本文介紹了衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)DSP模塊的設(shè)計以及功能實現(xiàn)，在DSP模塊的設(shè)計中使用了兩片TigerSHARC DSP芯片并行連接，在500 ms內(nèi)完成測向和波束合成權(quán)值的計算。高性能的DSP芯片和優(yōu)越的陣列信號處理算法保證信號能夠得到及時準確的處理，滿足了系統(tǒng)的需求。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：The design of the DSP module and function realization of multibeam system for satellite measurement and control is introduced.Two chips of TigerSHARC DSP that are connected in parallel are used in the design of DSP module.It takes 500ms to accomplish the DOA (Direction of Arrival) measurement and the power calculation of beamforming. High performance DSP and superior array signal processor algorithm make it possible to process the signal accurately and in time.The module satifies the requirement of system.

一、引言

衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)主要針對衛(wèi)星信號實施測控，它包括兩個方面：信號波達方向(DOA)的估計和數(shù)字波束合成。波達方向的估計是對空間信號的方向分布進行超分辨估計，提取空間源信號的參數(shù)如方位角、仰角等。數(shù)字波束合成也稱為空域濾波，主要是根據(jù)信號環(huán)境的變化自適應(yīng)地改變各陣元的加權(quán)因子，在期望信號方向形成主波束，在干擾信號方向形成零陷，降低副瓣電平, 目的是在增強期望信號的同時最大程度的抑制無用的干擾和噪聲，并提取有用的信號特征以及信號所包含的信息。用于測向和波束合成的算法很多，選擇合適的算法來滿足系統(tǒng)的需求是一個重要方面。另一方面，該系統(tǒng)對實時性有一定的要求，要求在限定時間內(nèi)完成測向和波束合成權(quán)值的計算。

本文所介紹的衛(wèi)星測控多波束系統(tǒng)采用ADI公司新近推出的新一代TigerSHARC DSP芯片和FPGA器件相結(jié)合組成信號處理模塊，利用DSP的軟件編程完成測向和波束合成權(quán)值的計算，然后用FPGA器件將原始信號和權(quán)值進行波束合成，在系統(tǒng)設(shè)計中我們使用兩片TigerSHARC DSP 芯片來完成。高性能的DSP芯片保證了數(shù)據(jù)能夠準確及時的處理，也構(gòu)成了該系統(tǒng)的重要組成部分。

二、TigerSHARC DSP芯片介紹

TigerSHARC101S 是AD公司新近推出的高性能定/浮點DSP，具有極高的處理能力，它采用靜態(tài)超標量結(jié)構(gòu)，既有超標量處理器所具有的大容量指令緩沖池和指令跳轉(zhuǎn)功能，又可以在程序執(zhí)行前就把指令級并行操作用編譯器預(yù)測出來，其主要的性能指標為：

(1)主頻為250 MHz，即單指令周期為4 ns；有2個對等的處理單元來支持SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）模式；
(2)系統(tǒng)內(nèi)部有3條獨立的128位數(shù)據(jù)總線，分別訪問各自的2 Mbit存儲空間；
(3)系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)總線為64 bit，地址總線32 bit，外部尋址空間為4G字；
(4)4個8 bit的全雙工鏈路口，各自可以獨立工作。在多處理器系統(tǒng)中，鏈路口可作為處理器之間的點到點通信，組成分布式的多處理器系統(tǒng)。14個DMA通道，可用于后臺傳輸；
(5)可擴展性強，共享并行總線可支持8個TS101S連在一起用于高速的數(shù)字信號處理。

由于測向和波束合成的算法計算量大，系統(tǒng)對信號的處理時間有要求，一片DSP不能完成任務(wù)，本系統(tǒng)充分利用TS101S DSP芯片的并行處理能力，采用多處理器的并行結(jié)構(gòu)來完成信號的處理。

三、算法研究

用于測向和波束合成的算法很多，各種算法各有優(yōu)勢，通過對這些算法的模擬和性能比較，最終選擇MUSIC(Multiple Signal Characteristic)算法來實現(xiàn)測向，用基于線性約束最小二乘恒模算法進行波束合成。MUSIC算法的基本原理是根據(jù)天線陣中不同位置的陣元所接收到的空間來波信號的樣本數(shù)據(jù)、天線位置參數(shù)和陣元的特性參數(shù)，應(yīng)用現(xiàn)代譜估計理論和統(tǒng)計學理論及相應(yīng)的數(shù)學運算，對來波的空間譜進行估計，并分析其能量的分布狀態(tài)，以確定空間來波的方向，也就是從背景噪聲中檢測出空間源信號并估計出信號的參數(shù)如方位角、仰角等，這種測向技術(shù)具有在較強干擾環(huán)境下同時對同信道內(nèi)多個信號的快速、高靈敏度、高精度測向的功能。算法實現(xiàn)流程圖1所示。

基于線性約束的最小二乘恒模算法是最小二乘算法的一種改進，它克服了最小二乘算法存在的干擾捕獲問題，利用線性約束的方法對初始權(quán)向量進行優(yōu)化，使之在迭代過程中可以較快而準確地收斂于我們所期望的信號,并且不受信號功率大小的影響。該算法收斂速度快，輸出信號的信干噪比可以接近理想值，并且對幅相差不敏感，通過對陣列信號進行算法仿真，最小二乘恒模算法性能可以達到系統(tǒng)需求。算法的流程如圖2所示。

四、DSP模塊設(shè)計

1.DSP模塊功能

系統(tǒng)使用一個C尺寸VXI標準機箱，插槽包括0槽、DSP模塊和波束合成模塊。DSP模塊負責測