閆法鋼（第七一五研究所，杭州，310023）

功率譜是描述隨機信號的一個主要特征量，在隨機信號的分析和處理中有著重要的理論意義和實際應(yīng)用[1]。為了得到盡可能接近于真實的功率譜，需要采集足夠多的信號樣本。但在實際工作中，處理器的數(shù)據(jù)空間有時制約了采集量，如何有效地利用有限的數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的采集和處理成為一個有待解決的問題。

1 TMS320VC5416數(shù)據(jù)空間介紹

TMS320VC5416是TI公司推出的一款16位定點DSP，TI公司為用戶免費提供了優(yōu)化的信號處理函數(shù)庫 DSPLIB，其中包含 FFT、FIR等常用函數(shù)接口，非常適合對數(shù)字信號進(jìn)行實時處理。但其可訪問的數(shù)據(jù)空間僅為64 k，在某些應(yīng)用場合，需要連續(xù)采集大于 64 k的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理時，TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間不能滿足使用要求。本文通過在 TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間內(nèi)構(gòu)建一塊乒乓結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)空間，循環(huán)使用，實現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與功率譜估計。TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間如圖1所示。其中，低32 k空間固定映射在片內(nèi) RAM，高 32 k空間可以配置為映射在片內(nèi)RAM或片外RAM[2]。

圖1 TMS320VC5416數(shù)據(jù)空間示意圖

對于片內(nèi)存儲器的操作有如下優(yōu)勢：（1）高效率，不用插入等待周期；（2）高性能，數(shù)據(jù)流可以更快到達(dá)中心算術(shù)邏輯單元；（3）比外部存儲器更低的硬件開銷；（4）比外部存儲器更低的功耗。

2 乒乓緩存算法介紹[3]

乒乓緩存算法用于實現(xiàn)兩個buffer的數(shù)據(jù)交替存取。典型的乒乓操作方法如圖2所示。輸入數(shù)據(jù)流通過“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”將數(shù)據(jù)流等量分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。在第一個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”；在第二個緩沖周期，通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊 1”緩沖的第一個周期數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”的選擇，送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進(jìn)行運算處理；在第三個緩沖周期通過“輸入數(shù)據(jù)選擇單元”的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”，同時將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第2個周期的數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)選擇單元”切換，送到“數(shù)據(jù)流運算處理模塊”進(jìn)行運算處理，如此循環(huán)。

圖2 乒乓緩存操作示意圖

3 軟件實現(xiàn)

3.1 Bartlett法的介紹[1]

Bartlett法是功率譜估計常用的方法之一，它是用改進(jìn)的平均周期圖法來求取隨機信號的功率譜密度估計。其思想是將長度為N的采樣隨機信號平均分成L段，每段長度為M，先用周期圖法計算每一段的功率譜，然后再將總的功率譜密度加以平均（周期圖法，即是把隨機序列x(n)的N個觀測數(shù)據(jù)視為一個能量有限的序列，直接計算x(n)的離散傅里葉變換(DFT)，得X(f)，然后再取其幅值的平方，并除以N，作為序列x(n)真實功率譜的估計）。

3.2 Bartlett法的軟件實現(xiàn)

本文基于 TMS320VC5416平臺[4]，對 A/D采集的信號采用Bartlett法進(jìn)行功率譜估計，設(shè)定A/D采樣頻率為35.714 kHz，采樣量128 k，要求譜分辨率不低于40 Hz。為了滿足最低分辨率的要求，本文采用1024點FFT，分辨率約為35 Hz。按照前面Bartlett法所述，將128 k數(shù)據(jù)等長度分成128段，每段長度1 k。分別對每段數(shù)據(jù)利用TI DSPLIB提供的cbrev、rfft庫函數(shù)實現(xiàn)1024點FFT[4]，先用周期圖法計算每段的功率譜，然后再將總的功率譜密度加以平均，得到最終的功率譜估計。TMS320VC5416的數(shù)據(jù)空間大小為64 k。其中，存儲器映射寄存器占用了128 byte，系統(tǒng)堆棧需要約1 k byte，剩余的數(shù)據(jù)空間不足以存放128 k的數(shù)據(jù)量。因此，無法一次性采集所有數(shù)據(jù)后再進(jìn)行處理，只能采用采集與處理并行的方式進(jìn)行。在數(shù)據(jù)空間構(gòu)建一個乒乓數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)存循環(huán)利用實現(xiàn)了A/D數(shù)據(jù)的連續(xù)采集、實時處理。使用內(nèi)存分配如表1所示。

表1 內(nèi)存分配圖

在數(shù)據(jù)空間分配三段大小為1 k的空間。其中，數(shù)組Ping[1024]和Pang[1024]用于存放A/D采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為short型；數(shù)組powerSpecturm用于存放功率譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型為long型, 由于實數(shù)序列的傅里葉變換關(guān)于奈奎斯特點偶對稱，因此一半的頻譜已經(jīng)可以反映完整的頻譜信息。

本文A/D采集使用中斷的方式進(jìn)行，每開始計算一批新的數(shù)據(jù)的功率譜，需要先將數(shù)組powerSpecturm清零，然后打開A/D中斷，開始接收A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。將第一段1024個數(shù)據(jù)順序存入數(shù)組Ping[1024]，存滿后，即對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：FFT運算、利用周期圖法計算該段數(shù)據(jù)的功率譜、并將結(jié)果對應(yīng)累加于數(shù)組 powerSpecturm。在對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的同時，A/D采集依然在進(jìn)行，將后續(xù)采集的數(shù)據(jù)順序存入數(shù)組 Pang[1024]。在數(shù)組 Pang[1024]存滿之前，須保證對數(shù)組Ping[1024]的處理已經(jīng)完成。當(dāng)數(shù)組Pang[1024]存滿后，再對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將后續(xù)采集的數(shù)據(jù)存放于數(shù)組Ping[1024]。依此循環(huán)，待128批數(shù)據(jù)全部采集處理完后，關(guān)閉A/D中斷，將powerSpecturm除以 128（總段數(shù)）取平均值，得到最終的功率譜估計。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

采用上述方法，需要滿足一個條件，即在下一段數(shù)據(jù)采滿之前，對上一段數(shù)據(jù)的處理必須已經(jīng)完成，否則，有用數(shù)據(jù)將會被覆蓋，導(dǎo)致結(jié)果錯誤。利用TI DSPLIB提供的cbrev、rfft等庫函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5]，可以極大地縮短數(shù)據(jù)的處理時間，rfft庫函數(shù)對1024點數(shù)據(jù)做FFT的時間僅為25716個機器周期，DSP系統(tǒng)時鐘為160 M，經(jīng)運行測試，每段數(shù)據(jù)的處理時間不超過1μs，而采集1 k數(shù)據(jù)需要31.3 μs，因此，滿足要求。為了驗證該方法的正確性，利用信號源產(chǎn)生9.6 kHz的正弦信號進(jìn)行了驗證，在CCS開發(fā)環(huán)境下， A/D采集數(shù)據(jù)如圖4所示，功率譜如圖5所示。從圖5可以看出，峰值出現(xiàn)在第275根譜線處，該譜線對應(yīng)于9.6 kHz的正弦信號，說明該方法有效。

圖4 輸入波形

圖5 功率譜圖

4 結(jié)束語

本文基于 TMS320VC5416處理器，通過使用乒乓技術(shù)，利用3 k的數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)了128 k數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與功率譜估計。采用這種方法，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，在較低的數(shù)據(jù)配置下，實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的處理，對于類似需要大量片內(nèi)數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場合具有重要意義。采用此方法進(jìn)行的功率譜估計，能夠充分利用片內(nèi)的數(shù)據(jù)空間，滿足使用要求。以該方法實現(xiàn)的功率譜估計已經(jīng)應(yīng)用，經(jīng)過試驗，驗證了該方法的實用性，可以推廣應(yīng)用于類似的需要大量數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用場合。

[1]胡廣書. 數(shù)字信號處理[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社.1997.

[2]Texas Instruments. TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Date Manual[M]. 2003.

[3]周如輝. 實時視頻處理系統(tǒng)中乒乓緩存控制器的設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2006,33(4):66-68.

[4]合忠達(dá)電子公司. SEED-DEC5416用戶指南[M]. 2004.

[5]林靜然. 基于 TIDSP的通用算法實現(xiàn)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2008.