基于ADSP-TS101S的多芯片數字信號處理系統的實現方案

電子設計應用2004年第9期

摘    要：本文是基于ADSP-TS101S的多芯片數字信號處理系統的實現方案。該系統應用于某雷達的信號處理機。文中首先介紹了多片TigerSHARC DSP芯片構成的信號處理系統組成；其次估計系統的運算量，所需計算時間；最后具體說明了CPLD產生復位信號及并-串轉換功能實現的方法。
關鍵詞： ADSP-TS101S；運算量；復位；并-串轉換

引言
隨著人們對實時信號處理要求的不斷提高和大規模集成電路的迅速發展，作為數字信號處理的核心和標志的DSP得到了快速的發展和應用。本文基于ADI公司的一款DSP —— TigerSHARC，比較詳細地介紹了在信號處理系統中的一套具體實現方案。

圖1  信號處理機結構框圖

系統設計及各部分功能簡介
本系統是某雷達的信號處理機，通過ADC讀入中頻數據，DSP1、DSP2完成數據的脈沖壓縮和旁瓣抑制，DSP3、DSP4完成數據的積累和求模，DSP5實現視頻數據的歸一化、通過DAC輸出視頻數據和發送并行數據。系統結構如圖1所示。
本系統中，ADC采用具有12位有效數據位、25MSPS轉換速率的AD9225，將I、Q兩路模擬信號以某一采樣率轉換為數字信號，高10位送至DSP。
本系統采用TigerSHARC DSP，該芯片最高運行速度300MHz，內核指令周期3.3ns，每周期能夠執行多達4條指令，24個16-bit定點運算和6個浮點運算，并包含6MB的片內SRAM，具有很高的存儲和運算性能，在信號處理領域應用價值很高。為了簡化系統硬件，減少DSP片間連線，系統的5個DSP以松耦合的鏈路方式進行連接。DSP1通過外部DMA方式讀入中頻解調后的I、Q路數據，DSP1對讀入的部分數據進行脈沖壓縮(匹配濾波)，并將處理后的數據及未處理數據通過鏈路口2發送給DSP2。DSP2對剩余的數據進行脈沖壓縮。DSP2將所有處理完的數據送至DSP3。由于要進行幾十幀的積累，數據量很大，DSP3和DSP4分別承擔一半數據的積累、求模運算。DSP4把求模結果發到DSP5。DSP5將數據歸一化生成視頻數據，視頻數據以DMA方式通過外部口送出。在不同工作模式下還要發送并行數據到CPLD。
程序加載：本系統采用EPROM程序引導方式。利用TigerSHARC DSP的鏈路口進行數據傳送時，每次發送字長必須設置4字，發送字數必須為4的倍數，且數據起始地址必須每4字對齊。故發送方DSP必須每次從EPROM讀入4個32位字，通過加載鏈路發送。
DAC采用具有10位有效數據位、125MSPS轉換速率的高速器件AD9750，將視頻數據以某固定速率轉換為模擬信號。

圖2脈沖壓縮濾波器算法框圖

圖3  TigerSHARC DSP的上電復位波形

CPLD完成數據鎖存、DSP的復位信號產生和將并行數據轉換為某波特率的串行數據輸出(串行輸出滿足RS-232標準)等功能。
時鐘：DSP內部均采用板內40MHz晶振產生的時鐘。A/D取樣時鐘應與系統時鐘鎖相，故將10MHz系統時鐘經ICS 601M鎖相為40MHz，經40ME腳輸入CPLD，分頻后產生A/D采樣時鐘信號，D/A采樣的工作時鐘也由它產生。單板調試時只能全部利用板內時鐘工作，故40ME要用跳線器選擇。
電源：TigerSHARC DSP有三個電源，數字3.3V，用于I/O供電；數字1.2V，用于DSP內核供電；模擬1.2V，用于內部鎖相環和倍頻電路供電。TigerSHARC DSP要求數字3.3V和1.2V應同時上電。若無法嚴格同步，應保證內核電源1.2V先上電，I/O電源3.3V后上電。本系統在數字3.3V輸入端并上大電容，數字1.2V輸入端并上小電容，使得3.3V充電時間大于1.2V充電時間，很好地解決了電源的供電先后問題。各片DSP的數字1.2 V電源各由一片MAX1951將+5V轉換成1.2V供給。所有DSP的模擬1.2V電源統一由一片REG1117A將模擬+5V轉換成1.2V供給。5片DSP的I/O 3.3V電源由一片REG1117將數字+5V轉換成3.3V統一供給。

系統運算量分析及
計算時間估計
根據信號雷達處理的任務，下面具體分析系統各組成部分運算量，估計所需計算時間。(信號處理每幀應小于1ms)
脈沖壓縮
采用FFT技術實現脈沖壓縮濾波，算法如圖2所示。根據運算需要，要做512、1024和4096點復數FFT。復數FFT完成后，它必須和預先存儲好的匹配濾波器系數H(k)相乘，需要做512、1024和4096個復數乘法，相乘結果還需做512、1024和4096點復數IFFT以獲得脈壓結果。TS101做1024點復數FFT(IFFT)在本系統的實際應用中大約需要50ms(工作在200MHz)。可以充分利用TS101雙運算塊，單指令多數據(SIMD)的特點，同時進行兩個距離單元的復數乘法，完成1024個復數乘法僅需15ms。這樣完成512、1024和4096點的脈沖壓縮，分別需要60ms、120ms和460ms。由于DSP1要采用DMA方式對每幀數據分段讀數，沒有充足時間進行4096點脈沖壓縮，因此將其放在DSP2中完成。
旁瓣抑制
采用時域綜合法對二相碼進行旁瓣抑制，在脈沖壓縮的匹配濾波系數中綜合旁瓣抑制系數，從而達到抑制旁瓣的效果。該算法是在脈沖壓縮的基礎上實現的，對DSP的運算量和時間不產生附加影響。
積累
積累采用滑窗積累法，計算量較少，TS101實現有較大時間富余。實際要求至少35幀積累，每個周期I、Q兩路共2