閆法鋼（第七一五研究所，杭州，310023）

功率譜是描述隨機(jī)信號(hào)的一個(gè)主要特征量，在隨機(jī)信號(hào)的分析和處理中有著重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用[1]。為了得到盡可能接近于真實(shí)的功率譜，需要采集足夠多的信號(hào)樣本。但在實(shí)際工作中，處理器的數(shù)據(jù)空間有時(shí)制約了采集量，如何有效地利用有限的數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集和處理成為一個(gè)有待解決的問(wèn)題。

1 TMS320VC5416數(shù)據(jù)空間介紹

TMS320VC5416是TI公司推出的一款16位定點(diǎn)DSP，TI公司為用戶免費(fèi)提供了優(yōu)化的信號(hào)處理函數(shù)庫(kù) DSPLIB，其中包含 FFT、FIR等常用函數(shù)接口，非常適合對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。但其可訪問(wèn)的數(shù)據(jù)空間僅為64 k，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，需要連續(xù)采集大于 64 k的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間不能滿足使用要求。本文通過(guò)在 TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間內(nèi)構(gòu)建一塊乒乓結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)空間，循環(huán)使用，實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與功率譜估計(jì)。TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間如圖1所示。其中，低32 k空間固定映射在片內(nèi) RAM，高 32 k空間可以配置為映射在片內(nèi)RAM或片外RAM[2]。

圖1 TMS320VC5416數(shù)據(jù)空間示意圖

對(duì)于片內(nèi)存儲(chǔ)器的操作有如下優(yōu)勢(shì)：（1）高效率，不用插入等待周期；（2）高性能，數(shù)據(jù)流可以更快到達(dá)中心算術(shù)邏輯單元；（3）比外部存儲(chǔ)器更低的硬件開銷；（4）比外部存儲(chǔ)器更低的功耗。

2 乒乓緩存算法介紹[3]

乒乓緩存算法用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)buffer的數(shù)據(jù)交替存取。典型的乒乓操作方法如圖2所示。輸入數(shù)據(jù)流通過(guò)“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”將數(shù)據(jù)流等量分配到兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在第一個(gè)緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”；在第二個(gè)緩沖周期，通過(guò)“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”，同時(shí)將“數(shù)據(jù)緩沖模塊 1”緩沖的第一個(gè)周期數(shù)據(jù)通過(guò)“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”的選擇，送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理；在第三個(gè)緩沖周期通過(guò)“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”，同時(shí)將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第2個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過(guò)“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”切換，送到“數(shù)據(jù)流運(yùn)算處理模塊”進(jìn)行運(yùn)算處理，如此循環(huán)。

圖2 乒乓緩存操作示意圖

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 Bartlett法的介紹[1]

Bartlett法是功率譜估計(jì)常用的方法之一，它是用改進(jìn)的平均周期圖法來(lái)求取隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度估計(jì)。其思想是將長(zhǎng)度為N的采樣隨機(jī)信號(hào)平均分成L段，每段長(zhǎng)度為M，先用周期圖法計(jì)算每一段的功率譜，然后再將總的功率譜密度加以平均（周期圖法，即是把隨機(jī)序列x(n)的N個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)視為一個(gè)能量有限的序列，直接計(jì)算x(n)的離散傅里葉變換(DFT)，得X(f)，然后再取其幅值的平方，并除以N，作為序列x(n)真實(shí)功率譜的估計(jì)）。

3.2 Bartlett法的軟件實(shí)現(xiàn)

本文基于 TMS320VC5416平臺(tái)[4]，對(duì) A/D采集的信號(hào)采用Bartlett法進(jìn)行功率譜估計(jì)，設(shè)定A/D采樣頻率為35.714 kHz，采樣量128 k，要求譜分辨率不低于40 Hz。為了滿足最低分辨率的要求，本文采用1024點(diǎn)FFT，分辨率約為35 Hz。按照前面Bartlett法所述，將128 k數(shù)據(jù)等長(zhǎng)度分成128段，每段長(zhǎng)度1 k。分別對(duì)每段數(shù)據(jù)利用TI DSPLIB提供的cbrev、rfft庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)1024點(diǎn)FFT[4]，先用周期圖法計(jì)算每段的功率譜，然后再將總的功率譜密度加以平均，得到最終的功率譜估計(jì)。TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間大小為64 k。其中，存儲(chǔ)器映射寄存器占用了128 byte，系統(tǒng)堆棧需要約1 k byte，剩余的數(shù)據(jù)空間不足以存放128 k的數(shù)據(jù)量。因此，無(wú)法一次性采集所有數(shù)據(jù)后再進(jìn)行處理，只能采用采集與處理并行的方式進(jìn)行。在數(shù)據(jù)空間構(gòu)建一個(gè)乒乓數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)存循環(huán)利用實(shí)現(xiàn)了A/D數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、實(shí)時(shí)處理。使用內(nèi)存分配如表1所示。

表1 內(nèi)存分配圖

在數(shù)據(jù)空間分配三段大小為1 k的空間。其中，數(shù)組Ping[1024]和Pang[1024]用于存放A/D采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為short型；數(shù)組powerSpecturm用于存放功率譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為long型, 由于實(shí)數(shù)序列的傅里葉變換關(guān)于奈奎斯特點(diǎn)偶對(duì)稱，因此一半的頻譜已經(jīng)可以反映完整的頻譜信息。

本文A/D采集使用中斷的方式進(jìn)行，每開始計(jì)算一批新的數(shù)據(jù)的功率譜，需要先將數(shù)組powerSpecturm清零，然后打開A/D中斷，開始接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。將第一段1024個(gè)數(shù)據(jù)順序存入數(shù)組Ping[1024]，存滿后，即對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：FFT運(yùn)算、利用周期圖法計(jì)算該段數(shù)據(jù)的功率譜、并將結(jié)果對(duì)應(yīng)累加于數(shù)組 powerSpecturm。在對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時(shí)，A/D采集依然在進(jìn)行，將后續(xù)采集的數(shù)據(jù)順序存入數(shù)組 Pang[1024]。在數(shù)組 Pang[1024]存滿之前，須保證對(duì)數(shù)組Ping[1024]的處理已經(jīng)完成。當(dāng)數(shù)組Pang[1024]存滿后，再對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將后續(xù)采集的數(shù)據(jù)存放于數(shù)組Ping[1024]。依此循環(huán)，待128批數(shù)據(jù)全部采集處理完后，關(guān)閉A/D中斷，將powerSpecturm除以 128（總段數(shù)）取平均值，得到最終的功率譜估計(jì)。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

采用上述方法，需要滿足一個(gè)條件，即在下一段數(shù)據(jù)采滿之前，對(duì)上一段數(shù)據(jù)的處理必須已經(jīng)完成，否則，有用數(shù)據(jù)將會(huì)被覆蓋，導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。利用TI DSPLIB提供的cbrev、rfft等庫(kù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]，可以極大地縮短數(shù)據(jù)的處理時(shí)間，rfft庫(kù)函數(shù)對(duì)1024點(diǎn)數(shù)據(jù)做FFT的時(shí)間僅為25716個(gè)機(jī)器周期，DSP系統(tǒng)時(shí)鐘為160 M，經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，每段數(shù)據(jù)的處理時(shí)間不超過(guò)1μs，而采集1 k數(shù)據(jù)需要31.3 μs，因此，滿足要求。為了驗(yàn)證該方法的正確性，利用信號(hào)源產(chǎn)生9.6 kHz的正弦信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證，在CCS開發(fā)環(huán)境下， A/D采集數(shù)據(jù)如圖4所示，功率譜如圖5所示。從圖5可以看出，峰值出現(xiàn)在第275根譜線處，該譜線對(duì)應(yīng)于9.6 kHz的正弦信號(hào)，說(shuō)明該方法有效。

圖4 輸入波形

圖5 功率譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于 TMS320VC5416處理器，通過(guò)使用乒乓技術(shù)，利用3 k的數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)了128 k數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與功率譜估計(jì)。采用這種方法，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，在較低的數(shù)據(jù)配置下，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的處理，對(duì)于類似需要大量片內(nèi)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場(chǎng)合具有重要意義。采用此方法進(jìn)行的功率譜估計(jì)，能夠充分利用片內(nèi)的數(shù)據(jù)空間，滿足使用要求。以該方法實(shí)現(xiàn)的功率譜估計(jì)已經(jīng)應(yīng)用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性，可以推廣應(yīng)用于類似的需要大量數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場(chǎng)合。

[1]胡廣書. 數(shù)字信號(hào)處理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社.1997.

[2]Texas Instruments. TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Date Manual[M]. 2003.

[3]周如輝. 實(shí)時(shí)視頻處理系統(tǒng)中乒乓緩存控制器的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用,2006,33(4):66-68.

[4]合忠達(dá)電子公司. SEED-DEC5416用戶指南[M]. 2004.

[5]林靜然. 基于 TIDSP的通用算法實(shí)現(xiàn)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.