DSP和CPLD的空間瞬態光輻射信號實時探測研究
摘要：探測系統對輸入的空間瞬態光輻射信號進行實時識別處理，反演估算出空間瞬態信號能量大小并報告發生時刻。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，可實現對瞬態信號的實時識別和處理。其中用CPLD實現A/D變速率采樣，解決了嵌入式系統線路板面積有限與實時處理需要大容量存儲空間的矛盾。我國現役空間瞬態光輻射信號探測系統中，老型號較多，大部分沒有配備自動檢測和錄取設備。空間瞬態信號的錄取、數據的處理和上報大多由人工進行，難以勝任復雜環境下快速、準確錄取信號以及氣象情報入網的要求。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信號探測的自動錄取和分析能力。
在實時信號處理技術中，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ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｃ３２作為整個系統的主機，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，
可大大縮短研制時間，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路板面積有限與實時數據處理需要大量存儲空間的矛盾，實現實時處理信號。
如圖１所示，空間瞬態光輻射信號實時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，負責空間瞬態光輻射信號的光電轉換、背景扣除、動態范圍壓縮等任務；
（２）Ａ／Ｄ變速率采樣模塊，負責觸發信號產生、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；
（３）ＤＳＰ信號識別及存儲模塊，負責對空間瞬態信號進行快速識別處理，反演計算出能量大小，報告事件發生時刻并存儲和傳輸數據；同時控制整個系統、并與ＰＣ機或其它系統傳輸數據發送。
２ 前級預處理電路模塊
２．１光電轉換
由于空間瞬態光輻射信號速度快、動態范圍大，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、動態范圍大、時間響應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光輻射信號能量高幾個數量級。對于系統而言，由于太陽光的影響，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行扣除處理，提取出有用目標事件瞬態信號。
在信號自動處理和分析技術中，強背景下弱信號的提取是一個難點。本文根據背景信號變化緩慢而目標信號變化快速的特點，采用高通濾波器對信號進行背景扣除。
高通濾波器在技術實現上可以采用數字電路，也可以采用模擬電路。為簡化電路、減輕后續處理電路壓力，本文采用電容、電阻等構建一個模擬高通濾波器進行背景扣除，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、電容值即可實現對目標信號的背景扣除。
２．３ 動態范圍壓縮
空間瞬態光輻射信號的動態范圍太大，如果直接對其進行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、降低系統的實時性。因此采用對數放大器對信號的動態范圍進行對數壓縮。采用１２ｂｉｔ的Ａ／Ｄ轉換器即可滿足要求，且減少了處理的數據量，提高了系統實時性。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的輸入電壓動態范圍。
３ Ａ／Ｄ變速率采樣模塊
３．１ 值觸發
如圖３所示，經前級
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