（信号与信息处理专业论文）实时多波束处理与采集系统设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着近代声纳信号处理技术的发展，波束形成技术已经成为声纳信号处 理一个重要组成部分。本论文是以波束形成理论为基础，在硬件上实现对信 号的波束形成处理并实时在计算机上进行存储及显示。实时信号处理系统是 对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。系统设计在研究了 常用的实时信号处理系统构成方案的特性后，选用了d s p + f p g a 处理机制， 并在具体的应用中显示出了其优越性。 整个系统由l o 元接收阵，多波束接收机和计算机三大硬件模块构成。多 波束接收机是系统的核心部分，由电源控制板、模拟接收板和采集控制板组 成，实现了数字波束形成器的设计以及对各模块的控制，并利用光纤传输进 行与计算机的通信 本论文的主要工作是对1 0 元接收阵接收到的信号先进行放大和滤波，然 后进行波束形成处理，最后打包上传给计算机，通过显控程序进行人机对话， 实时地分析采集的原始数据和波束形成数据，根据需要通过计算机下传命令 字来改变采集模块配置，从而获取高信噪比的信号特征。 本论文注重灵活可扩展设计，为系统调试和操作带来了很大的便捷性。 关键词：波束形成；d s p ；f p g a ；光纤传输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns o n a rs i g n a lp r o c e s s i n g , b e a m f o r m i n g t e c h n i ch a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n t t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h e t h e o r yo fb e a m - f o r m i n g i nh a r d w a r e , w ea c h i e v er e a l - t i m ep r o c e s s i n go ft h e s i g n a lb e a mf o r m e do nc o m p u t e r sf o rs t o r a g ea n dd i s p l a y r e a l t i m es i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e mi s ah i g h - s p e e dc o m p u t a t i o n , a n dc o m p u t a t i o nv a r i e t yo f i n t e g r a t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m t h ed e s i g no fr e a l - t i m es i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m si su s e di nt h ep r o g r a m sc h a r a c t o r i s t i e , u s i n gt h ed s p + f p g a p r o c e s s i n gm e c h a n i s m t h ee n t i r es y s t e mi sc o m p o s e do f1 0r e c e i v e ra r r a y , m u l t i - b e a mr e c e i v e ra n d c o m p u t e rh a r d w a r em o d u l e s m u l t i b e a mr e c e i v e ri st h ec o t ec o m p o n e n to ft h e s y s t e m i ti sc o m p o s e do f p o w e r - c o n t r o l ，s i m u l a t er e c e p t i o na n dc o l l e c t i n g c o n t r o l b o a r d s m u l t i - b e a mr e c e i v e ra c h i e v e sa d i g i t a lb e a m f o r m i n gm a dt h ed e s i g no f t h e c o n t r o lm o d u l e a n dt h eu s i n go f f i b e rt r a n s m i s s i o nm a d ei tc o m m u n i c a t ew i t ht h e c o m p u t e r t h i sd i s s e r t a t i o ni st o a m p l i f ya n df i l t e rt h es i g n a lf i r s t , a n dt h e nm a k e b e a m - f o r m i n gp r o c e s s i n g 诵t l lt h ef i n a lp a c k a g eu p l o a dt ot h ec o m p u t e r t h r o u g h a s i g n i f i c a n td i a l o g u ew i t ht h ec o m p u t e r , i ta n a l y s et h er a wd a t aa n db e a m f o r m i n g d a t ai nr e a lt i m e u n d e ro r d e r st h r o u g ht h ec o m p u t e rc h a r a c t e rn e e d e dt oc h a n g e t h et r a d i t i o n a la l l o c a t i o no fm o d u l e s ，t h e r e b yo b t a i n i n gh i g hs i g n a l - t o - n o i s er a t i o o f t h es i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nf l e x i b l ea n de x t e n s i b l ed e s i g n , b r i n gal o to f c o n v e n i e n c ef o rd e b u g g i n ga n do p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：b e a m - f o r m i n g ；d s p ；f p g a ；f i b e rt r a n s m i s s i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：舣 日期：纠年月秽e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 立题背景及意义 海洋占整个地球表面的四分之三，不仅蕴藏着丰富的资源，而且在军事 上的地位也不言而喻。2 l 世纪是开发海洋、利用海洋的世纪。 波束形成是对多传感器阵列接收到的数据在空间上增强信号、抵消噪声 和干扰处理的过程，是阵列信号处理的一个重要内容。它在充分利用阵列的 先验知识( 如阵形，阵元特性等) 的基础上，融合阵元接收的数据，提取关 于信号场的有用信息。为了提高接收信号的信噪比以提高对目标的检测和定 位能力，波束形成被广泛地应用于声纳，雷达，地震探测，医学成像等多种 军事和民用领域，一直是人们研究的热点。 所以在对海洋的研究中，多波束探测海底海况成了一种目前非常流行的 手段。一般的方法是对要研究的海域进行信号采样，然后再对采样数据进行 后续分析，最后得出结论。本论文的设计在硬件上开发了数字波束形成器， 通过计算机显控界面，能够实时的对数据作出直观判断。 1 2f p g a + d s p 结构 作为信号采集处理系统的应用，系统的设计要求必须具有处理大数据量 的能力；其次对系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。实时信号 处理系统是对运算速度要求高、运算种类多的综合性信息处理系统。系统设 计在研究了常用的实对信号处理系统构成方案的特性后，选用了d s p + f p g a 处理机制，并在具体的应用中显示出了其优越性。 随着大规模可编程器件的发展，采用d s p + a s i c 结构的信号处理系统 显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，a s i c 芯片具 有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应 用时，可降低成本。 现场可编程门阵列f p g a 是在专用a s i c 的基础上发展出来的，它克服 了专用a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集成电路相比，其优点主要 在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电 哈尔滨r 程大学硕士学何论文 路的修改和维护很方便。目前f p g a 的容量已经跨过了百万门级，使得f p g a 成为解决系统级设计的重要选择方案之一，d s p + f p g a 结构最大的特点是结 构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时 其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。 实时信号处理系统中，低层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理 速度的要求高，但运算结构相对比较简单，适于用f p g a 进行硬件实现，这 样能同时兼顾速度及灵活性。高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层 算法少，但算法的控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信 机制强大的d s p 芯片来实现。 1 3 实时多波束处理与采集系统 1 3 1 简介 本系统主要有三大部分组成，分别是1 0 元接收阵，多波束接收机和p c 机。多波束接收机为本系统核心，主要对接收阵收到的信号进行放大、滤波、 采样、波束形成处理最后保存到p c 机硬盘里，以备对信号进行后续处理。 p c 机主要通过p c i 接口板与前端部分进行通信，包括发送采集命令码和接收 数据，另外通过开发显示控制程序把接收到的信号实时的在l c d 上显示出 来，这样就可以实时直观地分析采集信号的情况。本系统结构如图1 1 所示。 多波束接收机 pc 机 电源控制板 光纤 p c i 显控 接口板 采集控制板模拟接收板 国 i 兀1 声 唯p 霉 i 阵l i 一j 图1 i 实时多波束处理与采集系统框图 1 3 2 工作方式及流程 系统有两种工作方式：自检和采集外部信号。自检就是系统本身发送一 个单频正弦信号进行自我检查，目的是保证系统在工作前的正确性和稳定性。 而采集外部信号就是对接收阵接收到的外部数据进行处理，其工作流程是这 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 样的：首先模拟接收机对接收到的1 0 个阵元的声信号进行放大和滤波，然后 采集控制板对其进行采样、模数转换、波束形成等处理，各阵元原始数据、 波束形成的数据一起打包、编码后经光纤传输到p c i 接口板，最后保存在计 算机里。光纤传输为双工模式，下行传命令，上行传数据。 1 3 3 技术指标 本系统主要技术指标如下： 1 0 通道接收机； 工作中心频率1 6 k ，滤波器带宽可程控； 接收机放大倍数可程控； a d 转换器1 2 b i t ，采样频率3 2 0 k h z ； 实时形成2 1 个波束； 原始数据和波束形成数据实时存盘； 采用低噪声设计，模拟电路与数字电路采用光耦隔离； 各通道信号相幅一致较好，相幅差均不超过3 ； 使用光纤传输数据，保证稳定性和快速性，传输为双工方式； 具有系统自检功能； 具有存储数据波形回放功能。 1 4 本论文主要研究内容 本论文的主要研究内容是实时多波束处理与采集系统。整个系统由三大 硬件组成：1 0 元接收阵、多波束接收机和计算机。其中多波束接收机是本系 统的核心，它对接收阵接收到的信号作波束形成处理，然后在计算机上实时 的保存并显示。 论文首先从立题背景及意义讲起，简要阐述了f p g a + d s p 结构设计的特 点，给出了整个实时多波束处理与采集系统的框图、工作流程和主要技术指 标。 其次讲述了实时多波束处理与采集系统设计的理论基础。对于水声信道 和信号采样作了简要阐述，重点介绍了波束形成原理。 接下来详细讲述了实时多波束处理与采集系统硬件电路设计。给出了l o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 通道数据采集系统的内部电路板结构，相关元器件的型号及在本系统中的应 用。着重说明了电源电路设计，模拟信号接收，f p g a + d s p 设计结构，光线 收发和p c i 接口设计等相关方面的内容。 讲述完系统硬件设计后又详细阐述了系统软件的设计，着重说明了 f p g a 模块化设计方法、单比特数字波束形成原理及实现和d s p 的b o o t l o a d e r 问题。 最后讲述了实时多波束处理与采集系统的调试。重点介绍了多波束接收 机的结构，之后结合个人调试经验选讲了几个在系统调试过程中所遇到的问 题及解决办法。 本人在该系统中的主要任务是参与系统整体方案制定、各硬件电路板调 试以及水池试验和海上试验联调。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章系统硬件设计 2 1 概述 本系统硬件部分主要由三大模块构成，分别是l o 元直线接收阵、多波束 接收机和计算机。其中多波束接收机为本系统的核心部分，由电源板，模拟 接收板，采集控制板组成，用相应尺寸的工控机封装，分别用电缆和光纤与 接收阵和计算机相连。1 0 元接收阵内置前放和驱动电路，由于其不是本系统 设计内容，所以不作详细阐述。模拟接收板负责将前放输出的模拟信号进行 滤波和放大。电源板负责控制整个系统模拟和数字部分的供电。采集控制板 是多波束接收机的核心，它实现数据的波束形成处理、打包采集及各通道状 态的控制，并与计算机建立通信，方法是通过光纤与计算机的p c i 接口板相 连。系统硬件结构图在绪论中的1 3 节中已经给出。下面分别对各块功能电 路板的硬件设计进行阐述。 2 2 电源控制板 2 2 1 概述 本系统由线性电源和电池供电。电源控制板将线性电源提供的系统电源 通过电源转换芯片提供给系统内各个部分。电源转换芯片有两种解决方案， d c d c 直流变换和l d o 低压差线性稳压。l d 0 低压差线性稳压电源芯片体 积小，d c d c 直流变换器转换效率高，但是d c d c 变换器产生的脉冲是属 于功率型脉冲，其输出含有丰富的高频噪声，会对弱小的模拟信号产生影响， 而且很难滤除干净。所以数字电源采用直流变换方法实现，模拟电源采用低 压差线性稳压电源方法实现。在必要时，模拟电可以由外接电池供应，使得 数字与模拟部分完全分开供电。其框图如图2 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 模拟电源 数宁电源 图2 1 电源控制结构示意图 图2 1 中虚线表示模拟电既可由电池给出，也可由线性电源给出。 2 2 2 电源技术指标 总体给出的电源指标如下： 控制板电源：+ 5 v 1 a 前放电源：5 v 2 0 0 m a 接收板模拟电源：+ 5 v 1 5 0 m a 电源控制板总共提供五路电源输出，分别是： 5 v d ：提供给采集控制板的数字电源 5 v d1 ：提供给模拟接收板数字部分的电源 5 v 1 ：提供给前放的电源 5 v c a ) 2 ：提供给模拟接收板的模拟电源 5 v ( a ) 5 ：提供给采集控制板模拟部分的电源 2 2 3 直流变换电路 电源板上提供数字电源的转换芯片采用m a x i m 公司的m a x l 6 8 4 ， m a x l 6 8 4 5 属于p w ms t e p d o w n 型的d c d c 变换器，具有片内低导通阻抗 功率开关管，效率可达到9 6 ，而且具有四种不同的工作方式：固定频率模 式，常规模式，低功率模式和关闭模式。固定频率的p w m 模式具有良好的 噪声特性；常规模式在满负荷的情况下具有最大效率；低功率模式适用于待 机情况；关闭模式是彻底关闭电源使器件的功耗减少到最低的限度”1 。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m a x l 6 8 4 与m a x l 6 8 5 除了频率不同之外，各项功能和技术指标完全一样。 图2 2 给出m a x l 6 8 4 5 的典型应用电路。 0 1 f 图2 2m a x l 6 8 4 5 的典型应用电路 m a x l 6 8 4 具有较宽的输入电压范围( 2 7 v - 1 4 v ) ，而本系统采用的电源 是由朝阳公司定做的线性电源，输出为7 5 v ，符合m a x l 6 8 4 的输入范围。 同时m a x l 6 8 4 是输出可控的，当输出控制引脚为商电平时器件电压输出， 低电平器件处于休眠状态无电压输出m a x l 6 8 4 的最大输出电流为1 a ，输出 电压可固定也可调节。在图2 2 中器件的输出电压的采样输入引脚( f b ) 直 接接地，输出电压为3 3 v 。根据需要选择输出电压可采用图2 3 所示的方法。 朋一x l 一 舰埘6 8 4 d 4 x ，6 鼯 f b ：= - 图2 3m a x l 6 8 4 5 输出电压设定 改变电阻r j 、r 2 的比例可以改变器件的输出电压值。输出电压的计算 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 公式为：咿= ( r i r 2 + 1 ) 。其中为器件内部给出的参考电压值 1 2 5 v 。 具体设计电路如图2 4 所示： 僻 m “ 口 k 图2 4 直流变换电路原理图 图中电容和电感组成的滤波网络的作用是减少变换器产生的噪声污染输 出的直流电源。在设计的2 路5 v 数字电源中，控制板的电源是不受控的， 电源输出控制引脚s h d w 被上拉，使器件m a x l 6 8 4 始终有电压输出。 采用深圳安时捷公司的h d w 3 - 5 d 5 电源给前放供电，该器件最大可以提 供2 0 0 m a 的输出电流，且输出电压为5 v 。其电路原理图如图2 5 所示： 捧 一三量窿 专m t ”血”。一 挈6t 0 甲“ u 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 低压差线性稳压电路 电源板上提供模拟电源的转换芯片采用1 1 公司的t p s 7 6 3 5 0 。t p s 7 6 3 5 0 是低压差线性稳压电源( l d o ) 。该器件可以最大提供1 5 0 m a 的输出电流， 最大输入电压可达1 0 v “。 具体设计电路如图2 6 所示。 图2 6 低压差线性稳压电路原理图 如图2 6 中的s h d w n 4 为高电平，使t p s 7 6 3 5 0 被导通。光电耦合器 t l p 5 2 1 用来隔离数字电和模拟电，避免数字电路对模拟信号的干扰。 2 3 模拟接收板 2 3 1 概述 模拟接收电路主要是用来对输入信号进行放大、滤波、隔离等处理，为 下一步的采集工作做准备。由于本系统是1 0 元接收阵，所以有十路信号输入， 采用两块模拟接收板，每块6 个通道，这样总共1 2 通道，留2 路备用。各通 道相位一致性较好，滤波器带宽和接收增益可程控配置。结构框图如图2 7 所示。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 爿嚣h； l l 趱蛔亘卅盏m 母坦哥懂卜匮h i 掣 计算耵骱仨= 一亡】受垂三j 图2 7 模拟接收板结构示意图 2 3 2 放大电路 放大电路可分为两级放大电路和射随电路。射随电路的主要作用是增加 输出的阻抗特性，信号经射随电路后用串联电阻分压模式结合数字电位器实 现增益可调控制，数字电位器的码值大小由主机经光纤下传命令。 下面是放大电路的典型电路； 图2 8 典型放大电路 射随、放大电路采用b b ( b u r r - b r o w n ) 公司生产的低功耗运算放大器 o p a 2 3 4 5 “，采用单电源供电，典型应用电路如图2 8 所示，= 一所+ 6 ， 其中：m 为增益量，l = r ，r g ，6 = 睥1 ( 月1 + r 2 ) 】 髟+ r g 】。 这是一个用运放o p a 2 3 4 5 搭建的典型差动型放大电路，其中是反向 放大端，而是正向放大端，两端同时作用实现电路的放大。在具体的实 现过程中我们每级放大倍数都是1 5 倍，则两级总共是放大2 2 5 倍。 2 3 3 增益调节电路 增益调节电路根据计算机下达的指令码来改变数字电位计的值从而来改 变增益。设计中数字电位器选用a d 8 4 0 0 ，其采用单电源+ 5 v 供电，省电模 i o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式下仅5 微安输入电流，最大时钟频率为5 0 m h z ，最大输出电阻1 0 0 k ) 川。 其原理即滑动变阻器原理，w 端中心抽头输出，a b 端固定电阻值1 0 0 k 。其 结构如图2 9 所示。 图2 9 a d 8 4 0 0 结构图 输出部分简化为图2 1 0 如下。 图2 1 0 输出增益控制原理图 由图2 1 0 可以看出，增益控制电路其实就是利用串联电阻的分压模式来 实现的。电压输出为：瓦严i j 葛圪，实际电路设计中b 端对地再串联一 电阻r c ，可灵活配置衰减的范围。 2 3 4 低通滤波电路 为实现可变带宽控制，分别由低通和高通实现。其中低通滤波器截止频 率设置通过数字电位器控制。低通滤波器电路如图2 1 1 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 1 低通滤波电路原理图 低通滤波器由3 个运放构成2 阶滤波器，其截止频率的改变由r 4 和冗j 决定。截止频率和调整电阻的关系为：r 4 - - - - r 5 = 5 0 3 x 1 0 t o ，例如要求低 通截止频率为1 0 k h z ，则选取r 4 = r 5 = 5 0 3 1 0 7 1 0 x 1 0 3 = 5 0 3 k o 的阻值 即可。 设计中采用数字电位器来实时方便控制r 4 和r 5 的阻值。其控制信号由 主机经光纤下传命令字来实现。 2 3 5 高通滤波电路 高通滤波器的设计同低通滤波器的设计类似，其电路具有系统结构和参 数设置模式。设计中唯一不同的是高通滤波器采用的是跳变电阻实现截止频 率设置，而非采用数字电位器方式。其电路如图2 1 2 所示。 图2 1 2 高通滤波电路原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 6 光耦隔离电路 隔离数字电路对模拟电路的干扰，是本系统设计的一个要点。光耦隔离 分为两部分，即数字光耦和线性光耦。这里选用数字光耦h c p l 0 7 0 8 隔离数 字部分，线性光耦i l 3 8 8 隔离模拟部分。注意光耦两边的地必须分开。 ( 1 ) 数字光耦隔离。在模拟板上数字电位器的c l k 、c s 和s d i 以及模 拟开关的c s 、输入的自检信号都是由数字电路产生，都会受到其高频干扰的 影响，这样影响整个系统的性能。隔离这些信号用数字光耦h c p l - 0 7 0 8 ，它 的最高转换率达1 5 m b d ，兼容c m o s 电平，输出的电流足以驱动数字电位 器，不用加线驱动器阿。数字光耦隔离原理图如图2 1 3 所示。 8 + 5 v m 3 c , a i h 0 1 觅m 图2 1 3 数字光耦隔离原理图 ( 2 ) 线性光耦隔离。输入的信号在模拟板上经放大，滤波后要传送到数 字板做处理，用线性光耦i l 3 8 8 隔离。i l 3 8 8 内部由一个发光二极管l e d 和 两个光敏二极管组成，输入信号激发l e d 发光，输入光敏二极管监控和稳定 l e d 的光源，消除l e d 中的非线性和漂移，输出光敏二极管感应产生光敏 电流，从而在输入和输出进行了有效的隔离”。线性光耦隔离电路由1 1 , 3 8 8 和两个o p a 2 3 4 4 组成。i l 3 8 8 需电流驱动，用两个o p a 2 3 4 4 将电压转换为电 流，电流转换为电压。线性光耦隔离原理图如图2 1 4 所示。 图2 1 4 线性光耦隔离原理图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 采集控制板 2 4 1 概述 采集控制板硬件电路采用f p g a + d s p 的结构设计，主要由模数转换、 f p g a 、d s p 、自检通道和光纤收发等五部分组成。其结构如图2 1 5 所示。 图2 1 5 采集控制板框图 2 4 2 模数转换 2 4 2 1a d c 简介 a d c ( a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r t e r ) 即模数转换器的任务是将一个连续 的模拟输入信号( 通常为电压) 用一个数字化的值来表示，以进一步用于处 理、显示和记录。a d c 是整个数据采集系统的关键部件，它的性能往往直接 影响整个系统的技术指标。a d c 的有以下几个主要技术指标。 1 ) 分辩率( r e s o l u t i o n ) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量。 分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 2 ) 转换速率( c o n v e r s i o nr a t e ) 是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转 换所需的时间的倒数。积分型a d 的转换时间是毫秒级属低速a d ，逐次比 较型a d 是微秒级属中速a d ，全并行串并行型a d 可达到纳秒级。采样时 间则是另外一个概念，采样速率( s a m p l er a t e ) , g , 须小于或等于转换速率。常 用单位是k s p s 和m s p s ，表示每秒采样千百万次。 3 ) 量化误差( q u a n t i z i n ge r r o r ) 由于a d 的有限分辩率而引起的误差，即 有限分辩率a d 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率a d ( 理想a d ) 的转移 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 特性曲线( 直线) 之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变 化量，表示为1 l s b 、1 2 l s b 。 4 ) 偏移误差( o f f s e te r r o r ) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接 电位器调至最小。 5 ) 满刻度误差( f u ns c a l ee r r o r ) 满度输出时对应的输入信号与理想输入 信号值之差。指两次转换的间隔。 6 ) 线性度( l i n e a d t y ) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不 包括以上三种误差。 下面介绍几种常用a d c 类型的基本原理和特点。 1 ) 积分型 积分型a d 工作原理是将输入电压转换成时间( 脉冲宽度信号) 或频率( 脉 冲频率) ，然后由定时器，计数器获得数字值。优点是用简单电路就能获得高 分辨率，缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。 2 ) 逐次比较型 逐次比较型a d 由一个比较器和d a 转换器通过逐次比较逻辑构成，电 路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低，在低分辩率( 1 2 位) 时价格很高。 3 ) 并行比较型串并行比较型 并行比较型a d 采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称f l a s h ( 快 速) 型。转换速率极高，电路规模也极大，价格也高，只适用于视频a d 转换 器等速度要求高的领域。 串并行比较型a d 结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由 2 个n 2 位的并行型a d 转换器配合d a 转换器组成，用两次比较实行转换， 所以称为h a l f f l a s h ( 半快速) 型。还有分成三步或多步实现a d 转换的叫做分 级型a d ，而从转换时序角度又可称为流水线( p i p e l i n e d ) 型a d ，现代的分 级型a d 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类a d 速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。 4 ) a 调制型 型a d 由积分器、比较器、1 位d a 转换器和数字滤波器等组成。 电路的数字部分基本上易单片化，易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 5 ) 屯容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型a d 在内置d a 转换器中采用电容矩阵方式，也可 称为电荷再分配型。用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度 单片a d 转换器。最近的逐次比较型a d 转换器大多为电容阵列式的。 6 ) 压频变换型 压频变换型( v o r a g e - f r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 是通过间接转换方式实现模 数转换的。优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同 完成a d 转换。 2 4 2 2a d c 电路设计 本系统a d 转换器采用b b 公司的a d s 7 8 1 8 ，它是一个最高采样频率为 5 0 0 k h z 的采样频率可调的逐次比较型的1 2 b i t 串行a d c 。其主要特点是高采 样率，低功耗，单5 v 供电，内部参考电压为2 5 v m 。其技术指标可以满足我 们的设计要求，而且成本较低。a d s 7 8 1 8 的内部结构如图2 1 6 所示。 图2 1 6 a d s 7 8 1 8 内部结构图 本系统有1 0 路模拟信号输入，相应的就有l o 路a d s 7 8 1 8 。其转换过程 由f p g a 统一控制，f p g a 的i o 管脚与a d s 7 8 1 8 的串行接口连接，包括时 钟输入c l k ，转换输入c o n v 和数据输出d a i t a 。f p g a 根据a d s 7 8 8 的时 序要求发送c l k 和c o n v ，输出的1 0 路d a t a 数据同时进入f p g a 的缓存。 本设计中f p g a 一个i o 口驱动4 片a d c 的c l k 和c o n v 。 对于模拟输入端，+ i n 和i n 虽然允许差分输入方式，但是为了保证转 换器的线性度，这两个输入有严格的要求，+ i n 端的输入范围为一o 2 v 到 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f r e e + 0 2 v ) ，一i n 端的输入范围为一0 2 v 到+ o 2 v 。所以本设计q 1 + i n 接模 拟板过来的输入信号，一玳直接连到地。电路原理图如图2 1 7 所示。 图2 1 7 a d c 电路原理图 需要注意的是由于d a t a 输出信号电压最高能到5 v ，而接收端f p g a 的i o 工作电压为2 3 v ，所以保险起见有必要在a d 数据输出端到f p g a 之 间加一从5 v 转到3 3 v 的电平转换电路。 2 4 3f p g a 2 4 3 1f p g a 简介 f p g a 器件( f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，即用户现场可编程门阵列 是八十年代中期出现的一种新概念”。凡是搞过硬件电路的设计工程师都知 道，用通用的标准逻辑集成器件组合设计一块特定逻辑功能的电路板是很麻 烦的，先要进行逻辑电路设计，然后再进行印刷电路板设计，最后焊接为成 品。不但设计周期长，工艺可靠性及可维修性差，其物理空间的体积亦无法 缩小，而且用一块块简单逻辑集成器件构成的逻辑功能板的集成容量是比较 低的。随着大规模集成电路( v l s i ) 技术的发展，系统单片化设计的专用集 成电路( a s i c ) 成为主流。但是，这类针对用户系统要求而定制的a s i c 器 件往往需要很长的设计周期，且前期一次性投资大，设计风险也很大。正是 为了摆脱在许多数字逻辑系统研制过程中低水平的工作状况，从而争取最大 的设计制作灵活性和最短的设计周期，产生了可编程逻辑器件( p l d ) 。随着数 1 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 字系统设计的规模容量不断提高，工程日趋复杂，基于s s i ，m s i 基础之上的 p l d 不能再满足系统设计的要求。于是编程的灵活性更强，规模容量更大， 速度更高的f p g a 应运而生。其重要意义不仅仅在于单片集成容量上的增加， 更重要的是在于编程特性上以逻辑块级跃至逻辑门级。 v l r t e x - i i 系列产品是x i l i n x 公司在v i r t c x - e 系列产品后推出的新型高端 f p g a ，该系列产品采用o 1 5 1 u n 和0 1 2 l m l 混合工艺设计，内核电压为1 5 v ， 支持多种接口标准，内部时钟频率可达4 5 0 m h z 。内嵌更大容量的b l o c k r a m ，采用d c m 来管理时钟，支持更多i o 接口标准，采用数控阻抗匹配 d c i 技术，含有更加丰富的布线资源，支持配置数据的三重加密，更大限度 保护了设计者的知识产权嘲。 v i r t e x i i 系列产品与x i l i n x 公司以前推出的f p g a 产品相比较，其内部 结构有了较大的改进，主要包括以下几点”q 。 1 ) v i r t e x i i 内部的c l b 模块含有4 个s l i c e ，从而提高了v i r t e x i i 系列 产品的逻辑容量和资源利用率。 2 ) v i r t e x - i i 内嵌专用乘法器电路，从而提高了v i r t e x - i i 系列产品进行数 字信号处理的速度。 3 ) v i r t e x - i i 内嵌更大容量的b l o c k r a m ，用于适应当前设计对大容量片 内存储的要求。 4 ) v i r t e x 一1 i 将d l l 改为数字时钟管理器( d c m ，d i g i t a lc l o c km a n a g e r ) ， 从而提供更灵活的时钟解决方案。 5 ) v i r t e x - 1 1 支持更多的i o 接口标准，主要包括l 、7 t 1 乙，l v c m o s ( 3 3 v , 2 5 、1 8 v a n d1 s v ) 、p c i ( 3 3 v ，6 6m h z ，3 3m n z ) 、p c i - x 、g t l 、g t l p 、 h s t l ( c l a s si ，i i ，i i i ，a n di v ) 、s s t l ( 3 3 va n d2 5 vc l a s sia n di i ) 、a g p 一2 x 、 l v d s 、b l v d s ( b u sl v d s ) 、u l v d s 、l v p e c l 和l d t 。 6 ) v i r t e x l i 采用数控阻抗匹配( d c i ，d i g i t a l l yc o n t r o l l e ai m p e d a n c e ) 技术，从而减小因阻抗匹配问题造成的系统不稳定性。 7 ) v k r t e x - i i 内含更丰富的布线资源，从而保证f p g a 逻辑资源的最大利 用率。 8 ) v i r t e x - 1 1 支持配置数据的三重加密，从而最大限度的保护了设计者的 知识产权。 1 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 v l r t e x - - i i 系列支持五种程序配置方式：主串模式( m a s t e r - - s e r i a lm o d e ) 、 从串模式( s l a v es e r i a lm o d e ) 、主s e l e c t m a p 模式( m a s t e rs e l e c t m a p m o d e ) 、 从s e l e c t m a p 模式( s l a v es e l e c t m a pm o d e ) 、边界扫描( b o u n d a r y - s c a nm o d e ， 即j t a g ) 。 v i r t e x - - i i 系列程序配置方式是由外部功能引脚m 2 、m 1 和m 0 所决定 的，具体说明见表2 1 。 表2 1v i r t e x - - i i 配置方式管脚设置表 配置方式m 2m lm oc c l k 方向 主串模式 000 输出 从串模式 ll 1 输入 主s e l e c t m a p 模式 0l1输出 从s e l e c t m a p 模式 l10 输入 边界扫描 l o 1 无关 2 4 3 2f p g a 电路设计 本系统中，采集控制板上采用的f p g a 是x i l i n x 公司的 x c 2 v 1 5 0 0 - 4 f g 6 7 6 。它属于n e x 一系列的产品，内置1 5 0 万系统门；b g a 封装；6 7 6 个管脚，其中可用i o 管脚3 9 2 个，分成7 块管理：最高时钟可 达4 2 0 m h z ；核心电压1 s v ，i o 电压3 3 v 。由于要在f p g a 内对接收的原 始数据做波束形成，实时的形成2 1 个波束，这就要求f p g a 要有很强的运算 能力以及一定的数据存储空间。我们选用的这个f p g a 有很强的运算能力， 它内部集成1 8 b i t x1 8 b i t 的乘法器，而其内部的4 0 b l o c k1 8 k 的r a m 更是提 供了一个很大的内部r a m 存储器，符合设计要求。 在本系统中，我们对x c 2 v 1 5 0 0 4 f g 6 7 6 采用的程序配置方式是主串模 式( m a s t e r - - s e r i a lm o d e ) 。主串模式的一般配置图如图2 1 8 所示。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 8 主串模式的配置图 在主串模式里，管脚c c l k 作为输出管脚。v i r t e x - - i i 系列的f p g a 用 这个管脚去驱动串行p r o m 的时钟，使得串行数据一位一位地进入d i n 管脚， f p a g 在c c l k 的上升沿接收数据。一片f p g a 配置完毕后，保持在该片f p g a 的d o u t 管脚上的数据通过菊花链，在c c l k 的下降沿传给下一片f p g a t “1 。 这里的串行p r o m ，我们选用x i l i n x 公司的x c f 0 8 p 。它低功耗；能擦 写2 0 0 0 0 次；内部电压要求1 8 v ，i o 电压3 3 v 。x c 2 v 1 5 0 0 的配置位长是 5 6 5 9 2 9 6 b i t ，x c f 0 8 p 配置位的容量是8 3 8 8 6 0 8 b i t ，大于x c 2 v 1 5 0 0 的配置位， 满足存储要求。 2 4 4d s p 2 4 _ 4 1d s p 简介 实时信号处理的核心与标志是数字信号处理器。白第一个微处理器问世 以来，处理器技术得到了十分迅速的发展，而f f t 算法的提出促进了专门实 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 现数字信号处理的一类微处理器的分化和发展。 数字信号处理有别于普通的科学计算与分析，它强调运算处理的实时性， 因此d s p 除了具备普通微处理器所强调的高速真难得能力和控制功能外，针 对实时数字信号处理，在处理器结构、指令系统、指令流程上都作了很大改 动。其结构特点如下： 1 ) d s p 普遍采用了数据总路线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈 佛结构，比通用处理器的冯诺伊曼结构有更高的指令执行速度； 2 ) d s p 大多采用了流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元完成 取指、译码、取操作数、执行等多个步骤，不同功能单元可以同时运行。这 样可以在不提高时钟频率的条件下减少每条指令的执行时问； 3 ) 针对数字信号处理中常用的滤波、相关等运算中需要进行大量乘累加 运算的特点，d s p 大都配有独立的硬件乘法器和加法器，使得同一时钟周期 内可以完成相乘、累加两个运算，这样使得许多数字信号处理的运算速度大 大加快； 4 ) 许多d s p 硬件支持循环寻址、位反转寻址等特殊寻址方式，可以提 高卷积、相关、f f t 等常用数字信号处理方法的实现效率： 5 ) 当前的许多新型d s p 内部具有多条总线，可以同时进行取指和多个 数据存取操作，并且具有寻址专用的辅助寄存器，可以大大提高存取操作的 效率；同时配置有多通道d m a 控制器，使得数据传输更高速快捷。 目前，国际上通用可编程数字信号处理器种类丰富，在国民经济各领域 和军事领域得到了广泛应用。主要的通用可编程数字信号处理器生产商主要 包括a d 、t i 、m o t o r o l a 等几个公司，它们的产品线都很丰富。此外，还有一 些厂商致力于专用d s p 产品、可重用的d s p 核的研发和生产，比如l s i l o g i e 、 d s pg r o u p 、3 d s p 、a g e r es y s t e m s 等公司，其产品在嵌入式、手持设备以及 各种专业领域应用也很广泛。 那么在设计时如何来选择d s p 呢? 一般来说主要根据以下几个因素： 1 ) 速度：d s p 速度一般用m i p s 或f l o p s 表示，即百万次，秒钟。根据 您对处理速度的要求选择适合的器件。一般选择处理速度不要过高，速度高 的d s p ，系统实现也较困难； 2 ) 精度：d s p 芯片分为定点、浮