DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時(shí)探測研究

摘要：探測系統對輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號進(jìn)行實(shí)時(shí)識別處理，反演估算出空間瞬態(tài)信號能量大小并報告發(fā)生時(shí)刻。采用DSP CPLD的數字處理方案，利用DSP的高速數字信號處理特性及COLD的復雜邏輯可編程特性，可實(shí)現對瞬態(tài)信號的實(shí)時(shí)識別和處理。其中用CPLD實(shí)現A/D變速率采樣，解決了嵌入式系統線(xiàn)路板面積有限與實(shí)時(shí)處理需要大容量存儲空間的矛盾。

我國現役空間瞬態(tài)光輻射信號探測系統中，老型號較多，大部分沒(méi)有配備自動(dòng)檢測和錄取設備�？臻g瞬態(tài)信號的錄取、數據的處理和上報大多由人工進(jìn)行，難以勝任復雜環(huán)境下快速、準確錄取信號以及氣象情報入網(wǎng)的要求。為適應現代化氣象分析的要求，采用ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ的方式將極大地提高現有空間瞬態(tài)信號探測的自動(dòng)錄取和分析能力。

在實(shí)時(shí)信號處理技術(shù)中，ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ方式是目前國際上比較通用的方法，如美國、俄羅斯等多采用這種方式。ＤＳＰ是一種可編程的數字微處理器。與單片機相比，ＤＳＰ芯片具有更適于數字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復雜的數字信號處理算法。本文采用美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３Ｘ系列浮點(diǎn)ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ３２作為整個(gè)系統的主機，利用其完成系統的控制和數字信號處理功能。

ＣＰＬＤ是一種多用途、高密度的復雜可編程邏輯器件，可將系統的部分或全部功能集成在一塊芯片上，并且具有設計方便靈活、易于修改等特點(diǎn)，可大大縮短研制時(shí)間，并減小系統硬件復雜度。本文采用美國ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ７０００Ｓ系列ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４，利用ＣＰＬＤ實(shí)現Ａ／Ｄ變速率采樣及其它邏輯控制。

１ 系統組成及基本原理

本探測系統主要解決了嵌入式系統線(xiàn)路板面積有限與實(shí)時(shí)數據處理需要大量存儲空間的矛盾，實(shí)現實(shí)時(shí)處理信號。

如圖１所示，空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時(shí)探測系統主要由三大模塊組成：前級預處理電路模塊、Ａ／Ｄ變速率采樣模塊、ＤＳＰ信號識別及存儲模塊。

各模塊的主要功能為：

（１）前級預處理電路模塊，負責空間瞬態(tài)光輻射信號的光電轉換、背景扣除、動(dòng)態(tài)范圍壓縮等任務(wù)；

（２）Ａ／Ｄ變速率采樣模塊，負責觸發(fā)信號產(chǎn)生、上升速率初判、信號采集時(shí)序控制、Ａ／Ｄ變速率采樣及ＦＩＦＯ緩沖存儲等任務(wù)；

（３）ＤＳＰ信號識別及存儲模塊，負責對空間瞬態(tài)信號進(jìn)行快速識別處理，反演計算出能量大小，報告事件發(fā)生時(shí)刻并存儲和傳輸數據；同時(shí)控制整個(gè)系統、并與ＰＣ機或其它系統傳輸數據發(fā)送。

２ 前級預處理電路模塊

２．１光電轉換

由于空間瞬態(tài)光輻射信號速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，故對光輻射探測器要求較高。本文采用日本濱松公司的Ｓ２３８７－１０１０Ｒ硅光電二極管，它具備靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大、時(shí)間響應快和覆蓋范圍大等特性。

２．２ 背景扣除

太陽(yáng)光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號能量高幾個(gè)數量級。對于系統而言，由于太陽(yáng)光的影響，目標信號十分微弱，大多掩埋在強噪聲之中。因此必須對強背景信號進(jìn)行扣除處理，提取出有用目標事件瞬態(tài)信號。

在信號自動(dòng)處理和分析技術(shù)中，強背景下弱信號的提取是一個(gè)難點(diǎn)。本文根據背景信號變化緩慢而目標信號變化快速的特點(diǎn)，采用高通濾波器對信號進(jìn)行背景扣除。

高通濾波器在技術(shù)實(shí)現上可以采用數字電路，也可以采用模擬電路。為簡(jiǎn)化電路、減輕后續處理電路壓力，本文采用電容、電阻等構建一個(gè)模擬高通濾波器進(jìn)行背景扣除，其原理如圖２所示。

由圖２可知，濾波器的傳遞函數為：

Ｈ（ｓ）＝R/[(1/sC) R]＝sRC/(1 sRC)

選擇適當電阻、電容值即可實(shí)現對目標信號的背景扣除。

２．３ 動(dòng)態(tài)范圍壓縮

空間瞬態(tài)光輻射信號的動(dòng)態(tài)范圍太大，如果直接對其進(jìn)行Ａ／Ｄ轉換，則Ａ／Ｄ的量化分辨率至少要１５ｂｉｔ，并且因ｂｉｔ數多而增加后級數字信號處理的數據量、降低系統的實(shí)時(shí)性。因此采用對數放大器對信號的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行對數壓縮。采用１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ轉換器即可滿(mǎn)足要求，且減少了處理的數據量，提高了系統實(shí)時(shí)性。本文采用美國ＴＩ公司的ＴＬ４４１Ｍ對數放大器。它是由四級３０ｄＢ對數放大器級聯(lián)成的單片高性能對數放大器芯片，可以得到１２０ｄＢ的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍。

３ Ａ／Ｄ變速率采樣模塊

３．１ 閾值觸發(fā)

如圖３所示，經(jīng)前級

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