基于DSP的水下目標檢測與參數估計應用

對目標進(jìn)行檢測、估計、跟蹤是雷達與聲納應用的最終目的,其任務(wù)是對接收信號進(jìn)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(jìn)而通過(guò)對信號的處理與運算估計出目標的方位、距離與速度,實(shí)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(chǎng)進(jìn)行監測,從接收信號中提取目標輻射噪聲并進(jìn)行識別與參量估計（即被動(dòng)方式）;二是由聲納系統發(fā)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(jìn)行檢測與參量估計。由于海洋聲場(chǎng)極其復雜多變,受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節、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,使水聲信道相當復雜,接收信號通常會(huì )畸變,并淹沒(méi)在噪聲之中。對水下目標實(shí)現實(shí)時(shí)、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(shù)來(lái)實(shí)現具有良好特性的算法,將會(huì )顯著(zhù)提高檢測目標的概率和參量估計的精度,從而推動(dòng)聲納的發(fā)展與應用。
近二十年來(lái),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[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6]等DOA估計方法,以及LMS算法[7]等自適應信號處理方法。這些算法的實(shí)現,大多需要通過(guò)一些通用的數學(xué)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(lái)實(shí)現。本文將對TMC2310芯片應用于水下目標的檢測與估計進(jìn)行介紹。
１ TMC2310簡(jiǎn)介
TMC2310是美TRW公司生產(chǎn)的高速度（實(shí)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(zhuān)用數字信號處理（DSP）器件,其使用靈活、操作方便、性?xún)r(jià)比高,可廣泛應用于雷達、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)現浮點(diǎn)塊的溢出調整
具有流水線(xiàn)及管道操作兩種尋址方式
用戶(hù)可編程窗函數功能
具有片內系數存儲器
具有兩個(gè)算術(shù)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(shí)數窗或復數窗）的FFT及IFFT算法
可同時(shí)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(jìn)行實(shí)數、復數的乘及乘加運算
可進(jìn)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(gè)算術(shù)單元（AE0、AE1）、片內系數ROM、控制邏輯單元和外部接口電路五個(gè)主要部分構成,其邏輯框圖見(jiàn)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 系統時(shí)鐘輸入引腳
讀信號,低電平有效
寫(xiě)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(xiàn),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(xiàn)
RG0～RG18 實(shí)部雙向數據總線(xiàn)
IM0～IM18 虛部雙向數據總線(xiàn)
１．４ 配制寄存器
TMC2310片內有兩個(gè)16bit的配制寄存器（CR1、CR2）,用來(lái)對TMC2310進(jìn)行編程設置,其主要用途如下：
CR1 用來(lái)設定芯片的處理功能、轉換長(cháng)度、輸出格式及定標方式;
CR2 主要用來(lái)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(zhuān)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(jìn)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(gè)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(gè)以乒乓方式工作的雙口RAM陣列,其作用有四：（１）存放待處理的數據（實(shí)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T(mén)MC2310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(mǎn)足實(shí)時(shí)需要,用一片IDT7025雙口RAM（8K×16）構成一個(gè)TMS320C25與外部共享的ＲＡＭ區,以便實(shí)時(shí)地與外部進(jìn)行數據交換和通訊。這個(gè)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(shí)序進(jìn)行控制的?？刂齐娐反_保CAA12與CAB12互斥,CAL12與CAR12互斥。整個(gè)電路簡(jiǎn)單、緊湊、協(xié)調有序。由于采用了VLSI器件設計,電路設計大大簡(jiǎn)化,調試方便、功能強大、性能可靠、吞吐量大（完成1024點(diǎn)FFT的數據通過(guò)率為2.343M字／秒）。
３ 軟件設計
TMS320C25的主要任務(wù)有：（１）根據功能需要對TMC2310進(jìn)行編程設置及控制管理;（２）與TMC2310進(jìn)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(jìn)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(jìn)行設計,既便于調試又易于功能擴展。
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(gè)運算子模塊。由于篇幅有限,以下僅給出主程序流程框圖（見(jiàn)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(diǎn)。我們用其開(kāi)發(fā)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(huán)境下可靠工作。幾年來(lái),經(jīng)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(chǎn)。此外還可用于雷達、通訊及虛擬儀器等許多領(lǐng)域,具有很好的應用前景。