水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)
摘要:針對(duì)水下目標(biāo)的主被動(dòng)定位功能需求和具體的技術(shù)指標(biāo)要求,結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的各自優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了基于DSP及FPGA的數(shù)字信號(hào)處理模塊,以此處理模塊為硬件平臺(tái),編程實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的時(shí)延估計(jì)應(yīng)用程序,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí)延估計(jì)精度高,滿足了目標(biāo)定位的要求。
關(guān)鍵詞:數(shù)字信號(hào)處理器(DSP);現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA);時(shí)延估計(jì);目標(biāo)定位
隨著水下武器和水下航行器等水下目標(biāo)的快速發(fā)展,對(duì)其進(jìn)行定位和跟蹤從而檢驗(yàn)其性能的試驗(yàn)具有非常重要的意義,這也是水下目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)的重要工作內(nèi)容。水下試驗(yàn)場(chǎng)的定位系統(tǒng)根據(jù)被測(cè)目標(biāo)是否加裝合作聲信標(biāo),可以分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。主動(dòng)定位方式需要在水下目標(biāo)上加裝聲信標(biāo),定位系統(tǒng)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的同步時(shí)序控制下,通過接收及處理水下目標(biāo)聲信標(biāo)發(fā)射的已知脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位及跟蹤;被動(dòng)方式則僅通過接收及處理水下目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲,實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的定位及跟蹤。對(duì)于水下目標(biāo)定位系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊而言,兩種定位方式的差異在于因系統(tǒng)的接收信號(hào)頻率及信號(hào)體制不同而導(dǎo)致的系統(tǒng)硬件規(guī)模和處理性能不同。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
對(duì)于主動(dòng)定位系統(tǒng).水下目標(biāo)的合作聲信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)頻率可達(dá)100kHz,因此為了滿足工程應(yīng)用所需的測(cè)量精度,信號(hào)處理模塊的采樣頻率應(yīng)不小于500 kHz。但是由于主動(dòng)定位系統(tǒng)是在統(tǒng)一的同步時(shí)序下工作的,因此每個(gè)處理模塊只要獲得接收信號(hào)相對(duì)同步信號(hào)的時(shí)延即可,也就是說,每個(gè)處理模塊只需進(jìn)行一路接收信號(hào)與不同發(fā)射信號(hào)的時(shí)延估計(jì)。
而對(duì)于被動(dòng)定位系統(tǒng),目標(biāo)輻射噪聲的頻率范圍主要位于100 Hz~2kHz,因此信號(hào)處理模塊的采樣頻率不小于10 kHz就可以滿足要求。但是由于被動(dòng)定位系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的同步時(shí)序,因此只能通過估計(jì)不同接收信號(hào)的相對(duì)時(shí)延來進(jìn)行目標(biāo)的方位估計(jì),也就是說,每個(gè)處理模塊所需進(jìn)行處理的接收信號(hào)不小于2個(gè)通道。
深入分析主/被動(dòng)定位方法的信號(hào)體制及相應(yīng)的處理方法可知,主動(dòng)定位系統(tǒng)所需的信號(hào)處理模塊的硬件規(guī)模和性能要求較高,因此信號(hào)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)以主動(dòng)定位系統(tǒng)的性能指標(biāo)為主、兼顧被動(dòng)定位系統(tǒng)的指標(biāo)要求。
1.1 模塊的硬件功能及組成
本文設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理模塊的主要技術(shù)指標(biāo)包括:
1)輸入模擬信號(hào):通道數(shù)為3路,信號(hào)幅度為-10~10 V,頻率為100Hz~30kHz;
2)通訊接口:RS422口及RS232接口各1個(gè),自定義的通用IO口16位;
3)輸出模擬信號(hào):通道數(shù)為2路,信號(hào)幅度為-10~10 V;
4)LCD顯示屏:彩色觸摸屏;
5)運(yùn)算能力:實(shí)時(shí)進(jìn)行水下目標(biāo)定位。
根據(jù)水下定位系統(tǒng)的功能需求和上述的指標(biāo)要求,采用基于DSP+FPGA的硬件架構(gòu)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì),如圖1所示。其中FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制、各種接口轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)預(yù)處理(如FIR濾波、FFT運(yùn)算),而DSP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的副本相關(guān)或互相關(guān)、包絡(luò)檢波等信號(hào)處理任務(wù);這樣既充分利用了FPGA的高度并行性和實(shí)時(shí)性,又充分使用了DSP的信號(hào)處理能力,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)、運(yùn)算能力強(qiáng)度,具有較好的工程應(yīng)用參考價(jià)值。
1.2 硬件系統(tǒng)的主要器件選型
1.2.1 信號(hào)處理器
數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing,DSP)的主要任務(wù)是完成水下目標(biāo)的方位估計(jì)。因此選擇DSP時(shí)首先考慮它的運(yùn)算能力,在滿足運(yùn)算速度要求的前提下,要求DSP的功耗小、外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,軟件開發(fā)容易。目前可供選擇的DSP很多,包括TI公司的C2000系列、C5000系列、C6000系列,AD公司的BlackFin系列、SHARC系列、TigerSHARC系列等等,每款DSP都有其不同的特點(diǎn)。
針對(duì)本文設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng),綜合考慮各因素,選用TI公司的TMS320VC5509A作為系統(tǒng)的DSP。TMS320VC5509A是一款16位定點(diǎn)DSP,其片內(nèi)的128 Kx16 bit SRAM空間可滿足算法的存儲(chǔ)空間需求;內(nèi)核200MHz的時(shí)鐘頻率可滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求;4個(gè)外部存儲(chǔ)器片選信號(hào)便于通過FPGA,實(shí)現(xiàn)DSP與其他在板外設(shè)的數(shù)據(jù)交流和通信;5個(gè)外部中斷輸入可滿足外部設(shè)備對(duì)DSP的突發(fā)請(qǐng)求。
1.2.2 FPGA
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)序控制,并完成外部設(shè)備與DSP的接口轉(zhuǎn)換,同時(shí)為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)預(yù)處理,因此本文的FPGA選擇主要考慮FPGA的片內(nèi)存儲(chǔ)器容量、乘法器數(shù)量、宏單元數(shù)量、性價(jià)比及開發(fā)的方便性等。目前可供選用的FPGA很多,根據(jù)定位系統(tǒng)的具體需求和研發(fā)人員的開發(fā)經(jīng)驗(yàn),選用Altera公司的EP2C35F484作為系統(tǒng)的FPGA,用于實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能。EP2C35F484內(nèi)部具有33216個(gè)邏輯單元(LEs),能夠滿足系統(tǒng)的各種時(shí)序控制;483 840 bits的RAM容量可以為DSP提供足夠大的輸入輸出緩存,配合35個(gè)的乘法器,可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)預(yù)處理;4個(gè)PLL可以很方便地為系統(tǒng)產(chǎn)生不同的時(shí)鐘信號(hào)或時(shí)序;322個(gè)用戶I/O引腳數(shù)配合豐富的Les便于實(shí)現(xiàn)各種輸入輸出接口轉(zhuǎn)換。
評(píng)論