水下目標定位系統(tǒng)的信號處理模塊設(shè)計

摘要：針對水下目標的主被動定位功能需求和具體的技術(shù)指標要求，結(jié)合數(shù)字信號處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的各自優(yōu)勢，設(shè)計了基于DSP及FPGA的數(shù)字信號處理模塊，以此處理模塊為硬件平臺，編程實現(xiàn)了相應(yīng)的時延估計應(yīng)用程序，并進行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明此信號處理系統(tǒng)時延估計精度高，滿足了目標定位的要求。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器(DSP)；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)；時延估計；目標定位

隨著水下武器和水下航行器等水下目標的快速發(fā)展，對其進行定位和跟蹤從而檢驗其性能的試驗具有非常重要的意義，這也是水下目標試驗場的重要工作內(nèi)容。水下試驗場的定位系統(tǒng)根據(jù)被測目標是否加裝合作聲信標，可以分為主動和被動兩種方式。主動定位方式需要在水下目標上加裝聲信標，定位系統(tǒng)整個試驗系統(tǒng)的同步時序控制下，通過接收及處理水下目標聲信標發(fā)射的已知脈沖信號來實現(xiàn)目標的定位及跟蹤；被動方式則僅通過接收及處理水下目標運動產(chǎn)生的輻射噪聲，實現(xiàn)水下目標的定位及跟蹤。對于水下目標定位系統(tǒng)的信號處理模塊而言，兩種定位方式的差異在于因系統(tǒng)的接收信號頻率及信號體制不同而導(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
對于主動定位系統(tǒng)．水下目標的合作聲信標發(fā)射的信號頻率可達100kHz，因此為了滿足工程應(yīng)用所需的測量精度，信號處理模塊的采樣頻率應(yīng)不小于500 kHz。但是由于主動定位系統(tǒng)是在統(tǒng)一的同步時序下工作的，因此每個處理模塊只要獲得接收信號相對同步信號的時延即可，也就是說，每個處理模塊只需進行一路接收信號與不同發(fā)射信號的時延估計。
而對于被動定位系統(tǒng)，目標輻射噪聲的頻率范圍主要位于100 Hz～2kHz，因此信號處理模塊的采樣頻率不小于10 kHz就可以滿足要求。但是由于被動定位系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的同步時序，因此只能通過估計不同接收信號的相對時延來進行目標的方位估計，也就是說，每個處理模塊所需進行處理的接收信號不小于2個通道。
深入分析主／被動定位方法的信號體制及相應(yīng)的處理方法可知，主動定位系統(tǒng)所需的信號處理模塊的硬件規(guī)模和性能要求較高，因此信號處理模塊的硬件設(shè)計以主動定位系統(tǒng)的性能指標為主、兼顧被動定位系統(tǒng)的指標要求。
1．1 模塊的硬件功能及組成
本文設(shè)計的數(shù)字信號處理模塊的主要技術(shù)指標包括：
1)輸入模擬信號：通道數(shù)為3路，信號幅度為-10～10 V，頻率為100Hz～30kHz；
2)通訊接口：RS422口及RS232接口各1個，自定義的通用IO口16位；
3)輸出模擬信號：通道數(shù)為2路，信號幅度為-10～10 V；
4)LCD顯示屏：彩色觸摸屏；
5)運算能力：實時進行水下目標定位。
根據(jù)水下定位系統(tǒng)的功能需求和上述的指標要求，采用基于DSP+FPGA的硬件架構(gòu)進行數(shù)字信號處理模塊的設(shè)計，如圖1所示。其中FPGA實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制、各種接口轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號預(yù)處理(如FIR濾波、FFT運算)，而DSP實現(xiàn)系統(tǒng)的副本相關(guān)或互相關(guān)、包絡(luò)檢波等信號處理任務(wù)；這樣既充分利用了FPGA的高度并行性和實時性，又充分使用了DSP的信號處理能力，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、通用性強、運算能力強度，具有較好的工程應(yīng)用參考價值。

1．2 硬件系統(tǒng)的主要器件選型
1．2．1 信號處理器
數(shù)字信號處理(Digital Signal Processing，DSP)的主要任務(wù)是完成水下目標的方位估計。因此選擇DSP時首先考慮它的運算能力，在滿足運算速度要求的前提下，要求DSP的功耗小、外圍電路設(shè)計簡單，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。
針對本文設(shè)計的定位系統(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DSP，其片內(nèi)的128 Kx16 bit SRAM空間可滿足算法的存儲空間需求；內(nèi)核200MHz的時鐘頻率可滿足系統(tǒng)的實時性要求；4個外部存儲器片選信號便于通過FPGA，實現(xiàn)DSP與其他在板外設(shè)的數(shù)據(jù)交流和通信；5個外部中斷輸入可滿足外部設(shè)備對DSP的突發(fā)請求。
1．2．2 FPGA
現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的功能是實現(xiàn)系統(tǒng)的時序控制，并完成外部設(shè)備與DSP的接口轉(zhuǎn)換，同時為了提高系統(tǒng)的實時性，實現(xiàn)定位系統(tǒng)的數(shù)字信號預(yù)處理，因此本文的FPGA選擇主要考慮FPGA的片內(nèi)存儲器容量、乘法器數(shù)量、宏單元數(shù)量、性價比及開發(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，選用Altera公司的EP2C35F484作為系統(tǒng)的FPGA，用于實現(xiàn)其相應(yīng)的功能。EP2C35F484內(nèi)部具有33216個邏輯單元(LEs)，能夠滿足系統(tǒng)的各種時序控制；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個的乘法器，可以方便地實現(xiàn)數(shù)字信號預(yù)處理；4個PLL可以很方便地為系統(tǒng)產(chǎn)生不同的時鐘信號或時序；322個用戶I／O引腳數(shù)配合豐富的Les便于實現(xiàn)各種輸入輸出接口轉(zhuǎn)換。