自適應(yīng)波束形成是利用現(xiàn)時(shí)的輸入信號(hào)和干擾矢量采用自適應(yīng)算法進(jìn)行處理，以達(dá)到通過(guò)有用信號(hào)或需要方向的信號(hào)且抑制干擾的目的。由于其可以在惡劣的敵方干擾和電磁兼容環(huán)境中提高雷達(dá)、通信等系統(tǒng)的抗干擾能力，所以被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和通信等多種軍事應(yīng)用和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。當(dāng)前，自適應(yīng)波束形成通常采用數(shù)字方式在基帶實(shí)現(xiàn)，即自適應(yīng)數(shù)字波束形成(ADBF)。ADBF與自適應(yīng)波束形成可視為同一技術(shù)。
　　ADBF技術(shù)要完成相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)算。為了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，一方面要從算法本身提高ADBF系統(tǒng)的處理性能，另一方面需研制處理器結(jié)構(gòu)(特別是以Systolic和Wavefront為代表的高速并行處理機(jī))，以滿足高速、實(shí)時(shí)的需要。目前，隨著高性能通用DSP的迅猛發(fā)展并結(jié)合并行性能優(yōu)越的Systolic陣，采用通用DSP實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波束形成已成為一種趨勢(shì)。
　　本文描述了一種基于多片TS101S的并行處理自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)的算法、結(jié)構(gòu)，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 IQRD－SMI自適應(yīng)波束形成算法
1.1 算法原理
　　自適應(yīng)陣處理系統(tǒng)" title="處理系統(tǒng)">處理系統(tǒng)(M陣元的均勻線陣)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中中虛線框內(nèi)為自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)，也是本文研究的部分。設(shè)Xn為n次采樣得到的n×M維輸入數(shù)據(jù)矩陣，即X_n=[x^T(1)，x^T(2)，L，x^T(n)]^T。其中：x^T(i)=[x₁(i) x₂(i) ∧ x_M(i)]，i=1，2，……∧ n，表示在第i次快拍時(shí)各陣元上的數(shù)據(jù)。為了提高算法的并行性能，采用數(shù)據(jù)域ADBF算法，其典型代表是QR分解SMI(QRD-SMI)算法^[1～3]。該算法避免了直接利用協(xié)方差矩陣Rxx求解線性方程，而是將Rxx分解，并利用Givens旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)矩陣的QR分解，最終將自適應(yīng)權(quán)矢量w的求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下三角線性方程組的求解問(wèn)題。

1.2 Systolic陣結(jié)構(gòu)
　　圖2為IQRD-SMI算法的Systolic陣結(jié)構(gòu)（以三陣元為例），所有的并行處理系統(tǒng)可視為以處理器為節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)并行處理系統(tǒng)時(shí)必須考慮許多問(wèn)題，其中處理器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)處理器的選擇和設(shè)計(jì)最為重要。良好的專用并行處理系統(tǒng)應(yīng)該具有模塊化、流水處理、局域性等特點(diǎn)。圖2所示結(jié)構(gòu)可以很好地滿足實(shí)時(shí)/并行處理的要求。

　　該Systolic陣包含四種處理器單元。下三角矩陣B（即＝＝＝）部分的bij單元儲(chǔ)存并更新＝＝＝＝的各元素；中間向量z(n)中各zi單元用以產(chǎn)生系統(tǒng)進(jìn)行Givens旋轉(zhuǎn)更新所需的旋轉(zhuǎn)因子；中間向量v中各vi單元完成對(duì)vi的儲(chǔ)存和更新；最后，wi單元完成權(quán)向量的更新和輸出?？梢钥吹?，該算法及其Systolic陣避免了QR分解SMI算法需要的前后向回代過(guò)程，整個(gè)Systolic陣系統(tǒng)能高效并行地完成權(quán)向量的更新和提取，可以滿足實(shí)際雷達(dá)自適應(yīng)波束形成系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

　　為了減少處理器數(shù)目，通常采用線性陣列結(jié)構(gòu)，把實(shí)際算法所采用的非線性陣映射為線性陣。本文所采用的映射方式如圖3所示。此映射方式有以下優(yōu)點(diǎn)：處理器單元（PE）數(shù)大大減少；數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)均從第一個(gè)PE節(jié)點(diǎn)流入，內(nèi)部PE節(jié)點(diǎn)與外界無(wú)輸入輸出關(guān)系，單向流動(dòng)，在最后一個(gè)PE節(jié)點(diǎn)以流水方式輸出；每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只與相鄰的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)交換。該種映射方式能方便地安排輸入/輸出接口、數(shù)據(jù)流和控制流，也有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和重構(gòu)。
2 多片TS101S實(shí)現(xiàn)方案
　　ADSP-TS101S是ADI公司于2001年底推出的新一代高性能數(shù)字信號(hào)處理器，主頻300MHz，片內(nèi)存儲(chǔ)器6Mbit。它是由ADSP-2106x/2116x系列發(fā)展起來(lái)的一款極高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，專為大的信號(hào)處理任務(wù)和通信結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。TS101S靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期能夠執(zhí)行多達(dá)4條指令、24個(gè)16位定點(diǎn)運(yùn)算和6個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算。其優(yōu)越的運(yùn)算處理性能使得采用通用DSP實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)ADBF成為可能。

　　筆者研制的含有4片TS101S的多處理器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4。系統(tǒng)為鏈路口耦合流水線方式多處理器系統(tǒng)，因?yàn)門S101S鏈路口傳輸數(shù)據(jù)率與外部總線相當(dāng)，同時(shí)鏈路口耦合方式具有片間通信簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接、各DSP程序可以獨(dú)立設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)容易等優(yōu)點(diǎn)。片間數(shù)據(jù)傳送采用鏈路口鏈?zhǔn)紻MA方式，鏈?zhǔn)紻MA在完成一次DMA傳輸后，能自動(dòng)對(duì)DMA參數(shù)寄存器載入新值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)初始化（無(wú)需處理器核干預(yù)），開(kāi)始下一次傳輸。片間通信采用鏈?zhǔn)紻MA中斷方式，中斷在整個(gè)鏈序列結(jié)束后產(chǎn)生。板上還接一32MB的SDRAM和4Mbit的Flash，它們都掛接在各DSP的外部總線上。四片DSP的JTAG口連在一起通過(guò)仿真器與計(jì)算機(jī)通信，ADBF模擬用的數(shù)據(jù)、系數(shù)因子及DSP程序利用仿真器（系統(tǒng)采用ADI公司的ADDS-HPPCI-ICE仿真器)通過(guò)JTAG口下載到各DSP上。處理數(shù)據(jù)的流向依次為：DSPA→DSPB→DSPC→DSPD，最后在DSPD完成波束形成，在任務(wù)分配上應(yīng)注意各DSP均勻分配。軟件平臺(tái)使用VisualDSP++3.5。
　　并行處理機(jī)的基本性能取決于組成并行處理機(jī)的要素：處理單元、并行處理機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、并行算法程序和任務(wù)分配方法。實(shí)驗(yàn)方案對(duì)上述要素均有較好的把握。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?陣元，均勻線陣（ULA），陣元間距為λ/2。為了測(cè)試算法和DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案的性能，按照采樣數(shù)滿足基本數(shù)2M（16次）的條件分析系統(tǒng)對(duì)單干擾和雙干擾的實(shí)驗(yàn)性能。當(dāng)采樣數(shù)增大時(shí)，使得協(xié)方差矩陣的估計(jì)越充分，干擾抑制深度進(jìn)一步加深，并且旁瓣性能逐步改善。為了改善波束旁瓣性能，均采用了對(duì)角加載" title="加載">加載技術(shù)（實(shí)驗(yàn)過(guò)程未采用操縱矢量加窗）。本文做了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)仿真一致。

　　圖5為單干擾源實(shí)驗(yàn)結(jié)果。自適應(yīng)陣的瞄準(zhǔn)方向?yàn)?0°，信號(hào)噪聲比（SNR）為20dB；干擾噪聲比（INR）為40dB，到來(lái)角為0°。30dB加載?？梢钥吹教幚硐到y(tǒng)在干擾方向產(chǎn)生了相當(dāng)深的零點(diǎn)，其零深約為-60dB。