基于数字信号处理器ADSP—TS201的波控机

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年１２月　舰船电子对抗　Ｄｅｃ．２００６　第２９卷第６期　ＳＨＩＰＢＯＡＲＤ　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＣＯＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．６　基于数字信号处理器ＡＤＳＰ—ＴＳ２　０　１的波控机　吕大鑫　，殷洪沛。，李一兵　（１．哈尔演工程大学，哈尔滨１５０００１Ｉ２．船舶童工集团公司７２３所，扬州２２５００１）　摘要：主要论述了波控系统的组成及其中子阵波控机的设计。介绍了ＡＤＩ公司高性能数字信号处理器　ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１的主要性能。系统利用其高速的运算特性实现阵面单元移相值的计算。并融入舰船摇摆的电　子补偿．系统集成度高，运算能力强，结构灵活，具有较强的通用性和可扩展性。　关键词：相控阵Ｉ波控系统Ｉ舰载雷达　中图分类号：ＴＮ９５７．２ＩＴＮ９５８．９２　文献标识码：Ａ　文章编号．＂ＣＮ３２—１４１３（２００６）０６－００５０—０３　Ｂｅａｍ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ　ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１　ＬＶ　Ｄａ－ｘｉｎ　，ＹＩＮ　Ｈｏｎｇ—ｐｅｉ。，ＬＩ　Ｙｉ—ｂｉｎｇ　（１．Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，ＣｈｉｎａＩ　２．Ｔｈｅ　７２３　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ　２２５００１．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｎｅｕｔｒｏｎ　ａｒｒａｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｎ　ｂｅａｍ—ｃｏｎｔｒｏ１　ｓｙｓｔｅｍ．Ａ　ｈｉｇｈ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｄｉｇｉｔａ１　ｓｉｇｎａ１　ｐｒｏ—　ｃｅｓｓｏｒ　ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１　ｍａｄｅ　ｂｙ　ＡＤＩ　ｃｏｍｐａｎｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ｐｈａｓｅ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐ’Ｓ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ｓｗａｙ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｈｉｇｈｌｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ。Ｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅａｓｉｌｙ　ｅｘｔｅｎｄｅｄ　ａｎｄ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａ１　ｐｕｒｐｏｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅｄ　ａｒｒａｙ；ｂｅａｍ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｉｐｂｏｒｎｅ　ｒａｄａｒ　０　引　言　计算机的方案折衷了软件计算和纯硬件电路实　现的优缺点，软件计算时间长，而纯硬件电路实　海面作战环境不断恶化，对舰载雷达提出更　现设备复杂、灵活性不高。　多新的要求和挑战。舰载多功能相控阵雷达很　数字信号处理器实现的波控系统硬件简单、　好地满足了现代雷达对高数据率、多目标、多任　功能灵活多样、通用性好，与天线单元的连接简　务的要求，这点与相控阵雷达阵面技术的不断发　单容易。大型相控阵天线中，波控计算机设计到　展是分不开的。相控阵雷达经历了从无源到有　子阵级别，使其模块化、通用化，在改变阵面单元　源，从几十个天线单元到数万个天线单元的发　数量时只需增减子阵波控模块并对其软件做修　展，结构也越来越复杂，给波控系统赋予了更多　改来满足实际要求。系统集成度高，运算能力　的任务。　强，结构灵活，具有较强的通用性和可扩展性。　随着大规模集成电路日新月异的发展，出现　本文研究的波控系统采用了ＡＤＳＰ＿ＴＳ２Ｏｌ数字　了高性能数字信号处理器，其高效的运算速度恰　信号处理器。　好满足波控计算任务对实时性的要求，而且移相　值的计算多为乘法和加法，很容易发挥数字信号　１　ＡＤＳＰ—Ｔ￥２０１简介　处理器的优势。采用数字信号处理器实现波控　ＡＤＳＰ－ＴＳ２Ｏ１是ＡＤＩ公司最新推出的一款　收稿日期ｌ　２００６一Ｏ７一Ｏ４　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期　吕大鑫等：基于数字信号处理器ＡＤＳＰ—ＴＳ２０１的波控机　５１　高性能静态超标量处理器，专为大的信号处理任　务和通信进行了结构优化。采用超级哈佛结构，　２基本计算原理　非常宽的存储器带宽和双计算块结构，支持浮点　相控阵波束扫描的原理可以归结为：天线单　数据（ＩＥＥＥ３２　ｂｉｔ和扩展精度４０　ｂｉｔ）和定点数　元的阵内相位差等于空间相位差。改变阵内相　据（８，１６，３２和６４位）。由于采用静态超标量结　位差即可实现天线波束的相控阵扫描。如图１　构，ＡＤＳＰ－ＴＳ２０１每工作周期能够执行４条指　所示，一个分布在ｙ－ｚ平面内的Ｍ×Ｎ平面阵，　令。４条的１２８位内部数据总线，每条连接　天线单元按矩形排列，单元间距分别为ｄ　（沿Ｚ　６个４　ＭＨｚ的存储块，提供４字数据、指令及Ｉ／　轴）和ｄ。（沿ｙ轴）。　Ｏ访问和３３．６　ＧＢ／ｓ的内部存储器带宽。　波束中心指向俯仰角　，ｏｏ　　方位角　时，阵内　ｏ６　　…～一２　．　　Ｔ￥２０１主要性能＃（１）最高工作频率６００　相位差应为：　ＭＨｚＩ（２）片内２４　ＭＨｚ的ＤＲＡＭＩ（３）１４通道　ＤＭＡ控制器；（４）４个ＬＶＤＳ全双工链路口，　｛ｌ　ｎ＝　２　ｃｏｓ０ｓｉｎ￣（水平方向）　（１）　（５）ＩＥＥＥ　１１４９．１兼容ＪＴＡＧ接口。　ＩＬｂ一　　＾　ｓｉｒ￣（垂直方向）　ＴＳ２０１处理能力及算法性能。（１）每秒４８　亿次４Ｏ位ＭＡＣ或１２亿次８Ｏ位ＭＡＣ，（２）１　式中；　为工作波长。　０２４点复数ＦＦＴ用时１５．７　ｓ，（３）ＦＩＲ滤波器　第（ｆ，矗）单元相对于参考单元的移相值为：　／ｈ　女＝／ｂ　ｑ－　（２）　每级０．８３　ｎｓ。　Ｉ／Ｏ　ＤＭＡ传输性能ｌ（１）外部端口１　阵面内所有单元的移相值矩阵为：　Ｇｂｙｔｅｓ／ｓ；（２）每个链路口ｌ　Ｇｂｙｔｅｓ／ｓ。　０＋口　０－Ｆ（Ｎ一１）ａ　ｂ－＋－ｎ　ｂ＋（Ｎ一１）口　［△　］Ｍ×　一　２ｂ＋ｎ　２６＋（Ｎ一１）ｎ　●●●　…　（Ｍ一１　－＋－ａ　（Ｍ一１　＋（Ｎ一１）ａ　偿和频率捷变后波束指向的修正相位误差的补　３　系统结构’　、’　功能及工作过程　。　—。　～一　。　计算过程是。首先计算阵面内相位差，然后　３．１波控系统结构　每个单元移相值只是根据公式（２）简单的乘法和　波控系统在功能上由三部分组成：波控主　加法得到，ＤＳＰ的指令执行效率很高。　机、子阵计算机和单元控制机。在电路上分为两　大块；波控主机和子阵计算机。子阵计算机和单　元控制机都是由数字信号处理器及附属电路组　成，波控主机由嵌入式工控机ＰＣ１０４组成。　图１阵面示意图　图２波控系统结构图　维普资讯 http://www.cqvip.com ５２　３．２各部分功能　舰船电子对抗　第２９卷　的，在一个布相周期中只需做一次变换。　波控主机统一管理阵面各子阵，分配任务、　４　子阵计算机设计　子阵计算机的硬件电路包含以下模块ｔ电源　电路，时钟电路，复位电路，外部存储器电路，接　口电路（电平转换、串并／并串转换、扩展等），控　协调整个系统工作，包括：系统同步，接收、处理　霄达主控系统命令，向各个子阵发送指令，接收、　处理阵面的反馈信号，温度、幅相监测等功能。　波控主机是典型的实时、多任务处理机，因而采　用功能强大的ＰＣ１０４作为主要模块。　子阵计算机的主要任务是根据波控主机提　供的波束指向要求、舰船摇摆信息、雷达工作模　式和工作频率等快速完成天线单元移相值的　计算。　单元控制机的主要任务是配合子阵计算机　的工作完成布相。子阵计算机完成一个单元移　相值的计算后，单元控制机译出该单元对应的地　址码，根据地址码将移相值送到对应的天线单元　上锁存，实现相位的装订。　３．３波控系统工作过程　波控系统的工作过程是：雷达主计算机根据　搜索或跟踪的要求，给出波束指向的俯仰角和方　位角（余弦值），汇同雷达工作模式、工作频率和　船上平台罗经提供舰船姿态角信息，通过串行方　式，广播传送给阵面上的子阵计算机和单元控制　机。待雷达同步器发来运算启动脉冲后，波控系　统开始工作，各子阵计算机的数字信号处理器根　据舰船姿态信息进行大地坐标到甲板坐标的变　换，并快速计算出子阵中每个天线单元的移相　值。与此同时，波控系统的单元控制机与子阵计　算机同步地发出阵面单元选通地址信号和移相　值锁存信号，即ｔ每计算出一个移相值便立即发　送到相应的天线单元。当所有天线单元的相位　值计算完毕，波控系统收到雷达主控机的配相同　步脉冲后，单元控制机发出配相指令，阵面天线　执行配相动作，完成波束的调转。在布相完成后　的其他时间段内，波控系统还要监测Ｔ／Ｒ组件、　天线单元的工作状态。如：故障检测，温度监测，　幅相监测等。　波控系统的工作是实时的、断续的，每次计　算时间是微秒级的，在雷达周期中只占很短，其　余时间处于等待状态和监测状态。　大地坐标系到甲板坐标系的变换十分复杂，　计算时间较长，而舰船摇摆相对雷达周期是缓慢　制电路，ＪＴＡＧ电路等。该电路搭载了高速芯　片，板上很多信号线工作频率超过了５０　ＭＨｚ，　属于高速电路。在ＰＣＢ布线后，使用Ｍｅｎｔｏｒ公　司的Ｈｙｐｅｒ－Ｌｙｎｘ软件，对板上电磁兼容性和高　速信号的完整性进行了仿真。这样弥补以往凭　借经验设计高速板的局限性，避免反复制板，节　省成本，缩短开发周期。　子阵计算机软件流程如图３所示。　图３子阵计算机软件流程图　５　单元移相值计算时间估算　子阵中有数百个天线单元，各单元移相值的　计算时间决定了波控系统的性能指标。ＤＳＰ工　作在５ＯＯ　ＭＨｚ，指令周期２　ｎｓ，使用ｃ语言实现　的程序平均每个单元运算需要７０个指令周期，　这样可大致估算出单元移相值的计算时间为　１４０　ｎｓ。　按子阵单元数２５６计算，加入舰船摇摆补偿　后的布相时间可控制在５０　ｓ，满足指标要求。　（下转第６６页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ６６　舰船电子对抗　第２９卷　变化时非对称脊波导的主模截止波长有以下几　截止波长出现在几何中心线偏左的某个位置，这　个变化规律ｔ　也体现了波导的截止波长和模型本身的尺寸　（１）对一个固定的ｓ／口和ｃ／口，且ｃ／口≠０和　有关。　ｃ／ａ＋ｓ／ａ≠１时，随着ｄ／ｂ２从０．１到０．９逐渐增　（５）当ｓ／ａ固定，ｄ／ｂｚ变化时，最长截止波　大，截止波长反而越来越小。　长出现的位置不但和ｂ　，ｂ。的不对称程度，ｃｌａ　（２）当ｃ／ａ≠Ｏ和ｃ／ａ＋ｓ／ａ≠１时，对一个固　的值有关，而且与ｄ／ｂ。的值也有关。　定的ｃ／ａ和ｄ／ｂｚ，随着ｓ／ａ从０．１到０．９逐渐增　大，截止波长先增大后又逐渐减小。　参考文献　（３）当ｃ／ａ－－０或者ｃ／ａ＋ｓ／ａ＝１时，非对称　［１］Ｃｏｈｎ　Ｓ　Ｂ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｒｉｄｇｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅＩ－Ｊ］．Ｐｒｏｅ．　脊波导变成Ｌ形波导，截止波长处于１．６和３．０　ＩＲＥ．１９７４。３５（８）：７８３—７８８．　问，这和矩形波导的截止波长（　／ｎ＝＝＝２）很接近。　［２］Ｈｏｐｆｅｒ　Ｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｉｄｇｅｄ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ［Ｊ］．　且总的来说ｃ／ａ＋ｓ／ａ＝１时的截止波长比ｃ／ａ＝　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓｃｄｏｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｅｈ－　ｎｉｑｕｅｓ，１９９６。４４（５）２２０—２９．　０时的截止波长要长，这也验证了６。＞６ｚ。　［３］金林．不对称脊波导截止波长的计算［Ｊ］．现代雷　（４）由于脊的两个窄边不对称，所以对一个　达，２０００（２）ｌ６２—６６．　固定的ｓ／口和ｄ／ｂ。，最长的截止波长不再出现在　［４］　鲁加国，樊德森．非对称单脊波导的积分方程法分　脊位于几何中心线位置处，而是在偏离中心线的　析［Ｊ］．微波学报，１９９８，１４（２）ｌ１０８—１１５．　某个位置。这个偏移量跟ｂ　，ｂ。的不对称程度有　［５］邓索芬，杨显清，陈友疆．基于有限元法的脊波导特　关。而且可以看出由于这里ｂ　＞　，所以最长的　征值分析［Ｊ］．电子对抗技术，２００５（１）。４３—４６．　（上接第５２页）　［Ｊ］．现代雷达．２００３（７）ｌ４３－４４．　［２］马莉．基于ＳＯＰＣ的波控系统设计展望口］．现代雷　６　结束语　达．２００６（４）。５６－５８．　［３］郑清．相控阵雷达波控系统技术研究［Ｊ］．现代雷　此方案构成的波控系统属于分布式结构，由　达，２００６（４）；５３－５５．　雷达主控机内的波控接口、波控主机及天线阵面　［４］张光义．相控阵雷达系统［Ｍ］．北京・国防工业出　上的波控运算子模块组成，系统集成度高，运算　版社，１９９４．　能力强，结构灵活，具有较强的通用性和可扩展　［５］刘书名．ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ　ＤＳＰ应用系统设计［Ｍ］．北　性。优点是运算快、传输时间短、结构简单、Ｃ语　京：电子工业出版社．２００４．　言编程简单－缺点是软件调试工作量稍大。　参考文献　［１］李宝柱．基于数字信号处理器的同步型波控系统