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基於DSP芯片TMS320VC5402實現雷達回波信號採集和處理系統的設計

2021年01月18日 10:32 次閲讀

1引言

反應速度更快、精度更高、目標的自動錄取、使操作員能夠同時處理多批目標,是現代雷達所追求的技術指標。雷達視頻信號的數字採集和檢測是達成這樣目標的前提條件。眾所周知,雷達對目標位置的測量,主要是依據目標回波相對於發射電波的延遲時間以及雷達天線的方向來決定的。電波的傳播速度極快,傳播l海里的時間大約只有12.35μs,雷達發射電波的間隔一般在ms數量級。在此間隔時間內,理論上最多會有成百上千個目標的回波。要在如此短的時間之內,對這麼多的目標回波信號進行數字採集和處理,快速的採集器件及高速計算機處理器必不可少。DSP(DigitalSignalProcessor)芯片,即數字信號處理器,就是這樣一種特別適用於進行這種實時信號處理的微處理器。本文以某雷達的技術參數為參考,用TMS320VC5402作為信號處理器,以AD9223為A/D變換器,採用雙端口存儲芯片IDT7203作數據暫存存儲器,介紹一種實現雷達回波信號的數字採集和處理方法。

2主要器件特性

TMS320VC54x是TI公司開發的低功耗、高性能數字信號處理芯片,主要應用於無線通信系統及雷達信號處理系統等。本文所採用的TMS320VC5402芯片是此係列的一個典型產品。該芯片的主要特點有:速度快,指令週期10ns,運算能力為100MIPS;強大的尋址能力,最大可尋址外部存儲器1M×16位,內置16K×16位的RAM,4K×16位的ROM;40位的算術邏輯運算單元(ALU),包括2個獨立的40位累加器和1個40位的桶形移位寄存器;1個17位×17位的硬件乘法器和1個40位的專用加法器,乘法器/加法器單元可在一個流水線狀態週期內完成一次乘法累加運算(MA)。

AD9223是一種採用高速CMOS處理和新穎的4級流水線結構的高性能、低噪聲、單電源、12位模/數變換器。適用於航海、通信、雷達、醫療等領域的數據採集系統。其主要特點有:高速度、高分辨力,採樣時鐘頻率可達3Msps,分辨力為12位;單時鐘輸入,採用單時鐘輸入控制內部所有的轉換週期;模擬信號輸入靈活,真正的差分輸入結構允許模擬信號以單端或差分兩種分式輸入;靈活的參考電壓,適應不同應用的精度及温度漂移的要求,參考電壓可選擇內部或外部(1V或2.5V);採用4級流水線結構及寬帶取樣保持放大器(SHA),使器件在每個時鐘週期都可捕獲輸入的採樣信號,數據的輸出延時為3個時鐘週期。

IDT7203是一種雙端口先進先出(FIFO)9位存儲緩衝器,存儲容量為2KB。輸入和輸出具有各自的地址指針,每一個讀或寫操作,對應的輸出及輸入地址指針自動加1。復位信號可將兩個地址指針全部清除。對外提供數據區空(empty)、半滿(half-full)及滿(full)信號,用來指示器件的狀態。最快讀寫速度為12ns。

3二級門限判決的工作原理

雷達的視頻信號中始終包含有目標信號和噪聲信號,即x(t)=s(t)+n(t)。雷達信號處理的根本目的就是,從接收到的視頻信號x(t)中提取出有用的目標信號s(t),濾除無用的雜波或干擾信號n(t)。在進行雷達信號處理時,預先並不知道目標在一定條件下出現的概率,也很難確定一次漏警所造成的損失,故常採用奈曼一皮爾遜準則,即在允許一定虛警概率的條件下,使漏警概率達到最小。二級門限判決方法,是一種有效而實用的雷達信號處理方法。

3.1二級門限判決原理

由最佳檢測理論知道,對於非相參高頻脈衝串,採用檢波後的積累(視頻積累)來改善雷達檢測性能是一種最佳方案,其原理如圖1所示。這種方案若採用模擬電路處理,比較複雜,實現起來也相當困難;若採用數字化處理,直觀的辦法是將雷達接收機的視頻信號按距離(時間)和幅度進行量化處理變為數字信號,然後存儲N個重複週期。對每一個重複週期按距離單元對每一個單元的信號幅度值設定一個門限值(r0),稱為第一門限。對每一個重複週期所量化的所有距離單元的視頻信號值x(TI),與其相對應的門限值roi進行幅度值的比較。如果視頻信號值超出它的門限值,認為是“可能目標”信號;否則,認為無信號。這個過程稱為第一級門限判決。對應於每一個重複週期內每一個距離單元所建立的第一門限值(roi)是各不相同的,而且,每一個重複週期所建立的也各不相同。這裏將每一個重複週期所建立的第一門限值的集合稱為雜波均值估值表或叫雜波圖。對於“可能目標”信號,並不能肯定它一定是目標信號。因為有時突發的雜亂干擾信號或隨機噪聲信號,各次掃描的取樣是不相關的。它們可能會偶然一二次超過第一門限值,但連續多次超過第一門限值的可能性很小;而對於目標來説,相鄰各次掃描均應有回波信號,在N個取樣中連續超過第一門限值的概率較大。因此,需要按距離單元將超過各自第一門限值的量化脈衝進行計數,如果在N個重複週期中有K個以上的量化脈衝超過各自的第一門限值,則判決為有信號。這個過程稱為第二級門限判決(K/N判決),而K/N稱為第二門限值,工作原王單如圖2所示

基於DSP芯片TMS320VC5402實現雷達回波信號採集和處理系統的設計

3.2雜波均值估值表的建立

雜波均值估值表(雜波圖),是根據每個重複週期雷達視頻信號的量化值所建立起來的每個距離單元的雜波信號的平均值表。建立的方法為鄰近單元平均估值法。具體是,設某個距離單元TI上的視頻信號為x(TI),以ti單元為中心,前後共取n個參考距離單元,對這n個參考單元的視頻信號數值求平均值

作為這個距離單元的雜波平均估值。也叫作這個距離單元的第一門限值roi值的大小由雷達探測區域的雜波環境所決定。n值愈小,由於參考單元太少,會引起雜波平均估值的起伏變化愈大,將引起虛警概率的增加;而n值愈大時,雜波的平均估值起伏愈小,即第一門限值愈平穩,可得到恆虛警效果,但會使得資源開銷增大,增加實現的難度。對於氣象和海浪雜波來説,它們通常是連接成片的區域,比較適合採用鄰近單元平均估值法建立雜波均值表。這裏n取16。由於以52.5m為一個距離單元,相當於對檢測點前後各420m的距離範圍取雜波的平均估值。

3.3第二級門限值K/N的計算

為保證符合奈曼一皮爾遜準則,N值的選擇應取決於天線波束掃過目標的時間內目標的回波脈衝數,是由雷達的工作參數決定的。對於某船用雷達來説,其部分工作參數為:重複頻率1200Hz,觸發脈衝寬度O.7μs,天線轉速20r/min,天線波束寬度O.7°,作用距離40海里。N的取值為N=O.7×1200/(20×6)=7。根據經驗,K的取值為1.5√N。這裏K=4,即K/N=4/7。

4硬件電路設計

硬件電路工作原理如圖3所示。根據雷達的主要技術參數,得知雷達的距離分辨力為150×0.7=105m,在不降低原雷達性能的前提下,這裏選擇2.857142857MHz的採樣頻率(相當於以52.5m作為一個採樣距離單元)。存儲器以同樣的速率採集數據(大約每52.5m採集一個雷達視頻信號的數值)。這樣的話,40海里的最大測距量程,對應於雷達的每一次發射,電路應當採集1412個距離單元的視頻信號量化值(這裏取1500個距離單元),因此,雙端口RAM容量選用2KB即可。由於訪問速度要快,選用了IDT7203。對於信號的量化位數,即A/D轉換位數的選擇,考慮到量化噪聲的影響,所取的位數愈多影響愈小。為照顧DSP的處理能力以及A/D轉換器件的轉換速度,採用12位。

A/D轉換器AD9223的設置:採用片內2.5V作為參考電壓;VINB接參考電壓值,這樣VINA的輸入值最大可到5V,最小為OV;運算放大器U3提供的視頻信號應當符合這個要求。

DSP對中斷信號響應後,執行數據接收的中斷服務程序。該程序以極快的速度把雙端口RAM中的數據提取到自己的內部存儲器中,這時DSP再運行濾波和目標提取程序,最後將完全處理好的數據通過串行接口傳送出去。

雙端口RAM的讀信號RAMRD在執行讀OFF00H地址的指令時,由DSP產生的地址信號(OFF00H)、WR信號以及10STRB信號的共同作用而產生。

5軟件設計

軟件的主要任務是處理已經被數字化了的視頻信號。為了實現快速處理,程序採用彙編語言編寫,保證在一個重複週期內將數據處理完畢。程序運行的區域安排在TMS320VC5402片內RAM的0000H~03FFH的1KB內存中。數據輸入區在0400H~09FFH,佔1.5KB內存。雜波均值估值表(雜波圖)位於OA00H~OFFFH,佔1.5KB內存。輸出數據區(處理結果)位於1000H~15FFH,佔1.5KB內存。從1600H開始至3FFFH的10.5KB存儲區,被平均分為7個數據區,作為7個重複週期的數據積累區。對於存儲雷達視頻信號量化數據的每一個存儲區,其每一個地址單元的地址代表一個距離單元,其內存儲的數據代表該距離單元處視頻信號的幅度量化值。程序響應中斷後,工作過程為:數據的採集→建立雜波均值估值表(雜波圖)→第一門限判決→第二門限判決→數據輸出。方位信號的採集以及處理以後數據的輸出,此處不作討論。

5.1數據的採集

由於TMS320VC5402運行的速度極快,單指令週期為10ns,而雙端口RAM的最快訪問速度為12ns。為了保證數據的可靠讀取,把I/0操作設置為延遲2個執行週期。DSP對於外部中斷0(INTO)響應後進人中斷服務,把雙端口RAM中的數據讀到DSP的內置存儲器以0408H起始的1500個單元中。程序初始化時,將0400H起始的8個單元設置為0。這完全是為了計算雜波均值估值表(雜波圖)時的編程方便,其程序如下:

GETDATA:STM#0408H,AR6;初始地址

RPT#(1500—1);重複次數

PORTROFF00H,*AR6+;讀數

RETE ;中斷返回

5.2建立雜波均值估值表

根據3.2雜波均值估值表的建立方法,對每一個距離單元,前取8個,後取7個,共16個作參考單元,計算平均值,作該單元的雜波均值估值。總共計算1500個距離單元的雜波均值估值,放置於OA00H~OFFFH的存儲區域。具體實現時,須先計算出第一個單元的雜波平均值估值,其後的逐個計算。程序代碼如下:

STM#O4ooH,AR5;讀入數據的首址

STM#OA00H,AR7;均值估值首址

RPTZA,(16—1);循環16次

ADD*AR5+,A;求和

STLA,一4,*AR7+;除以16,放入估值表

STM#0400H,AR6;計算餘下的1499個

STM#(1500—2),BRC

RPTBZBEND一1

SUB*AR6+,A

ADD*AR5+,A

STLA,一4,*AR7+

ZBEND:RET

5.3第一級門限判決

將讀入的雷達視頻信號值以距離單元為單位,逐個與雜波均值估值表中對應距離單元的數值作比較:如果某單元雷達視頻信號的數值較其對應的雜波均值估值大,認為此單元為“可能目標”的回波信號,將它放置到數據積累區中(1600H起始)相應的單元,同時也放置到輸出數據塊中(1000H起始);否則,這兩個單元都被清零。程序中用AR3作數據積累區的地址指針,其初值為1600H,由初始化程序設置。程序代碼如下:

STM#0408H,AR7;輸入數據區首址

STM#oA00H,AR6;均值估值表首址

STM#1000H,AR5;輸出數據區首址

STM#(1500—1),BRC:;距離單元總數

RPTBPJlE一1;重複

LD*AR6+,A;取雜波均值估值

STM*AR7,T;取輸入的數據

ST#0,*AR3;積累區先清零

ST#O,*AR5;輸出區先清零

SUB*AR7+,A;比較

STRCD*AR3+,ALT;數據大,分別放置

STRCD*AR5+,ALT;到積累區和輸出區

PJlE:LDAR3,B;調整積累區指針

ADD#100H,B

AND#OFF00H,B

SUB#4000H,B

BCPJlEND,BLT

SUB#2A00H,B

PJIEND:ADD#4000H,B

STMLB,AR3;調整積累區指針結束

RET

5.4第二級門限判決

第二門限判決就是在第一門限判決的基礎上,濾除那些偶然超過第一門限,但是又是在多次掃描中,孤立的、互不相關的雜波噪聲信號,就是對那些“可能目標”的信號作進一步的處理,進一步降低檢測目標的虛警概率。根據2.3節的討論,第二門限值(K/N)的取值為4/7。由於在第一門限判決處理時已經建立了7次掃描的累積數據和初步的輸出數據,它們分別位於數據累積區和數據輸出區。因此,在程序的具體實現時,就是根據最新的積累數據,對量程範圍內的每個距離單元逐個進行K/N判決,符合K/N判決準則的,輸出數據區的數值不變,而不符合準則的將該距離單元所在數據輸出區的數值清零。由於程序代碼較長,用圖5所示流程表示。

6結語

本文介紹的基於DSP的雷達視頻信號的數字採集和處理系統的設計,作為一種雷達視頻信號處理的方法,適用於多種雷達的信號處理,對於不同型號的雷達,由於其用途的不同,其技術參數也不相同。只要選擇合適的工作參數,此設計對其他種類雷達的視頻信號仍然適用。

責任編輯:gt

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逆變器是眾多設備中不可缺少的一環,由此可見逆變器的重要性。為增進大家對逆變器的認識,本文將對離網逆變....
發表於 2021-01-03 11:56 635次閲讀
離網逆變器到底是什麼?併網逆變器的原理詳細説明

flash前幾幀總是寫不上去,後面可以正常燒寫

將上位機上傳的文件寫入flash,前兩個地址下文件可以正常燒寫,第三個地址前幾幀總是寫不進去,但後面數據就會正常進去...
發表於 2020-12-31 13:34 114次閲讀
flash前幾幀總是寫不上去,後面可以正常燒寫

基於Tiger SHARC系列TS101S芯片實...

Tiger SHARC DSP是一款高性能的靜態超標量數字信號處理器,該處理器專為大的信號處理和通信....
發表於 2020-12-31 10:35 437次閲讀
基於Tiger SHARC系列TS101S芯片實...

採用TMS320C6201 DSP和CCD傳感器...

設計高速線掃描相機,包括相機本身的硬件結構和相機操作的相關軟件兩部分。從相機的結構上看,線掃描相機作....
發表於 2020-12-31 10:30 453次閲讀
採用TMS320C6201 DSP和CCD傳感器...

低功耗設計解析

低功耗設計
發表於 2020-12-31 06:09 0次閲讀
低功耗設計解析

工程師教你如何快速上手FPGA低功耗設計

對於研發人員而言,大家總是在追求低功耗設計。採用低功耗設計,無疑是能夠帶來諸多好處。為幫助大家瞭解如何降低功耗...
發表於 2020-12-30 08:00 461次閲讀
工程師教你如何快速上手FPGA低功耗設計

MCU如何降低功耗?

 低功耗是MCU的一項非常重要的指標,比如某些可穿戴的設備,其攜帶的電量有限,如果整個電路消耗的電量特別大就會...
發表於 2020-12-30 06:55 0次閲讀
MCU如何降低功耗?

SP300VAC2000W交流電源的功能特點及應...

SP300VAC2000W為單組輸出的高功率密度可編程交流電源,採用高速DSP+CPLD控制,高頻P....
發表於 2020-12-29 15:48 229次閲讀
SP300VAC2000W交流電源的功能特點及應...

基於iDrive智能伺服控制器和iPack200...

枕式包裝機是應用廣泛的一種包裝機械,大量應用於食品包裝機械、藥品包裝機械、日用品包裝機械等眾多領域。....
發表於 2020-12-29 10:28 552次閲讀
基於iDrive智能伺服控制器和iPack200...

單片同步DC/DC降壓控制器TPS40100的功...

TI公司推出的具有創新先後順序和輸出電壓富餘特性的同步降壓DC/DC控制器TPS40100.這種單片....
發表於 2020-12-29 09:28 92次閲讀
單片同步DC/DC降壓控制器TPS40100的功...

高速運算放大器ADA4899-1的特點性能及功能...

ADI公司推出的業界首個用於高分辨率數據採集系統的高速運算放大器ADA4899-1,它能最小化兩種基....
發表於 2020-12-29 07:58 162次閲讀
高速運算放大器ADA4899-1的特點性能及功能...

低功耗測試方案及測試儀器對比分析

本人一直從事於低功耗產品的研發應用領域,先後就職於國內上市通信技術公司,以及知名穿戴產品硬件公司。在工作的過程...
發表於 2020-12-28 22:59 303次閲讀
低功耗測試方案及測試儀器對比分析

大陸集團亮相亞洲頂級的工程機械行業盛會 2020...

- 77 GHz毫米波雷達傳感器:通過環境感知打造更安全高效的作業場景 - 一站式駕駛艙人機交互界面....
發表於 2020-12-28 17:02 681次閲讀
大陸集團亮相亞洲頂級的工程機械行業盛會 2020...

基於深度學習的新算法給民用毫米波雷達產業帶來新機...

雷達作為利用電磁波探測目標的電子設備,具有全天候、全天時工作的特點,已經滲透應用在人類生產生活的多個....
發表於 2020-12-28 16:37 442次閲讀
基於深度學習的新算法給民用毫米波雷達產業帶來新機...

毫米波雷達日常應用場景的落地:用於監測機場跑道外...

近年來,隨着雷達研究成果的日益精進,以及產學研的進一步融合,一些高校雷達研究團隊正在通過成立企業推進....
發表於 2020-12-28 15:55 463次閲讀
毫米波雷達日常應用場景的落地:用於監測機場跑道外...

藍牙與低功耗藍牙芯片功能性能對比分析

經典藍牙與低功耗藍牙芯片功能性能對比...
發表於 2020-12-28 07:55 0次閲讀
藍牙與低功耗藍牙芯片功能性能對比分析

PPS可編程三相交流機櫃的性能特點及應用優勢

該系列交流電源是高功率密度可編程交流電源,採用高速DSP+CPLD控制,高頻PWM功率技術,主動PF....
發表於 2020-12-27 09:47 226次閲讀
PPS可編程三相交流機櫃的性能特點及應用優勢

SP300VAC600W單相交流電源的產品特性、...

該系列交流電源為單組輸出的高功率密度可編程交流電源, 採用高速DSP+CPLD控制, 高頻PWM功率....
發表於 2020-12-27 09:45 248次閲讀
SP300VAC600W單相交流電源的產品特性、...

利用不恢復餘數陣列除法和VHDL實現雷達數據接收...

根據系統要求,脈衝雷達高度表通過RS-422串行輸出高度數據,要求數據接收模塊實時接收,並顯示雷達高....
發表於 2020-12-26 09:59 524次閲讀
利用不恢復餘數陣列除法和VHDL實現雷達數據接收...

華為車規級前裝激光雷達的詳細介紹

據華為智能汽車解決方案官微消息,中國汽車工業協會主辦的T10 ICV CTO峯會12月21日在上海召....
發表於 2020-12-26 09:53 2027次閲讀
華為車規級前裝激光雷達的詳細介紹

基於DSP器件實現無線數據傳輸系統的設計

圖1所示是一個無線數傳電台的整體結構圖。現在國內大部分的遙控遙測電台都是用模擬調頻對講發信機(即車載....
發表於 2020-12-26 09:48 322次閲讀
基於DSP器件實現無線數據傳輸系統的設計