一種基于分層級連DSP陣列技術(shù)的電子浮標設計

　　2.1.2 DSP陣列模塊

　　與其他聲納信號處理過(guò)程類(lèi)似，電子浮標也涉及大量數據的實(shí)時(shí)處理。選用信號處理器時(shí)必須兼顧數據處理的復雜性和實(shí)時(shí)性要求，而DSP微處理器能夠高效實(shí)時(shí)地完成聲納信號處理順的波束形成、數字濾波、線(xiàn)譜增強、數值內插等多種復雜的數值運算，而且它體積小，應用靈活。因此本方案選用了DSP芯片作為電子浮標的數據處理中心。由于通過(guò)水聽(tīng)器陣提取的目標數據巨大，并需要進(jìn)行FFT和ZOOM-FFT等復雜的蝶形運算，采用高性能的DSP處理器才能更好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性處理的需要。本文選用AD公司新近推出的超高性能并行ADSP21160微處理器[3]，它具有單指令多數據流的并行處理結構。該處理器比目前聲納設計中常用的ADSP21060和TMS320C40在性能上有較大的提高[3]。ADSP21160的時(shí)鐘是ADSP21060的2.5倍，高達 100MHz，有兩個(gè)并行的ADSP21060核，運算速度是ADSP21060的5倍；而且ADSP21160的14個(gè)DMA通道各自獨立，具有4MB 內部存儲空間。

　　考慮A/D采樣率和ADSP21160的處理能力，僅用單片DSP對目標數據實(shí)時(shí)進(jìn)行多種復雜運算會(huì )超出它的處理能力。對電子浮標而言信號處理過(guò)程可分解為若干個(gè)級連的分功能處理過(guò)程，而每個(gè)分功能處理過(guò)程，又可以分解為進(jìn)行的子處理過(guò)程（主要包括數據濾波、波束形成、延時(shí)測量、后置處理四個(gè)子處理過(guò)程），這些子處理過(guò)程用單片DSP來(lái)完成。因此必須用多片DSP來(lái)進(jìn)行信號處理才能滿(mǎn)足大數據量和復雜運行的需要。而且電子浮標各個(gè)子處理過(guò)程之間數據傳輸具有較強的空間范圍限制，在時(shí)間上也較為規律，因此本文采用分層級連DSP陣列結構進(jìn)行數據處理，其硬件組成結構如圖4所示。最高層的DSP負責協(xié)調整個(gè)系統的工作，并和GPS接收機、無(wú)線(xiàn)數值模塊通過(guò)串口通訊；下一面的4個(gè)模塊在電路組成上模塊通過(guò)串口通訊；下一層的4個(gè)模塊在電路組成上相同，其中，EPROM是程序存儲器，高速RAM用來(lái)暫存數據，數據緩沖和譯碼等由一片EPLD可編程邏輯器件實(shí)現，模塊間通訊都通過(guò)雙口RAM來(lái)實(shí)現。1級模塊用來(lái)數字濾波，2級模塊用來(lái)波束形成，3級模塊用來(lái)信號延時(shí)測量和目標位置解算，4級模塊用來(lái)后置處理。四個(gè)模塊采用信號流水級連形成，統一受最高層DSP控制，共同構成了既緊密耦合又相互獨立，數據傳送效率高的級連數據處理系統。

　　2.1.3 水信號處理模塊

　　信號處理模塊主要涉及基于DSP硬件平臺的各種算法實(shí)現，該模塊的組成如圖5所示。A/D變換后的數字信號，先經(jīng)過(guò)頻帶可變的128點(diǎn)FIR數字濾波后進(jìn)行存儲器動(dòng)態(tài)濾束形成。約束形成是水聲信號處理中的常用技術(shù)[1]，它一方面可提高信噪比，另一方面可使水聽(tīng)器陣具有空間選擇性，從而抑制其他方向來(lái)的相關(guān)干擾；完成波束形成后為了便于顯示處理和適應顯示器的灰度要求，需要進(jìn)行后置能量積累和數據的動(dòng)態(tài)范圍壓縮處理。這里的后置積累采用絕對值檢波分級處理，采用分級的目的是保證輸出具有連續、調和的灰度，動(dòng)態(tài)范圍壓縮就是將數據由16位壓縮到8位，可采用丟掉低8位的線(xiàn)性壓縮方式和對數壓縮的非線(xiàn)性壓縮方式；在進(jìn)行后置處理的同時(shí)，利用波束形成后的數據進(jìn)行信號延時(shí)測量。為了提高延時(shí)處理的精度，這里采用粗測和精測兩個(gè)過(guò)程，其中精測采用自適應噪聲抵銷(xiāo)法。該方法主要思想是通過(guò)LMS算法調節由多節抽頭延遲線(xiàn)構成的自適應濾波器的權系數，然后進(jìn)行迭代平均而得到精度優(yōu)于40μs的粗延時(shí)估計。在粗估計的基礎上采用互譜技術(shù)、二次相關(guān)技術(shù)和極性相關(guān)技術(shù)進(jìn)行延時(shí)精測，這里采用64點(diǎn)互譜運算和逆序方式的極性相關(guān)方式，通過(guò)延時(shí)精測可使延時(shí)的精度優(yōu)于25μs；得到不同水聽(tīng)器的精確延時(shí)后即可通過(guò)經(jīng)典的3點(diǎn)陣法測距。

　　2.1.4 格式轉換和無(wú)線(xiàn)數傳模塊

　　這兩個(gè)模塊主要完成電子浮標與干端監測中心的數據通信。格式轉換是為了降低傳輸誤碼率而對所的數據通信。格式轉換是為了降低傳輸誤碼率而對所傳輸的數據進(jìn)行編碼和譯碼，這里采用（2，1，9）擴展卷積碼的編碼和譯碼方式。這種碼能在譯碼約束長(cháng)度20個(gè)碼元內，糾正2個(gè)碼元的隨機錯誤和4個(gè)碼元的突發(fā)錯誤。為了能實(shí)時(shí)傳送電子浮標的顯示數據和方位數據，這里采用碼速率高達727Kbps的WDC無(wú)線(xiàn)數字模塊，該模塊收發(fā)頻率在336MHz～344MHz可選，輸出功率15W，覆蓋范圍大于15km。