DSP和CPLD的空间瞬态光辐射信号实时探测研究

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探测系统对输入的空间瞬态光辐射信号进行实时识别处理,反演估算出空间瞬态信号能量大小并报告发生时刻。采用dsp+cpld的数字处理方案,利用dsp的高速数字信号处理特性及cold的复杂逻辑可编程特性,可实现对瞬态信号的实时识别和处理。其中用cpld实现a/d变速率采样,解决了嵌入式系统线路板面积有限与实时处理需要大容量存储空间的矛盾。

实时处理我国现役空间瞬态光辐射信号探测系统中,老型号较多,大部分没有配备自动检测和录取设备。空间瞬态信号的录取、数据的处理和上报大多由人工进行,难以胜任复杂环境下快速、准确录取信号以及气象情报入网的要求。为适应现代化气象分析的要求,采用dsp+cpld的方式将极大地提高现有空间瞬态信号探测的自动录取和分析能力。

在实时信号处理技术中,dsp+cpld方式是目前国际上比较通用的方法,如美国、俄罗斯等多采用这种方式。dsp是一种可编程的数字微处理器。与单片机相比,dsp芯片具有更适于数字信号处理的软件和硬件资源,可用于复杂的数字信号处理算法。本文采用美国ti公司的tms320c3x系列浮点dsp芯片tms320c32作为整个系统的主机,利用其完成系统的控制和数字信号处理功能。

cpld是一种多用途、高密度的复杂可编程逻辑器件,可将系统的部分或全部功能集成在一块芯片上,并且具有设计方便灵活、易于修改等特点,可大大缩短研制时间,并减小系统硬件复杂度。本文采用美国altera公司的max7000s系列cpld芯片epm7128slc84,利用cpld实现a/d变速率采样及其它逻辑控制。

1 系统组成及基本原理本探测系统主要解决了嵌入式系统线路板面积有限与实时数据处理需要大量存储空间的矛盾,实现实时处理信号。

空间瞬态光辐射信号实时探测系统主要由三大模块组成:前级预处理电路模块、a/d变速率采样模块、dsp信号识别及存储模块。

各模块的主要功能为:

(1)前级预处理电路模块,负责空间瞬态光辐射信号的光电转换、背景扣除、动态范围压缩等任务;

(2)a/d变速率采样模块,负责触发信号产生、上升速率初判、信号采集时序控制、a/d变速率采样及fifo缓冲存储等任务;

(3)dsp信号识别及存储模块,负责对空间瞬态信号进行快速识别处理,反演计算出能量大小,报告事件发生时刻并存储和传输数据;同时控制整个系统、并与pc机或其它系统传输数据发送。

2 前级预处理电路模块

2.1光电转换

由于空间瞬态光辐射信号速度快、动态范围大,故对光辐射探测器要求较高。本文采用日本滨松公司的s2387-1010r硅光电二极管,它具备灵敏度高、动态范围大、时间响应快和覆盖范围大等特性。

2.2 背景扣除

太阳光辐射能量比空间瞬态光辐射信号能量高几个数量级。对于系统而言,由于太阳光的影响,目标信号十分微弱,大多掩埋在强噪声之中。因此必须对强背景信号进行扣除处理,提取出有用目标事件瞬态信号。

在信号自动处理和分析技术中,强背景下弱信号的提取是一个难点。本文根据背景信号变化缓慢而目标信号变化快速的特点,采用高通滤波器对信号进行背景扣除。
高通滤波器在技术实现上可以采用数字电路,也可以采用模拟电路。为简化电路、减轻后续处理电路压力,本文采用电容、电阻等构建一个模拟高通滤波器进行背景扣除。

滤波器的传递函数为:

h(s)=r/[(1/sc)+r]=src/(1+src)

选择适当电阻、电容值即可实现对目标信号的背景扣除。

2.3 动态范围压缩

空间瞬态光辐射信号的动态范围太大,如果直接对其进行a/d转换,则a/d的量化分辨率至少要15bit,并且因bit数多而增加后级数字信号处理的数据量、降低系统的实时性。因此采用对数放大器对信号的动态范围进行对数压缩。采用12bit的a/d转换器即可满足要求,且减少了处理的数据量,提高了系统实时性。本文采用美国ti公司的tl441m对数放大器。它是由四级30db对数放大器级联成的单片高性能对数放大器芯片,可以得到120db的输入电压动态范围。

3 a/d变速率采样模块

3.1 阈值触发

经前级预处理后,目标信号进入阈值触发电路中的电压比较器。dsp设置阈值信号,锁存后经d/a转换输出到电压比较器,与输入的目标信号进行比较:若目标信号超过阈值信号,则产生触发信号并驱动时序控制电路及a/d转换电路工作;否则不工作。

3.2 cpld控制a/d变速率采样

为了进一步减少信号处理的数据量,实现实时处理,本文采用了变速率采样的方法解决线路板面积有限与数据处理需要大容量存储空间的矛盾。

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