基于ADSP 21160的Hammerhead-PCI在聲誘餌仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘  要： 為解決聲誘餌仿真系統(tǒng)中信號處理實(shí)時性的問題，引入Hammerhead-PCI板卡以提高信號處理速度。文章介紹了系統(tǒng)以及所用信號處理器的特點(diǎn)，著重描述了Hammerhead在系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及其效果。
關(guān)鍵詞： 聲誘餌仿真；數(shù)字信號處理器；SHARC；  Hammerhead-PCI
2002年5月B版

引言
聲誘餌仿真系統(tǒng)是為評估某型聲誘餌的性能(主要是聲學(xué)性能)而建立的一個DIS(Distributed Interactive Simulation，分布式交互仿真)系統(tǒng)。它包括導(dǎo)演臺、魚雷模擬器、海洋信道模擬器、潛艇/聲誘餌模擬器和終端演示等模塊，通過以太網(wǎng)相連而成，圖1是系統(tǒng)框圖。
它通過模擬潛戰(zhàn)中潛艇投放的聲誘餌與來襲魚雷進(jìn)行水聲對抗的過程，來評估聲誘餌對抗魚雷自導(dǎo)的有效性。由于系統(tǒng)側(cè)重于聲信息及其處理過程的模擬，因此信號處理在其中就占有相當(dāng)重要的位置。眾所周知的是，在水聲信號處理過程中，不僅需要處理的信號信息量很大，而且實(shí)時性要求也很高。因此，在仿真系統(tǒng)中，欲盡可能真實(shí)地再現(xiàn)潛戰(zhàn)的過程，單純利用軟件進(jìn)行信號處理顯然難以滿足實(shí)時性的要求。為了解決這個問題，從兩個方面考慮。一方面為提高傳輸實(shí)時性，系統(tǒng)中選用3Com公司的3C17702千兆以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建了系統(tǒng)的通信模塊硬件結(jié)構(gòu)；另一方面采用Bittware公司的Hammerhead PCI信號處理板(它以ADI的ADSP21160信號處理芯片作為CPU)，以提高系統(tǒng)中聲信息的處理速度。


圖1  聲誘餌仿真系統(tǒng)框圖

圖２  Hammerhead-PCI及其軟件

圖3  魚雷主動自導(dǎo)信號處理流程

圖4  基于FFT的信號卷積過程

圖5  基于FFT的信號相關(guān)過程
Hammerhead PCI及相關(guān)軟件簡介
Hammerhead-PCI是一種PCI接口的數(shù)字信號處理板卡。它由四塊ADSP-21160 SHARC處理器組成，其PCI接口速度可達(dá)66MHz。板卡可支持512MB的SDRAM，一個緩沖區(qū)以及兩個PMC槽，可用于處理器擴(kuò)展。
ADSP-21160 DSP工作在100MHz，它有2400MFLOPs的處理能力，與ADSP-2106x SHARC DSP兼容。它通過一50MHz，64位的總線訪問板子上的SDRAM，PCI總線接口，以及其他的SHARC DSP。2MB的FLASH RAM存有引導(dǎo)程序，ADSP-21160可以對其進(jìn)行讀、寫。而512MB的SDRAM作為ADSP-21160的擴(kuò)展存儲器。
Hammerhead PCI的程序開發(fā)相關(guān)軟件主要包括集成開發(fā)和調(diào)試工具VisualDSP及BittWare主機(jī)接口支持工具DSP21K-SF工具箱。圖2是它們之間的關(guān)系圖。

Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用
如“引言”中所述，系統(tǒng)選取Hammerhead PCI的目的是為了提高信號處理的速度，以滿足系統(tǒng)實(shí)時性的要求。由此并結(jié)合圖1所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為魚雷模擬器、海洋信道模擬器和潛艇/聲誘餌模擬器三個涉及到聲信息處理的節(jié)點(diǎn)配置了Hammerhead PCI信號處理板。下面以魚雷模擬器為例介紹Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用。

魚雷模擬器中主動信號處理流程
魚雷模擬器模擬了潛戰(zhàn)中魚雷攻擊敵潛艇的機(jī)動邏輯和魚雷自導(dǎo)尋的邏輯。其中魚雷自導(dǎo)尋的過程其實(shí)就是通過信號處理發(fā)現(xiàn)并控制魚雷跟蹤目標(biāo)的過程。信號處理包括被動信號處理和主動信號處理兩個過程：被動處理是指魚雷工作在被動自導(dǎo)階段時的處理過程，它主要是針對接收到的目標(biāo)輻射噪聲等信息通過能量積分的方法來得到目標(biāo)的方位、距離等參數(shù)；主動處理則是指魚雷工作在主動自導(dǎo)階段時的處理過程，主要是通過對接收到的目標(biāo)(對魚雷尋的信號的)回波信號經(jīng)一定的處理后和已知的先驗(yàn)相關(guān)樣本信號進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，由此得到有關(guān)目標(biāo)的具體信息。相比較而言，主動處理過程中要滿足實(shí)時性的要求就很有必要加入信號處理板，實(shí)際中即是這樣做的。圖3給出了主動信號處理的流程圖。

應(yīng)用分析
由上小節(jié)可見，需要運(yùn)用DSP信號處理板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程包括混頻、帶通濾波、低采樣和互相關(guān)等(生成相關(guān)樣本可以放在程序初始化過程中)，由于這些過程循環(huán)往復(fù)，并且頻率較高。
在每一個大的階段中，又都可以分為幾個小步驟。其中帶通濾波和互相關(guān)兩個過程包含了基于FFT的卷積和相關(guān)處理，而這兩個處理階段顯然占用最多的時間。具體應(yīng)用中，將一些基礎(chǔ)的運(yùn)算過程集中起來，作為運(yùn)算的基礎(chǔ)，放在一個名為“functions.h”的C頭文件中，而將反復(fù)調(diào)用的主過程作為生成DSP可執(zhí)行文件的C文件。
根據(jù)需求分析的結(jié)果，寫出算法的C程序并在PC機(jī)平臺上調(diào)試通過。然后將程序移植到DSP程序編輯環(huán)境，經(jīng)過和DSP的聯(lián)調(diào)正常后生成DSP可執(zhí)行文件。
在此過程中，一個需要特別注意的問題是DSP中地址分配必須清晰、合理。表1列出了魚雷自導(dǎo)模塊中有關(guān)DSP程序的變量地址分配。
其中SignalLen，SamplingRate，ResultLength，done等4個參數(shù)在聲明時都作為一維數(shù)組，是為了與后面的CorrelationData和data的聲明保持一致。
PC機(jī)和DSP的通信由HIL(Host Interface Library，主機(jī)接口庫)來完成。在這里，用到的HIL函數(shù)主要有DSP的打開、關(guān)閉、配置、程序下載、(待處理的)數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)(處理結(jié)果)上傳等。下面為Visual C++程序中有關(guān)HIL的一段：
void CTorpedoDoc::ActiveProcess(float* data, int SignalLen, float SamplingRate, float*
result, int ResultLength)
{
...
PDSP21K dsp = dsp21k_open_by_id(0, 1);//打開DSP
dsp21k_reset_bd(dsp);//復(fù)位DSP
dsp21k_cfg_proc(dsp);//配置DSP
dsp21k_dl_exe(dsp, "ActiveProcess.dxe");//將可執(zhí)行文件下載到DSP上
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//此處為回波接收線程
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800020, SignalLen);//將信號長度數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800021, SamplingRate);//將采樣率數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x800100, 256,CorrelationData);//將相關(guān)樣本信號數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x801000, SignalLen, data);//將回波信號數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_start(dsp);//啟動ActiveProcess.dxe
while(dsp21k_ul_int(dsp, 0x800023) != 1);//等待ActiveProcess.dxe執(zhí)行完畢
//ActiveProcess.dxe執(zhí)行完繼續(xù)
ResultLength = dsp21k_ul_int(dsp, 0x800022);//上傳處理結(jié)果數(shù)據(jù)長度
dsp21k_ul_flts(dsp, 0x801000, ResultLength, result);//上傳處理結(jié)果給result指針
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//轉(zhuǎn)去相關(guān)處理
}

Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用效果
在整個信號處理的程序中，用到最多的而且也是最占用處理時間的過程有信號的卷積和信號的互相關(guān)。其中在海洋聲信道的處理過程中，大量用到了卷積積分運(yùn)算；在魚雷自導(dǎo)的信號處理過程中，則更多地使用相關(guān)運(yùn)算。兩者都采用了基于FFT(Fast Fourier Transform，快速Fourier變換)的算法，即利用FFT的性質(zhì)，進(jìn)行時域 - 頻域 - 時域的變換，以減小運(yùn)算中乘法次數(shù)。運(yùn)算過程分別如圖4、5：
圖4中，f(k)為輸入海洋聲信道的采樣信號序列，h(k)為海洋聲信道的沖激響應(yīng)函數(shù)的采樣序列。
圖5中，f(k)為回波信號的采樣序列，即3.3小節(jié)程序中data指針；g(k)為相關(guān)樣本序列，即其中的CorrelationData指針。G*(ejω)為FFT(g(k))的共扼。R(f(k), g(k))表示f(k)和g(k)的互相關(guān)。
為測試DSP信號處理的效果，另外編制了程序“Sharc.dsw”。程序針對同樣的信號相關(guān)處理過程，分別在單獨(dú)利用Visual C++編程和通過DSP處理的條件下記錄重復(fù)執(zhí)行100次所耗時間，共測試8次，結(jié)果如表2。其中DSP處理時間不包括可執(zhí)行程序下載及前面的DSP初始化工作。
由上表可見，使用DSP處理的平均時間僅為不使用時的10%弱，大大提高了信號處理的速度。信號卷積的結(jié)果與此類似。需要指出的是，上表中的時間并不是全部用來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的，還包括循環(huán)所占用的時間。因此，實(shí)際的處理時間還要更短些。

結(jié)語
綜上所述，由于采用了基于ADSP21160的數(shù)字信號處理板Hammerhead-PCI，使得信號處理速度得到提高，從而系統(tǒng)的運(yùn)行效率也相應(yīng)得到了很大提高；加上所選高效通信硬件，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時仿真的目的。本文所描述的系統(tǒng)目前已經(jīng)完成，運(yùn)行良好?！?

參考文獻(xiàn)
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