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DSP和CPLD的空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測研究
摘要：探測系統(tǒng)對輸入的空間瞬態(tài)光輻射信號進(jìn)行實(shí)時識別處理，反演估算出空間瞬態(tài)信號能量大小并報告發(fā)生時刻。采用DSP CPLD的數(shù)字處理方案，利用DSP的高速數(shù)字信號處理特性及COLD的復(fù)雜邏輯可編程特性，可實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)信號的實(shí)時識別和處理。其中用CPLD實(shí)現(xiàn)A/D變速率采樣，解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時處理需要大容量存儲空間的矛盾。我國現(xiàn)役空間瞬態(tài)光輻射信號探測系統(tǒng)中，老型號較多，大部分沒有配備自動檢測和錄取設(shè)備。空間瞬態(tài)信號的錄取、數(shù)據(jù)的處理和上報大多由人工進(jìn)行，難以勝任復(fù)雜環(huán)境下快速、準(zhǔn)確錄取信號以及氣象情報入網(wǎng)的要求。為適應(yīng)現(xiàn)代化氣象分析的要求，采用ＤＳＰ＋ＣＰＬＤ的方式將極大地提高現(xiàn)有空間瞬態(tài)信號探測的自動錄取和分析能力。
在實(shí)時信號處理技術(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(shù)字微處理器。與單片機(jī)相比，ＤＳＰ芯片具有更適于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)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作為整個系統(tǒng)的主機(jī)，利用其完成系統(tǒng)的控制和數(shù)字信號處理功能。
ＣＰＬＤ是一種多用途、高密度的復(fù)雜可編程邏輯器件，可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一塊芯片上，并且具有設(shè)計方便靈活、易于修改等特點(diǎn)，
可大大縮短研制時間，并減小系統(tǒng)硬件復(fù)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(xiàn)Ａ／Ｄ變速率采樣及其它邏輯控制。
１ 系統(tǒng)組成及基本原理
本探測系統(tǒng)主要解決了嵌入式系統(tǒng)線路板面積有限與實(shí)時數(shù)據(jù)處理需要大量存儲空間的矛盾，實(shí)現(xiàn)實(shí)時處理信號。
如圖１所示，空間瞬態(tài)光輻射信號實(shí)時探測系統(tǒng)主要由三大模塊組成：前級預(yù)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(yù)處理電路模塊，負(fù)責(zé)空間瞬態(tài)光輻射信號的光電轉(zhuǎn)換、背景扣除、動態(tài)范圍壓縮等任務(wù)；
（２）Ａ／Ｄ變速率采樣模塊，負(fù)責(zé)觸發(fā)信號產(chǎn)生、上升速率初判、信號采集時序控制、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(fù)責(zé)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)生時刻并存儲和傳輸數(shù)據(jù)；同時控制整個系統(tǒng)、并與ＰＣ機(jī)或其它系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送。
２ 前級預(yù)處理電路模塊
２．１光電轉(zhuǎn)換
由于空間瞬態(tài)光輻射信號速度快、動態(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、動態(tài)范圍大、時間響應(yīng)快和覆蓋范圍大等特性。
２．２ 背景扣除
太陽光輻射能量比空間瞬態(tài)光輻射信號能量高幾個數(shù)量級。對于系統(tǒng)而言，由于太陽光的影響，目標(biāo)信號十分微弱，大多掩埋在強(qiáng)噪聲之中。因此必須對強(qiáng)背景信號進(jìn)行扣除處理，提取出有用目標(biāo)事件瞬態(tài)信號。
在信號自動處理和分析技術(shù)中，強(qiáng)背景下弱信號的提取是一個難點(diǎn)。本文根據(jù)背景信號變化緩慢而目標(biāo)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(xiàn)上可以采用數(shù)字電路，也可以采用模擬電路。為簡化電路、減輕后續(xù)處理電路壓力，本文采用電容、電阻等構(gòu)建一個模擬高通濾波器進(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(shù)為：
Ｈ（ｓ）＝R/[(1/sC) R]＝sRC/(1 sRC)
選擇適當(dāng)電阻、電容值即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的背景扣除。
２．３ 動態(tài)范圍壓縮
空間瞬態(tài)光輻射信號的動態(tài)范圍太大，如果直接對其進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，則Ａ／Ｄ的量化分辨率至少要１５ｂｉｔ，并且因ｂｉｔ數(shù)多而增加后級數(shù)字信號處理的數(shù)據(jù)量、降低系統(tǒng)的實(shí)時性。因此采用對數(shù)放大器對信號的動態(tài)范圍進(jìn)行對數(shù)壓縮。采用１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，且減少了處理的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)實(shí)時性。本文采用美國ＴＩ公司的ＴＬ４４１Ｍ對數(shù)放大器。它是由四級３０ｄＢ對數(shù)放大器級聯(lián)成的單片高性能對數(shù)放大器芯片，可以得到１２０ｄＢ的輸入電壓動態(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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