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對目標進行檢測、估計、跟蹤是雷達與聲納應用的最終目的,其任務是對接收信號進行一定的處理、提取特征、分析識別,以檢測目標的存在與否,進而通過對信號的處理與運算估計出目標的方位、距離與速度,實現定位和跟蹤.對于水下目標的檢測與參量估計有兩種方式:一是對海洋聲場進行監測,從接收信號中提取目標輻射噪聲并進行識別與參量估計(即被動方式);二是由聲納系統發射給定的序列信號(常用的有CW信號和FM信號等),并對接收的回波信號進行檢測與參量估計.由于海洋聲場極其復雜多變,受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節、氣候、風浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響,使水聲信道相當復雜,接收信號通常會畸變,并淹沒在噪聲之中.對水下目標實現實時、快速、準確、精確地檢測與參量估計是聲納系統不斷追求的目標.充分利用高性能的數字信號處理(DSP)器件及技術來實現具有良好特性的算法,將會顯著提高檢測目標的概率和參量估計的精度,從而推動聲納的發展與應用. 近二十年來,相繼出現了許多重要的目標檢測及參數估計算法,如分裂波束精確測向算法、ARMA法、MUSIC法和ESPRIT法等DOA估計方法,以及LMS算法等自適應信號處理方法.這些算法的實現,大多需要通過一些通用的數學運算以及矩陣運算,并采用如FFT、IFFT等快速算法,而這些運算均可方便地利用TMC2310器件來實現.本文將對TMC2310芯片應用于水下目標的檢測與估計進行介紹. 1 TMC2310簡介 TMC2310是美TRW公司生產的高速度(實現一次基二蝶形運算僅需100ns)、多功能(共有16種運算功能)、可編程的專用數字信號處理(DSP)器件,其使用靈活、操作方便、性價比高,可廣泛應用于雷達、聲納、通訊及虛擬儀器等領域. 1.1 主要特點 ·可自動或手動地實現浮點塊的溢出調整 ·具有流水線及管道操作兩種尋址方式 ·用戶可編程窗函數功能 ·具有片內系數存儲器 ·具有兩個算術運算單元 ·19bit的運算精度及輸出位寬 1.2 主要功能 ·可快速完成不加窗及加窗(實數窗或復數窗)的FFT及IFFT算法 ·可同時構成兩路并行的FIE濾波器(16～1024階) ·可構成自適應FIR濾波器 ·可進行實數、復數的乘及乘加運算 ·可進行復數求模及陣列矢量的平方運算 1.3 結構與管腳 TMC2310由兩個算術單元(AE0、AE1)、片內系數ROM、控制邏輯單元和外部接口電路五個主要部分構成,其邏輯框圖見圖1.每個算術單元包括一個乘法序列電路和乘—加算術邏輯電路塊.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系統時鐘輸入引腳 讀信號,低電平有效 寫信號,低電平有效 SEMSEL 外部存儲器選擇信號輸出引腳 SCEN 定標輸出允許引腳 DONE 系統工作結束標志輸出引腳 CMD0～CMD1 控制命令輸入引腳 W0～W16雙功能數據總線,用于輸入窗函數、 濾波器系數及輸出定標器的移位指數和最后一次溢出 AD0～AD9 外部數據存儲器地址總線 RG0～RG18 實部雙向數據總線 IM0～IM18 虛部雙向數據總線 1.4 配制寄存器 TMC2310片內有兩個16bit的配制寄存器(CR1、CR2),用來對TMC2310進行編程設置,其主要用途如下: CR1 用來設定芯片的處理功能、轉換長度、輸出格式及定標方式; CR2 主要用來設定尋址方式和變換路數(1～64路). 2 電路設計 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,采用主從結構、并行處理方式,加上外圍共享存儲器陣列對等組成處理模塊.TMS320C25除對TMC2310進行編程及控制外,還以并行運算處理的方式完成一些后續處理及輔助運算(如數據抽取、積分等).整個電路系統采用模塊化設計,便于調試及擴展.信號處理模塊原理框圖如圖2所示. 在圖2中,TMC2310和TMS320C25之間設計了一個以乒乓方式工作的雙口RAM陣列,其作用有四:(1)存放待處理的數據(實部數據放在REM塊,虛部數據放在IMM塊);(2)存放TMC2310所需的系數或參數(放在WDM塊);(3)存放TMC2310的輸出結果并作為TMC2310中間結果緩存;(4)構成TMS320C25的運算內存.為了便于構成系統及滿足實時需要,用一片IDT7025雙口RAM(8K×16)構成一個TMS320C25與外部共享的RAM區,以便實時地與外部進行數據交換和通訊.這個雙口RAM區也以乒乓方式工作,以增強模塊的寬容性. 電路的乒乓工作方式控制邏輯是由TMS320C25根據系統的節拍時序進行控制的.控制電路確保CAA12與CAB12互斥,CAL12與CAR12互斥.整個電路簡單、緊湊、協調有序.由于采用了VLSI器件設計,電路設計大大簡化,調試方便、功能強大、性能可靠、吞吐量大(完成1024點FFT的數據通過率為2.343M字/秒). 3 軟件設計 TMS320C25的主要任務有:(1)根據功能需要對TMC2310進行編程設置及控制管理;(2)與TMC2310進行數據交換;(3)完成部分處理運算(如:抽樣、積分、數值及參量計算等);(4)與系統進行通訊(如數據輸入輸出及功能、方式的設立等).我們將這些內容分成不同的子程序按模塊進行設計,既便于調試又易于功能擴展. 軟件主要由一個主程序與若干個子程序模塊組成.主要的模塊有:TMC2310的設置與控制;與外部的通訊;數據的輸出、數據加載、系數加載及十幾個運算子模塊.由于篇幅有限,以下僅給出主程序流程框圖(見圖3). 將TMC2310應用于水下目標的檢測與估計,具有速度快、功能強、可編程、易操作等特點.我們用其開發研制的信號處理模塊,體積小、易擴展.組成的系統能在飛機、艦船等環境下可靠工作.幾年來,經水池、湖及海上的多次試驗和試用,證明其設計合理、應用成功,已投入小批量生產.此外還可用于雷達、通訊及虛擬儀器等許多領域,具有很好的應用前景. |
