??? 摘? 要: 以雷達信號處理" title="信號處理">信號處理領域中的應用為例,介紹了基于ADSP2106X的高速并行數字信號處理系統的設計方法。ADSP2106X本身的特點使其非常適合于高速實時處理的場合,與可編程邏輯器件的組合應用更使得該系統具有通用性強、外圍器件少等特點。
??? 關鍵詞: ADSP2106X雷達數字信號處理? 高速并行
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??? 現代雷達的數字信號處理具有海量運算需求的應用背景,如巡航導彈末制導雷達地形匹配、合成孔徑雷達的成像處理、相控陣雷達的時空二維濾波處理等領域。目前,單片DSP難以勝任許多信號處理系統的要求。?
??? 世界上第一顆DSP芯片是美國德州儀器(TI)公司于1982年推出的第一代產品:TMS32010。經過十幾年的發展， DSP器件在高速度、可編程、小型化、低功耗等方面有了長足的發展。單片DSP芯片最快每秒可完成16億次(1600MIPS，每秒1600兆次指令)的運算，生產DSP器件的公司也不斷壯大。目前，市場占有率前四名依次為:Texas Instruments、Lucent、Analog Device、Motorola，涉足這一領域的公司還有AT&T、Fujitsu、IDT、NEC、Samsung等。?
??? TI公司的DSP檔次齊全,應用廣泛,但片內RAM較小;Motorola公司的68000系列主要用于通信及儀表;AD公司的ADSP2106X系列不僅具有很強的處理能力,而且有大容量的片內RAM,被高速信號處理設計列為首選。?
1 ADSP2106X簡介?
??? ADSP2106X是AD公司的一種高性能32位浮點DSP,它的基本特點有:?
??? ·最高工作頻率為40MHz,時鐘周期25ns。?
??? ·數據線有48根,地址線有32根,地址范圍4G。?
??? ·所有指令都是單周期指令,指令長度均為48bit。?
??? ·32-bit IEEE浮點運算單元,內含乘法器、ALU和移位器,支持40bit的擴展精度浮點運算。?
??? ·10個DMA通道。?
??? ·4M bit雙口" title="雙口">雙口片內存儲器。?
??? ·有兩個同步串口和六個連接口。?
??? ·支持多處理器" title="多處理器">多處理器共享總線。?
2 基于ADSP2106X的并行處理系統?
??? ADSP2106X提供了強大的實現多處理器并行處理的能力,允許某一處理器直接訪問其它處理器的內部雙口SRAM,并且這種訪問一般不影響被訪問處理器的工作,片內的分布總線仲裁邏輯可直接管理6片ADSP2106X和一個宿主機組成的并行系統的信息交換。另外ADSP2106X還具有6個4bit的連接口(Link Ports),每個連接口可以兩倍于系統工作時鐘的速率傳送數據,因此每個連接口在一個時鐘周期內能夠傳送一個8bit數據。在多處理器應用中,ADSP2106X通過其6個連接口實現" title="接口實現">接口實現處理器之間點到點的通信。由ADSP2106X構成的典型多處理器并行系統主要有以下三種形式:共享總線的多處理器并行系統;MeshSP(網格)結構多處理器并行系統;集束多處理器并行系統。?
2.1 共享總線的多處理器并行系統?
??? ADSP2106X處理器支持最為常用的共享總線多處理器并行系統,把各處理器的相應信號線相互連接,如DATA 47-0,ADDR 31-0等。此時組成多處理器系統的每一片ADSP2106X的片內存儲器統一編址,任何一片ADSP2106X都可以訪問其它ADSP2106X的片內存儲空間。由于片內SRAM為雙口存儲器,因而這種訪問并不中斷被訪問處理器的正常工作。在不增加輔助電路的條件下,通過外部總線接口(External Port)直接相連的處理器數量最多為6個,如圖1所示。
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2.2 MeshSP(網格)結構多處理器并行系統?
??? MeshSP是MIT的Lincoln實驗室開發的一種大規模并行計算結構。在合適的應用背景下,MeshSP具有很高的效率和靈活性。通過連接口把相鄰的ADSP2106X連接在一起,構成了MeshSP結構,如圖2所示。具有6個連接口是ADSP2106X的最重要的特征之一,連接口每周期可傳送8bit數據,處理器之間傳送數據的最大速率為240MB/s。每個連接口都有自己的雙緩沖輸入和輸出寄存器。時鐘/回答握手信號控制連接口的傳送,傳送可編程為發送(輸出)或接受(輸入)數據。在這種結構中,每片ADSP2106X只與相鄰的節點直接通信,避免了總線瓶頸,所以很適合大規模并行系統。若干個ADSP2106X組成一個兩維或三維多處理器陣列,陣列中各個處理器通過連接口實現信息交換,數據流輸入和輸出通過外部總線接口或串行口實現。這種多處理器并行系統特別適合于多維信號處理(如二維FFT算法等)。?
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2.3 集束多處理器并行系統
??? 集束多處理器并行系統通過ADSP2106X的外部總線接口和連接口實現各處理器信息交換,如圖3所示。集束多處理器并行系統可包括多個相互之間通過并行總線相連接、處理器之間相互可存取對方片內雙口SRAM的子系統組成,每個子系統可包括6個處理器和一個宿主機處理器。處理器之間還可通過連接口實現點到點的通信。通常這種系統比較復雜,但它具有廣泛的通用性。
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3 雷達信號處理中的應用實例?
??? 在MTD(動目標檢測)雷達信號處理系統中,信號經過A/D采樣后由DSP進行FFT運算,結果再作恒虛警處理,以檢測動目標的有無。由以上三種典型連接方式,結合本系統的特點,進行比較:?
??? (1)通過連接口把相鄰的ADSP2106X連接在一起,構成MeshSP網格結構(圖2所示)。這種結構中,每個ADSP2106X只與相鄰的節點直接通信,避免了總線瓶頸,所以很適合大規模并行系統。ADSP2106X擁有6個連接口,可以組成二維或三維網格結構,但布線的難度也比較大。另外,考慮到本系統數據量大,只通過連接口傳輸速度太慢,故不采用這種連接方式。?
??? (2)共享總線的多ADSP2106X系統(如圖1所示),由于ADSP2106X片內具有較大容量的雙口SRAM,可以省掉外接的全局存儲器和各個處理器外接的局部存儲器。每個處理器片內存儲器既是其局部存儲器,又是系統共享存儲器(全局存儲器)的一部分。由于每個處理器的工作程序放在其片內的雙口SRAM中,因此各個處理器可真正實現并行處理。這是ADSP2106X的存儲器結構所決定的,也是其它類型DSP處理器(如TMS320C40等)所不具備的優良性能。這種連接方式能達到高速傳輸數據的要求。但是對于本系統來說,要使用6片DSP共總線,達到了ADSP2106X共總線的極限,可能總線的驅動能力不足,故對布線提出很高的要求。?
??? (3)為了保證系統的可靠性,決定采用共總線的同時,將連接口也相應的連接起來,增加系統的靈活性,確保系統能夠完成實時處理,即采用圖3所示的結構。但結合實際要求,本系統的結構框圖見圖4。其中FFT運算求模單元為6片ADSP2106X的集束多處理器并行結構" title="并行結構">并行結構,恒虛警處理單元為2片ADSP2106X的集束多處理器并行結構,顯示錄取設備為筆記本電腦。可編程邏輯器件負責控制整個系統的時序及相關邏輯。經過實際電路的測試,該系統達到了設計指標的要求。?
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??? 綜上所述,基于ADSP2106X并行結構的雷達信號處理系統,所需外圍器件少,電路設計簡單。通過對處理單元進行各種軟件編程就可實現系統的功能,具有很強的擴展功能和通用性,大大縮短了研制周期,提高了系統的可靠性。這種通用結構還適用于很多高速實時處理的應用場合,具有廣泛的推廣應用價值。?
參考文獻?
1 蘇 濤，吳順君.高性能數字信號處理器與高速實時信號處理.西安:西安電子科技大學出版社,2000?
2 丁鷺飛.雷達原理.西安:西安電子科技大學出版社,1995?
3 美M.I.斯科爾尼克著, 林茂庸譯.雷達系統導論.北京:國防工業出版社,1992