無線電測向就是依據(jù)電磁波傳播特性，使用無線電測向設備測定電波來波方向的過程。無線電波在空氣中具有沿直線傳播的特點。如果能確定出電波傳播方向，就可確定出發(fā)射臺所在方向。當測向的地點確定之后，該點的北方向與所測電臺方向之間順時針方向的夾角（也稱示向度）也就確定了。如果只獲得電臺的一個示向度值，僅可以確定電臺在某一直線上，但無法判斷其具體位置。若設定兩個或兩個以上的測向點，就可獲得不同的示向度，將其標繪在地圖上，其交點即為發(fā)射電臺的位置。在測定過程中，根據(jù)天線系統(tǒng)從到達來波信號中獲得信息以及對信息處理的方法，可以將測向系統(tǒng)分為兩大類：標量測向系統(tǒng)和矢量測向系統(tǒng)。標量測向系統(tǒng)僅能獲得和使用到達來波信號有關的標量信息數(shù)據(jù)，矢量測向系統(tǒng)可以獲得和使用到達來波信號的矢量信息數(shù)據(jù)；標量測向系統(tǒng)僅能單獨獲得和使用電磁波的幅度或者相位信息，而矢量測向系統(tǒng)可以同時獲得和使用磁波的幅度和相位信息。

    1 TS201的主要特點

    ADSP-TS201采用超級哈佛結構，靜態(tài)超標量操作適合多處理器模式運算，可直接構成分布式并行系統(tǒng)和共享存儲式系統(tǒng)。其性能如下：

    （1）工作主頻可達600 MHz,指令周期為1.67 ns.支持單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）操作。

    （2）支持IEEE32位、40位浮點數(shù)據(jù)格式和8位、16位、32位和64位定點數(shù)據(jù)格式。

    （3）4條128位的數(shù)據(jù)總線與6個4 Mb的內(nèi)部RAM相連。

    （4）32位的地址總線提供4 G的統(tǒng)一尋址空間。

    （5）對與多片處理器的無縫互連提供片上仲裁。

    ADSP-TS201處理器由處理器核和IO接口兩部分組成，結構框圖如圖l所示。其中處理器核由兩個計算塊、兩個整型算術邏輯單元、程序控制器組成。IO接口由內(nèi)部存儲器、外部設備接口、14通道的DMA控制器、全雙工的LVDS鏈路口、IEEEll49.1JTAG接口組成。內(nèi)部存儲器為24 Mb DRAM,外部設備接口包括SDRAM控制器、EPROM接口、主機接口、多處理器接口。

    2 系統(tǒng)結構

    無線電測向系統(tǒng)由4個部分組成：陣列天線、多通道接收機、陣列信號處理器以及監(jiān)控終端，如圖1所示。

    該系統(tǒng)采用9元均勻面陣，多通道接收機完成信號的采樣，再經(jīng)過數(shù)字下變頻，送到處理單元的9個通道。數(shù)字信號處理器為該系統(tǒng)的部分。由于考慮陣列信號處理的運算量較大（特征值分解及多次復矩陣相乘等運算），為了滿足系統(tǒng)實時性的要求，故選用2片主頻為600 MHz、內(nèi)存為24 Mbit的TS201芯片作為本系統(tǒng)的處理器。其中一片用來實現(xiàn)測向算法，另一片用來實現(xiàn)波束合成算法。

    3 算法研究

    3.1 算法簡介

    MUSIC 算法是利用接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣（Rx）分離出信號子空間和噪聲子空間，利用信號方向向量與噪聲子空間的正交性來構成空間掃描譜，進行全域搜索譜峰，從而實現(xiàn)信號的參數(shù)估計。MUSIC算法是空間譜估計發(fā)展史上具有里程碑意義的算法，它實際上已經(jīng)成為空間譜估計方法和理論的重要基石。其特點是測向分辨率高；對信號個數(shù)、DOA、極化、噪聲干擾強度、來波的強度和相干關系可以進行漸近無偏估計；可以解決多徑信號的DOA估計問題；可以用于高密度信號環(huán)境下的無線測向。如果噪聲子空間大于信號子空間，MUSIC算法有更好的性能。

    多重信號特征算法MUSIC（Multiple Signal Characteristic）是一種基于矩陣特征空間的方法，它將觀測空間分解為信號子空間和與之正交的噪聲子空間。信號子空間由陣列接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差距陣中與信號對應的特征向量張成，而噪聲子空間則由該協(xié)方差距陣中所有特征值（噪聲方差）對應的特征向量張成。多重信號特征法就是利用這兩個互補空間之間的正交特性來估計空間信號的方位，噪聲子空間的所有向量都被用來構造譜估計器，所得空間方位譜中的峰值位置就是空間信號的方位估計。多重信號特征法大大提高了陣列信號處理的分辨率，可應用于任意形狀的陣列和特性相異的陣元。

    基于干擾源定向的零點預處理算法是在對各種自適應波束合成算法研究的基礎上，基于協(xié)方差矩陣的特征分解，結合采樣協(xié)方差矩陣求逆（SMI）算法[2]、基于特征空間（ESB）[3,4]、預投影變換[5]等自適應波束合成算法的知識，以及MUSIC 算法中對協(xié)方差矩陣進行特征分解提取出信號子空間等手段而提出的一種新的自適應波束合成方法。它與陣列形狀無關，在對干擾源進行定向的情況下，提取干擾信號的噪聲子空間對陣列觀測數(shù)據(jù)進行零點預處理再進行傳統(tǒng)的自適應波束合成，從而使得陣列方向圖在干擾方向形成極深零陷的同時在期望方向形成主瓣。該算法對干擾的抑制能力很強，合成增益接近；對幅相誤差、實際期望信號來向誤差不敏感，有著很強的穩(wěn)健性，適合實際使用。

    兩種算法的流程圖如圖2、圖3所示。

    3.2 仿真結果

    MUSIC算法：

    仿真實驗中，天線陣列為9元均勻面陣，天線陣元間距是二分之一中心波長，信號點數(shù)500點，信號來波方向為[15° 100°，60° 320°].仿真結果見圖4.

  零點預處理算法：

    實驗環(huán)境同MUSIC算法，設空間三個信號，其中期望信號來波方向為[100° 30°],干擾信號來波方向為[40° 30°，160° 30°].仿真結果見圖5.

    從圖4可以看出，在[15° 100°]和[60° 320°]方向上出現(xiàn)了2個尖峰，說明MUSIC算法可以準確地測出空間2個信號的來向。從圖5可以看出，零點預處理算法在期望方向形成主波束，在干擾方向形成門限。試驗證明，選擇這兩種算法是正確合理的。

    4 DSP模塊功能

    系統(tǒng)通信的命令格式如圖6.

    系統(tǒng)工作過程如下：

    監(jiān)控終端微機通過VXI總線給DSP-A發(fā)送命令，DSP-A接到命令后，按照內(nèi)部協(xié)議產(chǎn)生校驗碼，如果與收到的校驗碼一致，則根據(jù)命令號進行相應的測向或波束合成操作。中斷1用于DSP和監(jiān)控終端微機之間的通信，中斷0則用于2片DSP之間的通信。DSP-A若接到測向命令，則在DSP-A中取出測向結果；DSP-A若接到波束合成命令，則向DSP-B產(chǎn)生中斷0,取出波束合成結果。

    本系統(tǒng)采用2片DSP作為無線電測向系統(tǒng)的處理器，其中一片在50 ms之內(nèi)完成測向，另一片在10 ms之內(nèi)完成波束合成。根據(jù)實際需求，測向系統(tǒng)將完成以下功能：

    （1）多次測向：由于實際中測向結果存在誤差，通常進行多次測向，再取平均，以提高。測向次數(shù)可以由用戶自由選擇。

    （2）自動跟蹤：系統(tǒng)設置為自動跟蹤態(tài)時，先由DSP-A測出信號的角度信息，DSP-B再根據(jù)已知的角度信息進行波束合成，使得主波束一直對準期望信號的方向，以此達到跟蹤信號的目的。

    （3）指定方向：系統(tǒng)設置為指定方向態(tài)時，DSP-B波束合成之后將主波束指向用戶指定的方向，以便用戶觀察自己感興趣方向上的信號動向。

    2片DSP的程序流程圖如圖7、圖8所示。

    MUSIC和零點預處理算法中大部分都是復數(shù)運算，其中復數(shù)相乘、復矩陣特征值分解所占比例較大，二維的譜峰搜索耗費較多時間。為此，充分利用了TS201芯片雙處理器核的SIMD結構和單周期內(nèi)可4字讀寫的特點。在一個周期內(nèi)同時向X核讀入實部，Y核讀入虛部，再同時進行乘加運算，雙核的使用使程序的運行周期大大減少，約為單核的1/4.對于sin和cos的計算，以0.1°為間隔進行查表運算，比級數(shù)展開大大減少了運算時間，也達到了系統(tǒng)所需的要求。此外，在TS201的仿真環(huán)境VisualDSP++3.5中，還存在Linear profiling工具，可以分析各個子函數(shù)占總運行時間的比例，對于把握整個程序的運行狀況、優(yōu)化程序的瓶頸，起了很好的幫助作用。由于TS201有24 Mbit等分為6個4 Mbit存儲塊的大容量存儲空間，它可以充分存儲這2個算法所運行的全部數(shù)據(jù)，不需要進行內(nèi)存擴展，這也是很多芯片所無法比擬的。綜上所述，通過合理的軟件結構搭建和一系列的程序優(yōu)化措施，使DSP的運行時間能夠較好地滿足系統(tǒng)所需的要求。

    5 系統(tǒng)特點

    無線電測向系統(tǒng)要求必須以盡可能短的時間、盡可能高的對空中信號進行定位和跟蹤。本系統(tǒng)充分考慮以上2個因素，具有以下特點：

    （1）穩(wěn)健、高性能的算法。通過大量的仿真實驗比較，本文選擇了具有高分辨率且性能穩(wěn)定的MUSIC算法和零點預處理算法。良好的算法保證了系統(tǒng)測向的和運行的穩(wěn)定性。

    （2）合理的系統(tǒng)結構。2片DSP的選用保證系統(tǒng)測向功能和波束合成功能互不干擾和影響。編程中充分注意雙核的并行使用及快速算法的運用，使得系統(tǒng)的時效性大大提高（測向50 ms,波束合成10 ms）。

    （3）完備可靠的通信協(xié)議。所有的通信協(xié)議均通過算法進行加密，正確的校驗保證了數(shù)據(jù)和命令的可靠傳輸。

    本文給出的基于TS201的無線電測向系統(tǒng)能夠快速準確地對信號進行定位和跟蹤，通過選用高性能的MUSIC和零點預處理算法使得系統(tǒng)具有較高的測向，通過選用高速信號處理器ADSP-TS201使得系統(tǒng)具有較快的運行速度。對DSP模塊合理的結構搭建和一系列的優(yōu)化措施，使得系統(tǒng)滿足了指標要求。