基于DSP的水下目標(biāo)檢測與參數(shù)估計(jì)應(yīng)用

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測、估計(jì)、跟蹤是雷達(dá)與聲納應(yīng)用的最終目的,其任務(wù)是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行一定的處理、提取特征、分析識(shí)別,以檢測目標(biāo)的存在與否,進(jìn)而通過對(duì)信號(hào)的處理與運(yùn)算估計(jì)出目標(biāo)的方位、距離與速度,實(shí)現(xiàn)定位和跟蹤。對(duì)于水下目標(biāo)的檢測與參量估計(jì)有兩種方式：一是對(duì)海洋聲場進(jìn)行監(jiān)測,從接收信號(hào)中提取目標(biāo)輻射噪聲并進(jìn)行識(shí)別與參量估計(jì)（即被動(dòng)方式）;二是由聲納系統(tǒng)發(fā)射給定的序列信號(hào)（常用的有CW信號(hào)和FM信號(hào)等）,并對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行檢測與參量估計(jì)。由于海洋聲場極其復(fù)雜多變,受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節(jié)、氣候、風(fēng)浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響,使水聲信道相當(dāng)復(fù)雜,接收信號(hào)通常會(huì)畸變,并淹沒在噪聲之中。對(duì)水下目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確、精確地檢測與參量估計(jì)是聲納系統(tǒng)不斷追求的目標(biāo)。充分利用高性能的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）器件及技術(shù)來實(shí)現(xiàn)具有良好特性的算法,將會(huì)顯著提高檢測目標(biāo)的概率和參量估計(jì)的精度,從而推動(dòng)聲納的發(fā)展與應(yīng)用。
近二十年來,相繼出現(xiàn)了許多重要的目標(biāo)檢測及參數(shù)估計(jì)算法,如分裂波束精確測向算法[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6]等DOA估計(jì)方法,以及LMS算法[7]等自適應(yīng)信號(hào)處理方法。這些算法的實(shí)現(xiàn),大多需要通過一些通用的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及矩陣運(yùn)算,并采用如FFT、IFFT等快速算法,而這些運(yùn)算均可方便地利用TMC2310器件來實(shí)現(xiàn)。本文將對(duì)TMC2310芯片應(yīng)用于水下目標(biāo)的檢測與估計(jì)進(jìn)行介紹。
１ TMC2310簡介
TMC2310是美TRW公司生產(chǎn)的高速度（實(shí)現(xiàn)一次基二蝶形運(yùn)算僅需100ns）、多功能（共有16種運(yùn)算功能）、可編程的專用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）器件,其使用靈活、操作方便、性價(jià)比高,可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、通訊及虛擬儀器等領(lǐng)域。
１．１ 主要特點(diǎn)
可自動(dòng)或手動(dòng)地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)塊的溢出調(diào)整
具有流水線及管道操作兩種尋址方式
用戶可編程窗函數(shù)功能
具有片內(nèi)系數(shù)存儲(chǔ)器
具有兩個(gè)算術(shù)運(yùn)算單元
19bit的運(yùn)算精度及輸出位寬
１．２ 主要功能
可快速完成不加窗及加窗（實(shí)數(shù)窗或復(fù)數(shù)窗）的FFT及IFFT算法
可同時(shí)構(gòu)成兩路并行的FIE濾波器（16～1024階）
可構(gòu)成自適應(yīng)FIR濾波器
可進(jìn)行實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)的乘及乘加運(yùn)算
可進(jìn)行復(fù)數(shù)求模及陣列矢量的平方運(yùn)算
１．３ 結(jié)構(gòu)與管腳
TMC2310由兩個(gè)算術(shù)單元（AE0、AE1）、片內(nèi)系數(shù)ROM、控制邏輯單元和外部接口電路五個(gè)主要部分構(gòu)成,其邏輯框圖見圖１。每個(gè)算術(shù)單元包括一個(gè)乘法序列電路和乘—加算術(shù)邏輯電路塊。該芯片采用了88引腳的PGA封裝形式。

管腳定義如下：
VDD?VSS 電源輸入引腳,采用單一＋5V供電
CLK 系統(tǒng)時(shí)鐘輸入引腳
讀信號(hào),低電平有效
寫信號(hào),低電平有效
SEMSEL 外部存儲(chǔ)器選擇信號(hào)輸出引腳
SCEN 定標(biāo)輸出允許引腳
DONE 系統(tǒng)工作結(jié)束標(biāo)志輸出引腳
CMD0～CMD1 控制命令輸入引腳
W0～W16 雙功能數(shù)據(jù)總線,用于輸入窗函數(shù)、 濾波器系數(shù)及輸出定標(biāo)器的移位指數(shù)和最后一次溢出
AD0～AD9 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址總線
RG0～RG18 實(shí)部雙向數(shù)據(jù)總線
IM0～I(xiàn)M18 虛部雙向數(shù)據(jù)總線
１．４ 配制寄存器
TMC2310片內(nèi)有兩個(gè)16bit的配制寄存器（CR1、CR2）,用來對(duì)TMC2310進(jìn)行編程設(shè)置,其主要用途如下：
CR1 用來設(shè)定芯片的處理功能、轉(zhuǎn)換長度、輸出格式及定標(biāo)方式;
CR2 主要用來設(shè)定尋址方式和變換路數(shù)（1～64路）。
２ 電路設(shè)計(jì)
由于TMC2310是可編程的專用DSP器件,我們用一片TMS320C25 DSP器件與之配合,采用主從結(jié)構(gòu)、并行處理方式,加上外圍共享存儲(chǔ)器陣列對(duì)等組成處理模塊。TMS320C25除對(duì)TMC2310進(jìn)行編程及控制外,還以并行運(yùn)算處理的方式完成一些后續(xù)處理及輔助運(yùn)算（如數(shù)據(jù)抽取、積分等）。整個(gè)電路系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),便于調(diào)試及擴(kuò)展。信號(hào)處理模塊原理框圖如圖2所示。

在圖2中,TMC2310和TMS320C25之間設(shè)計(jì)了一個(gè)以乒乓方式工作的雙口RAM陣列,其作用有四：（１）存放待處理的數(shù)據(jù)（實(shí)部數(shù)據(jù)放在REM塊,虛部數(shù)據(jù)放在IMM塊）;（２）存放TMC2310所需的系數(shù)或參數(shù)（放在WDM塊）;（３）存放TMC2310的輸出結(jié)果并作為TMC2310中間結(jié)果緩存;（４）構(gòu)成TMS320C25的運(yùn)算內(nèi)存。為了便于構(gòu)成系統(tǒng)及滿足實(shí)時(shí)需要,用一片IDT7025雙口RAM（8K×16）構(gòu)成一個(gè)TMS320C25與外部共享的ＲＡＭ區(qū),以便實(shí)時(shí)地與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通訊。這個(gè)雙口ＲＡＭ區(qū)也以乒乓方式工作,以增強(qiáng)模塊的寬容性。
電路的乒乓工作方式控制邏輯是由TMS320C25根據(jù)系統(tǒng)的節(jié)拍時(shí)序進(jìn)行控制的。控制電路確保CAA12與CAB12互斥,CAL12與CAR12互斥。整個(gè)電路簡單、緊湊、協(xié)調(diào)有序。由于采用了VLSI器件設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)大大簡化,調(diào)試方便、功能強(qiáng)大、性能可靠、吞吐量大（完成1024點(diǎn)FFT的數(shù)據(jù)通過率為2.343M字／秒）。
３ 軟件設(shè)計(jì)
TMS320C25的主要任務(wù)有：（１）根據(jù)功能需要對(duì)TMC2310進(jìn)行編程設(shè)置及控制管理;（２）與TMC2310進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;（３）完成部分處理運(yùn)算（如：抽樣、積分、數(shù)值及參量計(jì)算等）;（４）與系統(tǒng)進(jìn)行通訊（如數(shù)據(jù)輸入輸出及功能、方式的設(shè)立等）。我們將這些內(nèi)容分成不同的子程序按模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),既便于調(diào)試又易于功能擴(kuò)展。
軟件主要由一個(gè)主程序與若干個(gè)子程序模塊組成。主要的模塊有：TMC2310的設(shè)置與控制;與外部的通訊;數(shù)據(jù)的輸出、數(shù)據(jù)加載、系數(shù)加載及十幾個(gè)運(yùn)算子模塊。由于篇幅有限,以下僅給出主程序流程框圖（見圖3）。

將TMC2310應(yīng)用于水下目標(biāo)的檢測與估計(jì),具有速度快、功能強(qiáng)、可編程、易操作等特點(diǎn)。我們用其開發(fā)研制的信號(hào)處理模塊,體積小、易擴(kuò)展。組成的系統(tǒng)能在飛機(jī)、艦船等環(huán)境下可靠工作。幾年來,經(jīng)水池、湖及海上的多次試驗(yàn)和試用,證明其設(shè)計(jì)合理、應(yīng)用成功,已投入小批量生產(chǎn)。此外還可用于雷達(dá)、通訊及虛擬儀器等許多領(lǐng)域,具有很好的應(yīng)用前景。