TigerSHARC DSP在信號處理系統(tǒng)中的應用
關鍵詞：TigerSHARC DSP；運算量；復位；功耗
隨著人們對實時信號處理要求的不斷提高和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，作為數(shù)字信號處理核心和標志的數(shù)字信號處理器?ＤＳＰ?芯片得到了快速的發(fā)展和應用。本文將介紹Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ公司的一款ＤＳＰ－ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ在信號處理系統(tǒng)中的應用，并將對設計中的一些問題進行討論說明。
１ 系統(tǒng)設計及各部分功能簡介
圖１所示是一個信號處理系統(tǒng)的硬件框圖。實際上，為了簡化系統(tǒng)硬件，減少ＤＳＰ片間連線，該系統(tǒng)的６個ＤＳＰ以松耦合的鏈路方式進行連接。首先由ＤＳＰ１通過外部ＤＭＡ方式讀入中頻解調后的Ｉ、Ｑ路數(shù)據(jù)，并由ＤＳＰ１對讀入數(shù)據(jù)進行脈沖壓縮?匹配濾波?，脈沖壓縮后進行二次對消，以消除固定雜波。再由ＤＳＰ１將處理后的數(shù)據(jù)按距離單元段通過鏈路口０、１分別發(fā)送給ＤＳＰ２、ＤＳＰ４。ＤＳＰ２、ＤＳＰ４主要進行目標檢測?ＭＴＤ?，并采用滑窗加權ＦＦＴ實現(xiàn)窄帶多譜勒濾波器組。當ＤＳＰ２、ＤＳＰ４完成ＭＴＤ后? 再將對應每個距離單元的１６個輸出數(shù)據(jù)通過鏈路口分別送到ＤＳＰ３和ＤＳＰ５。之后，由ＤＳＰ３、ＤＳＰ５先進行求模運算，再進行恒虛警計算。ＤＳＰ３、ＤＳＰ５處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)鏈路口傳輸?shù)剑模樱校叮冢模樱校督拥皆撔盘柡?，先對距離單元內１６個輸出進行門限處理，并選擇其中最小雜波剩余值作為本單元的輸出。門限處理后，ＤＳＰ６還應完成視頻積累，視頻積累采用累加求平均的方式，這樣可以避免反饋積累的拖尾現(xiàn)象。視頻數(shù)據(jù)以ＤＭＡ方式通過外部口送出，并分別加到Ｄ／Ａ與ＤＳ９６Ｆ１７２等輸入端，前者產(chǎn)生模擬視頻，后者以差分形式送到顯示單元。
圖1
２?。裕椋纾澹颍樱龋粒遥?ＤＳＰ簡介
ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ是一款高性能的靜態(tài)超標量數(shù)字信號處理器，該處理器專為大的信號處理和通信任務而在結構上進行了優(yōu)化。由于該處理器將非常寬的存儲帶寬和雙運算模塊結合在一起，從而建立了數(shù)字信號處理器性能的新標準。ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ靜態(tài)超標量結構使ＤＳＰ每周期能夠執(zhí)行多達４條指令、２４個１６－ｂｉｔ定點運算和６個浮點運算。
該ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ器件在三條相互獨立的１２８ｂｉｔ寬度的內部數(shù)據(jù)總線中，每條可連接三個２Ｍｂｉｔ內部存儲器中的一個，并可提供４個字的數(shù)據(jù)、指令及Ｉ／Ｏ訪問和１２Ｇｂｙｔｅｓ／ｓ的內部存儲器帶寬。當其運行在２５０ＭＨｚ時，ＡＤＳＰ－ＴＳ１０１Ｓ的內核指令周期為４ｎｓ，同時可以提供２０億次的４０ｂｉｔ ＭＡＣ運算或者５００萬次８０ｂｉｔ ＭＡＣ運算。
ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ器件的主要性能如下：
●最高運行速度為２５０ＭＨｚ，指令周期為４ｎｓ；
●帶有６Ｍｂｉｔｓ片內ＳＲＡＭ；
●帶有雙運算模塊?每個內部包含有一個ＡＬＵ、一個乘法器、一個移位器和一個寄存器組；
●具有一個外部端口、４個鏈路口和可編程標志引腳、ＳＤＲＡＭ控制器和２個定時器；
●與用于片上仿真的ＩＥＥＥ１１４９．１標準的ＪＴＡＧ接口兼容；
●可通過共享總線無縫連接多達８個Ｔｉｇｅｒ-ＳＨＡＲＣ ＤＳＰ的片內總線仲裁。
３ 系統(tǒng)運算量分析及計算時間估計
根據(jù)信號處理任務，下面具體分析系統(tǒng)各組成部分的運算量，并估計所需的時間，并確定完成算法所需的ＤＳＰ數(shù)目（總信號處理周期小于１０００μｓ）。
３．１ 脈沖壓縮
圖２所示是采用ＦＦＴ技術實現(xiàn)脈沖壓縮濾波的算法框圖。若總距離單元數(shù)為１２００，則需做２０４８點復數(shù)ＦＦＴ。當２０４８點復數(shù)ＦＦＴ完成后，還必須和預先存儲好的匹配濾波器系數(shù)Ｈ?ｋ?相乘。一般需要做２０４８個復數(shù)乘法，相乘結果還需做２０４８點復數(shù)ＩＦＦＴ以獲得脈沖壓縮結果。ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ做２０４８點復數(shù)ＦＦＴ?ＩＦＦＴ?大約需要１００μｓ?工作在２５０ＭＨｚ?。因此，可以充分利用ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ的雙運算塊和單指令多數(shù)據(jù)?ＳＩＭＤ?特點同時進行兩個距離單元的復數(shù)乘法，這種方法完成２０４８個復數(shù)乘法僅需２５μｓ。
固定雜波對消可以采用二次對消器來實現(xiàn)，其差分方程為：
ｙ（ｎ）＝ｘ（ｎ）－２ｘ（ｎ－１）＋ｘ（ｎ－２）
對于每個距離單元，它都需要取三個數(shù)、做兩個減法、一個加法并存儲一個數(shù)，這樣，完成１２００個距離單元的二次對消大約需要２５μｓ。因此，脈沖壓縮和固定雜波二次對消只需要一片ＤＳＰ便可完成，而且還有較多時間富余。
３．２ 動目標檢測（ＭＴＤ）
用ＦＦＴ實現(xiàn)窄帶多譜勒濾波器組時，為了降低旁瓣，可在系統(tǒng)中采用滑窗加權ＦＦＴ的方法，權系數(shù)為海明權，即：
Ｓ（ｋ）＝ＦＦＴ{Ｓ(ｎ)Ｗ(ｎ)}? ?。睿剑?１,２,…Ｎ－１
其中Ｓ(ｎ)為雷達回波序列,而Ｗ(ｎ)則可用下式表示：
Ｗ(ｎ)＝０．５４－０．４６ｃｏｓ[２πｎ／（Ｎ－１）]
?。睿剑?１,２,…Ｎ－１
ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ做１６點加權復數(shù)ＦＦＴ大約需要８０個指令周期?０．３２μｓ?，因此，當距離單元數(shù)為１２００時，共需３８４μｓ。這樣，此滑窗多譜勒濾波器組?考慮到運算的輔助操作?僅需要兩片ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ就可實現(xiàn)并行處理，且還有較多的富余時間。
３．３ 求模
求模可采用如下近似公式：
一般情況下，求模須對每個距離單元的１６個通道ＦＦＴ輸出進行運算。ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ做一個１６通道的求模運算需要０．５μｓ，距離單元數(shù)為１２００時，共需６００μｓ?故可由兩片ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ并行處理。
３．４ 恒虛警
恒虛警算法框圖如圖３所示。
該算法可充分利用ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ的雙運算模塊，同時并行處理兩個距離單元的兩個通道，完成１２００個距離單元的１６個通道的恒虛警計算共需５００μｓ，故可用ＤＳＰ３和ＤＳＰ４并行處理。
３．５ 積累
積累可采用簡單累加求平均的方式，由于其計算量較少，因此，用一片ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ實現(xiàn)仍有較大時間富余。
綜上所述，由ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ構成的高速信號處理系統(tǒng)總共僅需６片ＤＳＰ，即可對不同的距離單元段進行并行處理。
４ ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ特殊的復位方式
ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ的上電復位波形較為特殊，在設計時應充分重視，建議采用ＣＰＬＤ實現(xiàn)其復位。上電復位波形要求如圖４所示。但應注意以下幾點：
（１）ｔＳＴＡＲＴ＿ＬＯ在供電穩(wěn)定之后必須至少大于１ｍｓ?
（２）ｔＰＵＬＳＥ１＿ＨＩ必須大于５０個系統(tǒng)時鐘周期，同時小于１００個系統(tǒng)時鐘周期；
（３）ｔＰＵＬＳＥ２＿ＬＯ 必須大于１００個系統(tǒng)時鐘周期。
（４）在ＤＳＰ上電后，如需正常復位，其低電平持續(xù)時間必須大于１００個系統(tǒng)時鐘周期。
本系統(tǒng)采用ＥＰ１Ｋ５０產(chǎn)生上電復位波形和時序控制。由于ＥＰ１Ｋ５０需要一個配置芯片，而且它和ＤＳＰ存在一個上電先后的問題。也就是說，在上電后，如果ＣＰＬＤ芯片完成配置文件的讀入時，ＤＳＰ仍未上電穩(wěn)定，則應充分延長Ｔｓｔａｒｔ＿ｌｏ的低電平時間，以避免ＤＳＰ上電未穩(wěn)定而ＣＰＬＤ上電波形已結束。因此，應保證ＤＳＰ上電穩(wěn)定先于ＣＰＬＤ芯片配置文件的讀入，此問題在系統(tǒng)設計時應予以充分重視，否則ＤＳＰ將無法正常工作。
５ 電源供電及功耗估計
ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ有三個電源，其中數(shù)字３．３Ｖ為Ｉ／Ｏ供電；數(shù)字１．２Ｖ為ＤＳＰ內核供電；模擬１．２Ｖ為內部鎖相環(huán)和倍頻電路供電。ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ要求數(shù)字３．３Ｖ和１．２Ｖ應同時上電。若無法嚴格同步，則應保證內核電源１．２Ｖ先上電，Ｉ／Ｏ電源３．３Ｖ后上電。本系統(tǒng)在數(shù)字３．３Ｖ輸入端并聯(lián)了一個大電容，而在數(shù)字１．２Ｖ輸入端并聯(lián)了一個小電容，其目的就是為了保證３．３Ｖ充電時間大于１．２Ｖ充電時間，以便很好地解決電源供電先后的問題。
５．１ 內核功耗估計
內核最大電流為１．２７７Ａ，該電流是ＤＳＰ進行單指令多數(shù)據(jù)（ＳＩＭＤ）方式下，４個１６位定點字乘加與兩個四字讀取并行操作以及進行由外部口到內部存儲器ＤＭＡ操作所需的電流。實際上，ＤＳＰ內核電流大小還和內核工作頻率有關，圖５所示是其內核電流與頻率的關系曲線。因此，供給ＤＳＰ內核電流可根據(jù)不同的并行處理任務和內核工作頻率來確定。若并行處理較少，工作頻率低，所需電流就小。這樣，最大內核功耗為：
ＰＤＤ＝ＶＤＤ×ＩＤＤ＝１．２×１．２７７＝１．５３４Ｗ
５．２ 外部口功耗估計
外部口的功耗（對ＶＤＤ－ＩＯ）主要是輸出引腳(例如數(shù)據(jù)線的某個位由高到低，或由低到高) 轉換的功率消耗，而且該功耗與系統(tǒng)無關。由于這種轉換的外部平均電流為０．１３７Ａ，因此，功耗為：
ＰＤＤ＿ＩＯ＝０．１３７０Ａ×３．３Ｖ＝０．４５Ｗ 
６ 結束語
本文介紹了多片ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ在實時信號處理系統(tǒng)中的應用。該系統(tǒng)充分利用了ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ高速的運算能力及數(shù)據(jù)吞吐量，可對不同的距離單元段進行并行處理。文中分析了系統(tǒng)的運算量、所需計算時間以及完成算法所需的ＤＳＰ數(shù)，并且討論了ＤＳＰ應用過程中的復位，電源設計和功耗問題，因而具有一定的工程指導意義。實踐表明，由ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ ＤＳＰ構成的系統(tǒng)硬件結構簡單，軟件編寫容易，且成本較低。目前該系統(tǒng)已成功用于某雷達系統(tǒng)。
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