高速DSP系统设计及MUSIC算法的实现研究

发布时间：2020-05-06 21:23

【摘要】： 在研究基于空间谱估计的闪电波达方向估计方法和硬件实现技术的背景下,比较各种高速实时数字信号处理方法可知,DSP+FPGA的实现方式是最佳选择。DSP(Digital Siginal Processors)采用一片TI公司的TMS320C6454作为数字信号处理芯片,这是系统的核心,也是文章研究的重点。FPGA(Field Programmable Gate Array)选用Altera公司Stratix2系列中的EP2S60F1020,作信号预处理和系统的高速数字接口。对系统数字信号处理核心DSP的电路设计主要有以下几个方面:DSP与FLASH、DDR2 SDRAM、FPGA以及以太网接口等部分。采用空间谱估计中的MUSIC(Multiple Siginal Classification)算法估计闪电波达方向。MUSIC算法在系统中实现步骤共分为4步:协方差矩阵、特征分解、信号源数估计和谱峰搜索,协方差矩阵是在FPGA中产生,其它在DSP中实现。特征分解首先由协方差矩阵构造一个实对称矩阵,其次对实对称矩阵做Householder变换得到三对角矩阵,再对三对角矩阵做Givens变换得到对角阵,即得到实对称矩阵的特征值和特征向量,由此可得出协方差矩阵的特征值和复特征向量。利用信息论方法中的MDL(Minimum Description Length)准则判断出信号源个数,再根据谱峰搜索流程找出极大值对应的角度就是信号入射方向。在MATLAB中产生模拟雷电信号,比较了基于均匀线阵的MUSIC算法在MATLAB中和浮点DSP系统中DOA (Direction of Arrival)估计性能。两者都能较正确的估计角度,偏差较小。基本完成了基于均匀线阵的MUSIC算法的硬件实现。下一步的主要工作是阵列和信号特征对DOA估计性能的研究。
【图文】：

框图,信号处理流程,框图,协方差矩阵

(2) 在 FPGA 里对数字信号做预处理，对接收到的数据做 IQ 正交解调或者实信号预处理，降低数据速率，，然后取部分数据做快速傅立叶(FFT)变换，在频域判断接收到的信号是否为闪电信号，若不是闪电信号则丢弃数据，若是闪电信号则进行下一步运算，产生 DSP 系统中需要的协方差矩阵。(3) FPGA 将产生的协方差矩阵通过主机接口(HPI)传送到 DSP 处理器中或者外围的存储空间中。DSP 处理器首先要对协方差矩阵进行特征分解得到特征值和特征向量，然后根据特征值的大小来判断信号源的个数，最后利用小特征值对应的特征向量构造的噪声子空间与阵列流型的正交性，搜索出闪电信号的入射方向。(4) 估计得到的闪电信号的入射方向以及其中的一路闪电信号通过 DSP 系统的以太网传输到 PC 或者通过 FPGA 的 PCI 总线传输至 PC。

框图,外围电路,框图,数字信号处理

华中科技大学硕士学位论文3 硬件设计与实现第二章中系统方案选用了 DSP＋FPGA 的数字信号处理方案，MUSIC 算法的特征值分解、信号源个数估计以及谱峰搜索都在 DSP 系统中实现。在闪电波达方向估计中的复杂数字信号处理任务都集中在 DSP 部分，FPGA 只是实现信号预处理和高速数字接口的。故只对以 DSP 为核心的外围电路设计做详细的叙述。DSP 部分的外围电路如图 3-1 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP368.11

【参考文献】