無法比擬的。綜上所述，通過合理的軟件結(jié)構(gòu)搭建和一系列的程序優(yōu)化措施，使DSP的運(yùn)行時(shí)間能夠較好地滿足系統(tǒng)所需的要求。

圖7 DSP-A 程序流程圖

圖8 DSP-B程序流程圖

5 系統(tǒng)特點(diǎn)

無線電測(cè)向系統(tǒng)要求必須以盡可能短的時(shí)間、盡可能高的精度對(duì)空中信號(hào)進(jìn)行定位和跟蹤。本系統(tǒng)充分考慮以上2個(gè)因素，具有以下特點(diǎn):

(1)穩(wěn)健、高性能的算法。通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)比較，本文選擇了具有高分辨率且性能穩(wěn)定的MUSIC算法和零點(diǎn)預(yù)處理算法。良好的算法保證了系統(tǒng)測(cè)向的精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(2)合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2片DSP的選用保證系統(tǒng)測(cè)向功能和波束合成功能互不干擾和影響。編程中充分注意雙核的并行使用及快速算法的運(yùn)用，使得系統(tǒng)的時(shí)效性大大提高(測(cè)向50 ms，波束合成10 ms)。

(3)完備可靠的通信協(xié)議。所有的通信協(xié)議均通過算法進(jìn)行加密，正確的校驗(yàn)保證了數(shù)據(jù)和命令的可靠傳輸。

本文給出的基于TS201的無線電測(cè)向系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行定位和跟蹤，通過選用高性能的MUSIC和零點(diǎn)預(yù)處理算法使得系統(tǒng)具有較高的測(cè)向精度，通過選用高速信號(hào)處理器ADSP-TS201使得系統(tǒng)具有較快的運(yùn)行速度。對(duì)DSP模塊合理的結(jié)構(gòu)搭建和一系列的優(yōu)化措施，使得系統(tǒng)滿足了指標(biāo)要求。

[1]VEEN B D V，BUCKLEY K M.B:Aversatile approach to spatial filtering.IEEE AES Magazine，1987，2(5):4-24.

[2]YU J L，YEH C C.Generlized eigenspace-based beamformers.IEEE Trans on Signal Processing，1995，43(1):2453-2461.

[3]LEE C C，LEE J H.Eigenspace-based adaptive array beam-forming with robust capabilities.IEEE Trans.Antennas Propagation，Propagation，1997，45(12):1711-17l6.

[4]AVID D，F(xiàn).A projection approach for adaptive beamforming.IEEE Trans.Signal Processing，1994，4(4):867-876.

[5]王永良，陳輝.空間譜估計(jì)理論于算法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[6]ADSP-TS201 TigerSHARC Hardware Reference.Analog Devices Inc，August 2004.

[7]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Programming Reference.Analog Devices Inc，August 2004.