基于AD9059的毫米波主被動復(fù)合探測器信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張蓉蓉 李躍華

（1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，江蘇淮安 223001；2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

基于AD9059的毫米波主被動復(fù)合探測器信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張蓉蓉1，2李躍華1

（1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，江蘇淮安 223001；2.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094）

針對毫米波主被動復(fù)合探測器主被動信號的差異問題，鑒于傳統(tǒng)雙AD芯片分別采樣主被動信號，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，提出一種使用單一AD芯片的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。使用AD9059采樣主被動信號，并以TMS320VC5410為核心進(jìn)行信號處理，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的測距和識別。該系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)簡單，還具有干擾小、穩(wěn)定性好、易小型化等優(yōu)點(diǎn)。目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)能夠滿足探測器的指標(biāo)要求，能夠很好的完成距離測量和目標(biāo)識別等探測任務(wù)。

復(fù)合探測器；信號處理；目標(biāo)識別；AD9059

毫米波主被動復(fù)合探測技術(shù)是將毫米波雷達(dá)和輻射計(jì)相結(jié)合，利用主動測距和目標(biāo)被動輻射特性來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位判定及目標(biāo)識別，提高毫米波探測器的探測識別能力，是毫米波探測技術(shù)的發(fā)展趨勢［1］。

本文以TMS320VC5410 DSP芯片為核心的毫米波主被動復(fù)合探測器信號處理系統(tǒng)為研究背景，針對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊展開研究，提出用單一芯片AD9059取代傳統(tǒng)主被動采樣通道中的雙AD設(shè)計(jì)，尋求一種可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法電路設(shè)計(jì)復(fù)雜的缺陷，并具有干擾小，穩(wěn)定性好等優(yōu)勢的數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)方法。

1 毫米波主被動復(fù)合探測原理

毫米波主被動復(fù)合探測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)上電后，探測器處于主動工作模式。雷達(dá)對地面目標(biāo)進(jìn)行搜索并測距，當(dāng)搜索到目標(biāo)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的回波信號特征，經(jīng)信號處理系統(tǒng)進(jìn)行測距和真假目標(biāo)識別。當(dāng)判斷是真實(shí)目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)從搜索狀態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。當(dāng)跟蹤距離達(dá)到輻射計(jì)預(yù)定作用距離時(shí)，系統(tǒng)從主動工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍庸ぷ鳡顟B(tài)，輻射計(jì)繼續(xù)跟蹤、識別目標(biāo)和判別目標(biāo)中心，直至精確鎖定被測目標(biāo)中心［2］。

圖1 毫米波主被動復(fù)合探測系統(tǒng)框圖

信號處理系統(tǒng)是毫米波探測系統(tǒng)跟蹤和識別目標(biāo)的核心部分，主要用于信號的采集、處理與識別，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

信號處理系統(tǒng)上電工作時(shí)，先進(jìn)行主動測距。主動信號經(jīng)限幅電路后直接送入系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采樣。采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過信號處理器的處理，獲得探測器與目標(biāo)間的距離。當(dāng)距離滿足一定的條件后，轉(zhuǎn)入被動模式，進(jìn)行目標(biāo)識別。被動信號由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采樣，通過識別算法來完成目標(biāo)識別，當(dāng)確認(rèn)目標(biāo)后給出識別信號。

2 信號處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于主被動信號無論在波形還是頻率上均存在很大差異，系統(tǒng)用于采樣主動信號和被動信號的采樣頻率是不同的。用于主動信號的采樣頻率要求很高，而被動的采樣頻率則比較低。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路一般采用雙AD采樣設(shè)計(jì)，即主動選擇高速的AD器件，被動選擇低速的AD器件，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，穩(wěn)定性較差［3～4］。為尋求一種更優(yōu)越的信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，本文提出一種使用單一采樣芯片AD9059取代傳統(tǒng)雙AD設(shè)計(jì)的采樣電路，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

信號處理系統(tǒng)原理框圖如圖3所示，系統(tǒng)由信號處理器TMS320VC5410、AD轉(zhuǎn)換器AD9059、flash存儲器SST39VF200、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器、數(shù)字開關(guān)等部分組成。

圖3 信號處理系統(tǒng)原理框圖

2.1 信號處理器TMS320VC5410

信號處理系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5410作為核心。該芯片是TI公司推出的新一代定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，運(yùn)算能力強(qiáng)大，性價(jià)比突出。TMS320VC5410采用先進(jìn)的改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，工作頻率高達(dá)100MHz，片內(nèi)有8條總線（1條程序總線，3條數(shù)據(jù)存儲總線和4條地址總線）、專用硬件邏輯的CPU、存儲器和片內(nèi)外設(shè)等。加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使VC5410具有功耗小、高度并行等優(yōu)點(diǎn)，可滿足信號處理等許多領(lǐng)域的實(shí)時(shí)處理要求。本系統(tǒng)需要較高的處理速度以實(shí)現(xiàn)測距和識別的精確性，TMS320VC5410高速性可以滿足這一要求［5-7］。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9059

信號處理系統(tǒng)選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9059來實(shí)現(xiàn)采樣主動通道測距信號和被動通道識別信號的雙重功能。AD9059是一款8位單片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由2個(gè)跟蹤/保持電路（T/H）、2個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCA、ADCB）和一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電源等組成，具有高速、高性能、低功耗及易使用等特性，60MSPS的編碼速率和120MHz的最大功率模擬帶寬使其在多路數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中表現(xiàn)出優(yōu)秀的動態(tài)性能。大部分情況下，AD9059僅需要一個(gè)單極性的5V電源和一個(gè)編碼時(shí)鐘即能正常工作。編碼時(shí)鐘提供與TTL/ CMOS兼容的邏輯數(shù)據(jù)輸出，并控制兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。如長時(shí)間不需要采集數(shù)據(jù)，可啟動休眠模式，使總功耗小于12mW。各引腳功能詳見表1。

表1 AD9059引腳功能

數(shù)據(jù)采集電路接口設(shè)計(jì)如圖4所示，時(shí)鐘信號由TMS320VC5410的McBSP的BCLKX1引腳來提供。工作時(shí)序如圖5所示:當(dāng)EMCODE上升沿到來時(shí)，M被采樣。再經(jīng)過3個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)后，最后在M +4時(shí)才將轉(zhuǎn)換結(jié)果M送到數(shù)據(jù)總線上。也就是說，第M次采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)過3個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后才送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。所以在編寫軟件時(shí)需要去除開始3次的采樣值，從第4次采樣值開始處理。

圖4 數(shù)據(jù)采集接口電路圖

3 信號處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 AD9059的工作時(shí)序如圖所示

3.1 主動測距部分

探測系統(tǒng)通過測量接收目標(biāo)的回波信號相對于發(fā)射信號之間的延時(shí)，算出探測器與目標(biāo)之間的距離。為了提高回波信號的檢測能力，在測距時(shí)，一般都是在多個(gè)脈沖觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測，即積累。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字方法進(jìn)行視頻積累，原理是將某一距離點(diǎn)上視頻放大器輸出的視頻信號通過AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲起來，并對轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行加權(quán)求和。具體工作流程如圖6所示，首先DSP初始化后先進(jìn)行測距程序初始化，設(shè)定判斷門限，積累次數(shù)，距離門的初值，最大值和步進(jìn)值，并根據(jù)當(dāng)前距離門設(shè)定DSP定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間，然后開全局中斷，等待外部中斷；用脈沖調(diào)制信號來觸發(fā)中斷申請，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，開啟定時(shí)器，經(jīng)過定時(shí)時(shí)間后，進(jìn)行采樣；如此進(jìn)行，經(jīng)過M次中斷申請并采樣后，將M次采樣數(shù)據(jù)累積和與門限進(jìn)行比較，如果大于統(tǒng)計(jì)門限，則確認(rèn)此時(shí)定時(shí)器所設(shè)的延時(shí)即為目標(biāo)回波相對發(fā)射信號的延時(shí)，還要考慮到系統(tǒng)的固定誤差，將獲得的延時(shí)時(shí)間換算為探測器與目標(biāo)間的距離:反之，如果小于門限則忽略，然后距離門步進(jìn)，重復(fù)上述過程當(dāng)距離門步進(jìn)到最大值后，取保存的積累值中最大那個(gè)作為目標(biāo)，所對應(yīng)的距離就是目標(biāo)距離。當(dāng)目標(biāo)距離到達(dá)敏感距離時(shí)，則轉(zhuǎn)入主被動識別程序，否則重復(fù)以上整個(gè)過程［8］。

圖6 測距流程圖

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:定時(shí)器中斷時(shí)間為10 ns；脈沖調(diào)制信號周期為l0 us。根據(jù)測距原理，可以算出系統(tǒng)可測量的最大不模糊距離為:10 us×150 m/us=1500 m，最小測量距離為:0.01 us×150 m/us =1.5 m。

3.2 被動識別部分

當(dāng)探測器與目標(biāo)距離達(dá)到設(shè)定值后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入識別程序。信號處理系統(tǒng)采用時(shí)域特征量進(jìn)行目標(biāo)識別。具體工作流程如圖7所示。

圖7 識別流程圖

4 探測實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

圖8給出了探測器測量目標(biāo)距離時(shí)的主動回波信號，橫坐標(biāo)1.00μs/div表示時(shí)間，軸坐標(biāo)50.0 ms/div表示信號幅度。

圖8中信號（1）為漏信號、信號（2）、（3）、（4）、（5）分別射的調(diào)制脈沖信號遇到的第1、2、3、4個(gè)目標(biāo)回波信號，其中信號（2）很容易和漏信號混合在一起，信號的起始點(diǎn)很難找，一般都是通過隔離處理、信號（4）、（5）由于信號幅度很小，一般當(dāng)做干擾，通過一定得門限，將其過濾掉，也即是把它當(dāng)作了干擾。

只有第2個(gè)目標(biāo)的回波信號，即信號⑶它具有很明顯的特征，信號的起始點(diǎn)和峰值均容易確定。由圖可測得其相對于漏信號的延時(shí)為τ，設(shè)系統(tǒng)硬件的固定延時(shí)誤差為Δτ，根據(jù)公式:R=C（τ -Δτ）/2可以算出探測器與目標(biāo)間的距離（式中:C為電磁波空氣中的傳播速度）。

圖9給出了探測器被動探測目標(biāo)時(shí)的波形和識別信號。

圖中第一路為探測器掃描目標(biāo)時(shí)的接收信號，第二路為信號處理系統(tǒng)輸出的目標(biāo)識別信號。識別信號是隔一個(gè)輻射信號給出一次，即用第一個(gè)波的全波來判斷目標(biāo)真?zhèn)?，并獲得此時(shí)回波的特征參數(shù)，在隨后的半波時(shí)，判斷目標(biāo)真?zhèn)尾⑤敵鲎R別信號。

圖8 探測器的主動測距波形

圖9 被動波形及識別信號

5 結(jié)語

本文TMS320VC5410 DSP芯片為核心的毫米波主被動復(fù)合探測器信號處理系統(tǒng)為研究背景，提出一種用單一芯片AD9059取代傳統(tǒng)主被動采樣通道中的雙AD設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)電路簡單，結(jié)構(gòu)清晰，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法電路設(shè)計(jì)繁瑣的缺陷，具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，DSP的使用，使得信號處理系統(tǒng)具有體積小、功耗低、攜帶方便、處理實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，可用于便攜式產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用。目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的設(shè)計(jì)方案可以滿足設(shè)計(jì)要求，是正確可行的。

［1］ 李興國，李躍華.毫米波近感技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:理工大學(xué)出版社，2009.

［2］ 羅磊，李躍華，欒英宏.高精度3 mm波段探測器信號處理系統(tǒng)［J］.電光與控制，2010，17（4）:57-60.

［3］ 楊振江.A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)與實(shí)用線路［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1996.

［4］ 朱昊，李躍華，周亞鳳.一種基于DSP的毫米波目標(biāo)識別器的設(shè)計(jì)［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27（3）:43-46.

［5］ 戴明楨.TMS320C54X DSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2007.

［6］ 崔桂磊，商建東.基于TMS320VC5410的實(shí)時(shí)信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2003，29（2）:50-52.

［7］ 黃駿，何培宇，高勇，等.提高毫米波近程探測雷達(dá)距離跟蹤精度新算法［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2010，32（12）:2584-2860.

The Design of Signal Processing System Based on the Active-Passive Composite Detector of AD9059 Millimeter Wave

ZHANG Rong.rong1，2LIYue.hua1
（1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Polytechnic of Finance and Economics，Huai'an 223001，China；2.School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology，Manjing University of science and Technology，Manjing 210094，China）

This paper proposes a designmethod of signal processing system using single AD chip based on traditional double AD chip sampling active-passive composite signal respectively to solve the differences of active-passive composite signal inmillimeter wave active-passive composite detector，avoiding the complexity design of circuit.AD9059 with TMS320VC5410 as the core to process signal is used to sample active-passive signal to realize target ranging and recognition.The advantage of this system is simple in design，little interference，good stability and miniaturization.The result of target detection experiment shows that the design can meet the requirement of probe index and complete detection task of target range and recognition.

Composite Detector；Signal Processing；target recognition；AD9059

TM92

A

1009-0312（2014）01-0006-06

2013-09-12

國防預(yù)研項(xiàng)目資助（9140A05070910BQ02），國家部委基金項(xiàng)目資助（51305050102）。

張蓉蓉（1981—），女，江蘇淮安人，講師，碩士，南京理工大學(xué)訪問學(xué)者，主要從事信號處理、目標(biāo)探測與識別等研究。