基于DSP的水下目标检测与参数估计应用

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对目标进行检测、估计、跟踪是雷达与声纳应用的最终目的,其任务是对接收信号进行一定的处理、提取特征、分析识别,以检测目标的存在与否,进而通过对信号的处理与运算估计出目标的方位、距离与速度,实现定位和跟踪。对于水下目标的检测与参量估计有两种方式：一是对海洋声场进行监测,从接收信号中提取目标辐射噪声并进行识别与参量估计（即被动方式）;二是由声纳系统发射给定的序列信号（常用的有CW信号和FM信号等）,并对接收的回波信号进行检测与参量估计。由于海洋声场极其复杂多变,受温度、盐度、深度、梯度、水流、水域、季节、气候、风浪、温层、流层、界面的反射与折射等诸多因素的影响,使水声信道相当复杂,接收信号通常会畸变,并淹没在噪声之中。对水下目标实现实时、快速、准确、精确地检测与参量估计是声纳系统不断追求的目标。充分利用高性能的数字信号处理（DSP）器件及技术来实现具有良好特性的算法,将会显著提高检测目标的概率和参量估计的精度,从而推动声纳的发展与应用。
近二十年来,相继出现了许多重要的目标检测及参数估计算法,如分裂波束精确测向算法[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6]等DOA估计方法,以及LMS算法[7]等自适应信号处理方法。这些算法的实现,大多需要通过一些通用的数学运算以及矩阵运算,并采用如FFT、IFFT等快速算法,而这些运算均可方便地利用TMC2310器件来实现。本文将对TMC2310芯片应用于水下目标的检测与估计进行介绍。
１ TMC2310简介
TMC2310是美TRW公司生产的高速度（实现一次基二蝶形运算仅需100ns）、多功能（共有16种运算功能）、可编程的专用数字信号处理（DSP）器件,其使用灵活、操作方便、性价比高,可广泛应用于雷达、声纳、通讯及虚拟仪器等领域。
１．１ 主要特点   
可自动或手动地实现浮点块的溢出调整
具有流水线及管道操作两种寻址方式
用户可编程窗函数功能
具有片内系数存储器
具有两个算术运算单元
19bit的运算精度及输出位宽
１．２ 主要功能
可快速完成不加窗及加窗（实数窗或复数窗）的FFT及IFFT算法
可同时构成两路并行的FIE滤波器（16～1024阶）
可构成自适应FIR滤波器
可进行实数、复数的乘及乘加运算
可进行复数求模及阵列矢量的平方运算
１．３ 结构与管脚
TMC2310由两个算术单元（AE0、AE1）、片内系数ROM、控制逻辑单元和外部接口电路五个主要部分构成,其逻辑框图见图１。每个算术单元包括一个乘法序列电路和乘—加算术逻辑电路块。该芯片采用了88引脚的PGA封装形式。

管脚定义如下：
VDD?VSS   电源输入引脚,采用单一＋5V供电
CLK        系统时钟输入引脚
读信号,低电平有效
写信号,低电平有效
SEMSEL     外部存储器选择信号输出引脚
SCEN       定标输出允许引脚
DONE       系统工作结束标志输出引脚
CMD0～CMD1 控制命令输入引脚
W0～W16    双功能数据总线,用于输入窗函数、 滤波器系数及输出定标器的移位指数和最后一次溢出
AD0～AD9   外部数据存储器地址总线
RG0～RG18  实部双向数据总线
IM0～IM18  虚部双向数据总线
１．４ 配制寄存器
TMC2310片内有两个16bit的配制寄存器（CR1、CR2）,用来对TMC2310进行编程设置,其主要用途如下：
CR1 用来设定芯片的处理功能、转换长度、输出格式及定标方式;
CR2 主要用来设定寻址方式和变换路数（1～64路）。
２ 电路设计
由于TMC2310是可编程的专用DSP器件,我们用一片TMS320C25 DSP器件与之配合,采用主从结构、并行处理方式,加上外围共享存储器阵列对等组成处理模块。TMS320C25除对TMC2310进行编程及控制外,还以并行运算处理的方式完成一些后续处理及辅助运算（如数据抽取、积分等）。整个电路系统采用模块化设计,便于调试及扩展。信号处理模块原理框图如图2所示。

在图2中,TMC2310和TMS320C25之间设计了一个以乒乓方式工作的双口RAM阵列,其作用有四：（１）存放待处理的数据（实部数据放在REM块,虚部数据放在IMM块）;（２）存放TMC2310所需的系数或参数（放在WDM块）;（３）存放TMC2310的输出结果并作为TMC2310中间结果缓存;（４）构成TMS320C25的运算内存。为了便于构成系统及满足实时需要,用一片IDT7025双口RAM（8K×16）构成一个TMS320C25与外部共享的ＲＡＭ区,以便实时地与外部进行数据交换和通讯。这个双口ＲＡＭ区也以乒乓方式工作,以增强模块的宽容性。
电路的乒乓工作方式控制逻辑是由TMS320C25根据系统的节拍时序进行控制的。控制电路确保CAA12与CAB12互斥,CAL12与CAR12互斥。整个电路简单、紧凑、协调有序。由于采用了VLSI器件设计,电路设计大大简化,调试方便、功能强大、性能可靠、吞吐量大（完成1024点FFT的数据通过率为2.343M字／秒）。
３ 软件设计
TMS320C25的主要任务有：（１）根据功能需要对TMC2310进行编程设置及控制管理;（２）与TMC2310进行数据交换;（３）完成部分处理运算（如：抽样、积分、数值及参量计算等）;（４）与系统进行通讯（如数据输入输出及功能、方式的设立等）。我们将这些内容分成不同的子程序按模块进行设计,既便于调试又易于功能扩展。
软件主要由一个主程序与若干个子程序模块组成。主要的模块有：TMC2310的设置与控制;与外部的通讯;数据的输出、数据加载、系数加载及十几个运算子模块。由于篇幅有限,以下仅给出主程序流程框图（见图3）。

将TMC2310应用于水下目标的检测与估计,具有速度快、功能强、可编程、易操作等特点。我们用其开发研制的信号处理模块,体积小、易扩展。组成的系统能在飞机、舰船等环境下可靠工作。几年来,经水池、湖及海上的多次试验和试用,证明其设计合理、应用成功,已投入小批量生产。此外还可用于雷达、通讯及虚拟仪器等许多领域,具有很好的应用前景。