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ADSP Tiger SHARC芯片TS101S及其應(yīng)用
摘要：ADSPTigerSHARC系列中的TS101S是AD公司最新推出的高性能定／浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。文章利用FBLMS算法在輸入信號(hào)為高度相關(guān)性時(shí)仍然具有較好的收斂速度這一特點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)FBLMS算法在TS101S上實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)濾波，并在EZ-KIT開發(fā)板上測(cè)試通過(guò)，同時(shí)驗(yàn)證了該算法抑制同頻窄帶信號(hào)對(duì)雷達(dá)干擾的有效性。關(guān)鍵詞：ADSPTiserSHARC；FBLMS；窄帶干擾；TS101S
１引言
利用數(shù)字信號(hào)處理器（ＤＳＰ）來(lái)進(jìn)行模擬信號(hào)的處理同時(shí)具有很大的優(yōu)越性，其主要表現(xiàn)有精度高，靈活性大，可靠性好等方面。它不但可以廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、圖形／圖像處理、雷達(dá)聲納、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理等實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。而且隨著人們對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求的不斷提高和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器也發(fā)生著日新月異的變革。就ＡＤ公司而言，繼１６－ｂｉｔ定點(diǎn)ＡＤＳＰ２１ｘｘ和３２－ｂｉｔ浮點(diǎn)ＡＤＳＰ２１ｘｘｘ系列之后，日前又推出了ＡＤＳＰＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ系列的新型器件。這種ＴｉｇｅｒＳＨＡＲＣ系列器件是基于ＡＤ２１０６ｘ的下一代高性能芯片，其內(nèi)部集成有更大容量的ＲＡＭ，它可以在單周期內(nèi)執(zhí)行４條指令，且可以很方便地實(shí)現(xiàn)多片并行處理系統(tǒng)的擴(kuò)展，這些新添的特性更增加了高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理的可行性。本文將介紹該系列中的ＴＳ１０１Ｓ芯片，以及利用該芯片實(shí)現(xiàn)ＦＢＬＭＳ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｄｏｍａｉｎＢｌｏｃｋＬＭＳ?算法的自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波的設(shè)計(jì)方法。此外，筆者還在ＥＺ－ＫＩＴ開發(fā)板上測(cè)試通過(guò)并驗(yàn)證了該算法抑制同頻窄帶信號(hào)對(duì)雷達(dá)干擾的有效性。
�。玻裕樱保埃保酉到y(tǒng)器件的結(jié)構(gòu)性能
２．１結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
�。裕樱保埃保拥南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯框圖如圖１所示。ＴＳ１０１Ｓ依舊采用超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)（ＳＨＡＲＣ），并運(yùn)用流水線技術(shù)，目前可以達(dá)到８級(jí)流水線（３級(jí)取指５級(jí)執(zhí)行），其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
●具有特殊的指令集和較長(zhǎng)的指令字，一個(gè)指令字可以同時(shí)控制芯片內(nèi)多個(gè)功能單元的操作；
●片內(nèi)集成有可由用戶自己定義的６Ｍｂｉｔ大容量ＳＲＡＭ存儲(chǔ)器；
●具有２個(gè)獨(dú)立的計(jì)算單元，每個(gè)單元都有算術(shù)邏輯單元、乘法器、移位器、寄存器組及相關(guān)的數(shù)據(jù)對(duì)齊緩沖器，并可通過(guò)加速器支持Ｔｒｅｌｌｉｓ解碼?如，Ｖｉｔｅｒｂｉ和Ｔｕｒｂｏ解碼?和復(fù)數(shù)相關(guān)運(yùn)算；
●帶有兩個(gè)ＩｎｔｅｇｅｒＡＬＵ，每個(gè)ＩＡＬＵ含有兩個(gè)通用寄存器組，因而具有強(qiáng)大的地址產(chǎn)生能力，可支持環(huán)形緩沖和位反序?qū)ぶ罚?br />
●支持ＳＩＭＤ操作。
�。玻仓饕阅�
�。裕樱保埃保泳哂袠O高的處理能力，它采用靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，既有超標(biāo)量處理器所具備的大容量指令緩沖池和指令跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)功能，又可以在程序執(zhí)行前就對(duì)指令級(jí)進(jìn)行并行操作并用編譯器預(yù)測(cè)出來(lái)。ＴＳ１０１Ｓ的其它重要性能指標(biāo)如下：
●指令周期為４ｎｓ（主頻２５０ＭＨｚ）?運(yùn)算能力達(dá)到２５０ＭＩＰＳ；
●ＤＳＰ每周期能執(zhí)行４條指令，具有２４個(gè)１６－ｂｉｔ定點(diǎn)運(yùn)算和６個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能提供１５００ＭＩＰＳ或６．０ＧＯＰＳ的性能；
●每周期可實(shí)現(xiàn)８×１６ｂｉｔ乘與４０ｂｉｔ累加或者２×１６ｂｉｔ乘與８０ｂｉｔ累加；
●支持３２ｂｉｔＩＥＥＥ浮點(diǎn)數(shù)據(jù)和８ｂｉｔ／１６ｂｉｔ／３２ｂｉｔ／６４ｂｉｔ定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式。
�。裕樱保埃钡钠渌湫托阅苤笜�(biāo)如表１所列。
表1250M運(yùn)行時(shí)通用算法性能
性能指村速度時(shí)鐘周期32-bit處，500百萬(wàn)MACs/s峰值性能1024點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT（基2）39.34μs98351024點(diǎn)輸入50抽頭FIR110μs27500單FIRMAC2.2ns0.5516-bit算法，20億次MACs/s峰值性能256點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT（基2）4.4μs11001024點(diǎn)輸入50抽頭FIR28.8μs7200單FIRMAC0.56ns0.14單復(fù)數(shù)FIRMAC2.28ns0.57
雷達(dá)信號(hào)處理一般需要很高的實(shí)時(shí)性，比如在干擾抑制算法處理時(shí)，必須在一個(gè)回波脈沖周期內(nèi)完成相關(guān)算法。由上述分析可知，ＴＳ１０１Ｓ可以滿足高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求。下面以ＴＳ１０１Ｓ實(shí)現(xiàn)ＦＢＬＭＳ自適應(yīng)算法抑制同頻窄帶信號(hào)對(duì)雷達(dá)的干擾為例進(jìn)一步介紹該芯片。
３ＦＢＬＭＳ算法分析與實(shí)現(xiàn)
自適應(yīng)過(guò)程一般采用典型ＬＭＳ自適應(yīng)算法，但當(dāng)濾波器的輸入信號(hào)為有色隨機(jī)過(guò)程時(shí)，特別是當(dāng)輸入信號(hào)為高度相關(guān)時(shí)，這種算法收斂速度要下降許多，這主要是因?yàn)檩斎胄盘?hào)的自相關(guān)矩陣特征值的分散程度加劇將導(dǎo)致算法收斂性能的惡化和穩(wěn)態(tài)誤差的增大。此時(shí)若采用變換域算法可以增加算法收斂速度。變換域算法的基本思想是：先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次正交變換以去除或衰減其相關(guān)性，然后將變換后的信號(hào)加到自適應(yīng)濾波器以實(shí)現(xiàn)濾波處理，從而改善相關(guān)矩陣的條件數(shù)。因?yàn)殡x散傅立葉變換?ＤＦＴ?本身具有近似正交性，加之有ＦＦＴ快速算法，故頻域分塊ＬＭＳ?ＦＢＬＭＳ?算法被廣泛應(yīng)用。
�。疲拢蹋停铀惴ū举|(zhì)上是以頻域來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)域分塊ＬＭＳ算法的，即將時(shí)域數(shù)據(jù)分組構(gòu)成Ｎ個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)塊，且在每塊上濾波權(quán)系數(shù)保持不變。其原理框圖如圖２所示。ＦＢＬＭＳ算法在頻域內(nèi)可以用數(shù)字信號(hào)處理中的重疊保留法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算量比時(shí)域法大為減少，也可以用重疊相加法來(lái)計(jì)算，但這種算法比重疊保留法需要較大的計(jì)算量。塊數(shù)據(jù)的任何重疊比例都是可行的，但以５０％的重疊計(jì)算效率為最高。對(duì)ＦＢＬＭＳ算法和典型ＬＭＳ算法的運(yùn)算量做了比較，并從理論上討論了兩個(gè)算法中乘法部分的運(yùn)算量。本文從實(shí)際工程出發(fā)，詳細(xì)分析了兩個(gè)算法中乘法和加法的總運(yùn)算量，其結(jié)果為：
復(fù)雜度之比＝ＦＢＬＭＳ實(shí)數(shù)乘加次數(shù)／ＬＭＳ實(shí)數(shù)乘加次數(shù)＝（２５Ｎｌｏｇ２Ｎ＋２Ｎ－４）／[２Ｎ(２Ｎ－１)]?
采用ＡＤＳＰ的Ｃ語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)ＦＢＬＭＳ算法的程序如下：
�。妫铮�(ｉ＝０;ｉ＜＝３０;ｉ＋＋)
{ｆｏｒ(ｊ＝０;ｊ＜＝ｎ－１;ｊ＋＋)
{ｉｎ[ｊ]＝ｉｎｐｕｔ[ｉ×Ｎ＋ｊ;]
ｒｆｆｔ(ｉｎ,ｔｉｎ,ｎｆ,ｗｆｆｔ,ｗｓｔ,ｎ);
�。颍妫妫�(ｗ,ｔｗ,ｗｆ,ｗｆｆｔ,ｗｓｔ,ｎ);
ｃｖｅｃｖｍｌｔ(ｉｎｆ,ｗｆ,ｉｎｗ,ｎ);
�。椋妫妫�(ｉｎｗ,ｔ,Ｏ,ｗｆｆｔ,ｗｓｔ,ｎ);
�。妫铮�(ｊ＝０,ｊ＜＝Ｎ－１;ｊ＋＋)
{ｙ[ｉ×Ｎ＋ｊ]＝Ｏ[Ｎ＋ｊ]．ｒｅ;
�。錥ｉ×Ｎ＋ｊ]＝ｒｅｆｅｒｅ[ｉ×Ｎ＋ｊ]－ｙ[ｉ×Ｎ＋ｊ];
�。簦澹恚餥Ｎ＋ｊ]＝ｅ[ｉ×Ｎ＋ｊ;}
�。颍妫妫�(ｔｅｍｐ,ｔ,Ｅ,ｗｆｆｔ,ｗｓｔ,ｎ);
�。妫铮�(ｊ＝０;ｊ＜＝ｎ－１;ｊ＋＋)
{ｉｎｆ_ｃｏｎｊ[ｊ]＝ｃｏｎｊｆ(ｉｎｆ[ｊ]);}???
�。悖觯澹悖觯恚欤�(Ｅ,ｉｎｆ_ｃｏｎｊ,Ｅｉｎ,ｎ);
ｉｆｆｔ(Ｅｉｎ,ｔ,Ｅｉｎ,ｗｆｆｔ,ｗｓｔ,ｎ);
�。妫铮�(ｊ＝０;ｊ＜＝Ｎ－１;ｊ＋＋)
{ＯＯ[ｊ]＝Ｅｉｎ[ｊ]．ｒｅ;
ｗ[ｊ]＝ｗ[ｊ]＋２＊ｕ＊ＯＯ[ｊ];}??
}
在ＥＺ－ＫＩＴ測(cè)試板中，筆者用匯編語(yǔ)言和Ｃ語(yǔ)言程序分別測(cè)試了典型ＬＭＳ算法的運(yùn)行速度，并與ＦＢＬＭＳ算法的Ｃ語(yǔ)言運(yùn)行速度進(jìn)行了比較，表２所列是其比較結(jié)果，從表２可以看出濾波器階數(shù)為６４時(shí)，即使是用Ｃ語(yǔ)言編寫的ＦＢＬＭＳ算法也比用匯編編寫的ＬＭＳ算法速度快２０％以上，如果濾波器的階數(shù)更大，則速度會(huì)提高更多。
表2FBLMS和LMS算法在運(yùn)行速度比較
算法條件時(shí)鐘周期速度LMS-ASM1024點(diǎn)實(shí)數(shù)據(jù)，64階12574935.030msLMS-C1024點(diǎn)實(shí)數(shù)據(jù)，64階839486233.579msFBLMS-C1024點(diǎn)實(shí)數(shù)據(jù)，64階9865243.946ms
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