（信号与信息处理专业论文）基于dspbuilder技术的轨道信号检测的研究与实现.pdf

摘要 基于d s p b u i l d e r 技术的轨道信号检测的研究与实现 作者简介：吴永辉，男，1 9 8 0 年4 月出生，师从于成都理工大学罗省贤教授，2 0 0 8 年1 2 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得硕士学位。 摘要 铁路轨道信号作为列车与地面指挥系统之间通信的载体，承载着列车行驶所需要 的各种测控信息，是列车安全可靠运行的关键，必需实时检测它的各项参数是否正常。 轨道信号是移频键控( f s k ) 信号，是由轨道电路的低频控制信息调制高频载波频率 而产生的已调信号，其频率代表了要传送的数字信号。检测轨道信号的目的就是要找 出其中心频率f o 、上边频频率f h ( f o + f ) 、下边频频率f l ( f o a f ) 、低频调制信号 的频率、幅度、电压和电流等，从而判断出铁路轨道通信系统的质量，以便及时有效 的维护各种发送和接收设备。 在深入研究了轨道信号特点和检测内容的前提下，本文比较了过去的脉冲检测法 和当前基于通用d s p 芯片的检测方法的优缺点并结合本课题的研究实践提出了一套 实现轨道信号检测的新方法。该方法就是使用m a t l a b 工具软件设计和仿真信号处理算 法、以f p g a 芯片支持的相应算法子电路即d s p b u i l d e r 组件作为硬件中间层，在f p g a 芯片中实现轨道信号检测电路。因为每款通用d s p 芯片的各项性能和参数指标都是固 定不变的，所以开发基于通用d s p 芯片的检测平台大多数情况下要重复地经过做电路 板、编制程序来仿真整体算法模型的过程。而使用m a t l a b 工具软件和d s p b u i l d e r 组 件来开发测试平台就避免了上述的重复过程，其便捷性在于m a t l a b 软件中的算法可无 限制的修改、f p g a 芯片中的资源可重组配置。试验证明这样的方法具有很好的可行 性和实用性，对以轨道信号代表的数字信号的处理都具有重要的指导意义和实用价 值。 ， 为了保证上述方法的正确性和可实施性，本课题建立了检测轨道信号频率所需的 数字信号处理的理论模型：抽样、数字滤波、f f t 算法和频谱重抽样等，同时对实现 这些理论模型的相关技术都做了一一的验证。这些技术包括：在m a t l a b s i m u l i n k 中调 用d s p b u i l d e r 组件设计和仿真抽样、数字滤波、f f t 算法模块；集成各仿真模块；将 设计文件转换成硬件描述语言；利用f p g a 开发设计软件编译描述语言和生成算法电 路连接库；在f p g a 芯片中为电路连接数据库布局布线等，将信号处理电路设计为嵌 入式系统的子器件；利用f p g a 芯片特有的s o p c b u i l d e r 工具设计嵌入式系统并把整 个系统映射到f p g a 芯片中； 在嵌入式系统上编程实现边频查找、电流电压计算和 成都理工大学硕士学位论文 人机交互界面。本文利用这些理论和技术搭建了一个测试平台，为利用m a t l a b 下的 d s p b u i l d e r 组件设计和实现数字信号处理提供了应用实例。 使用搭建好的测试平台检测多组模拟的轨道信号均获得了较好的测量效果，该测 试平台的大部分参数都满足性能指标的要求，进一步完善后能够用于实际的铁路轨道 信号检测。 关键词：轨道信号检测；d s pb u i l d e r ；f f t 算法；i i r 数字滤波器；s o p c i l a b s t r a c t 一_ _ 一 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h et r a c ks i g n a l d e c t e c i o n b a s e do nd s p b u i l d e rt e c h n o l o g y i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：w uy o n g h u i ，m a l e ，w a sb o r ni nm a r c h ，19 8 0 w h o s et u t o r w a sp r o f e s s o rl u os h e n g x i a n h eg r a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi n s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e d t h em a s t e rd e g r e ei nd e c m b e r , 2 0 0 8 a b s t r a c t a sac o m m u n i c a t i o nc a r r i e rb e t w e e nt h et r a i na n dt h eg r o u n dc o n t r o ls y s t e m ，t h e r a i l r o a dt r a c ks i g n a lc a r r i e sv a r i o u sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o li n f o r m a t i o nt h a ti sn e c e s s a r yf o r t r a i n sr u n n i n g ，a n da l s oi tp l a y sac r u c i a lr o l eo fe n s u r i n gt h et r a i n ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t y , s or e a l t i m em o n i t o r i n gi sn e e d e dt oc h e c ko u tw h e t h e ri t sp a r a m e t e r si sn o r m a l t h e r a i l r o a dt r a c ks i g n a li sf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ( f s k ) s i g n a la n d i tr e s u l t sf r o mt r a c kc i r c u i t s l o wf r e q u e n c yi n f o r m a t i o nm o d u l a t e sh i g hf r e q u e n c yc a r d e r ，i t sf r e q u e n c yr e p r e s e n t st h e d i g i t a ls i g n a lw h i c hw i l lb et r a n s m i t t e d t h em a i np u r p o s ei st of i n do u ti t sc e n t e rf r e q u e n c y f o ，u p s i d ef r e q u e n c yf h ( f 0 + a f ) ，u n d e r s i d ef r e q u e n c yf i ( f 0 一a f ) ，t h e l o wf r e q u e n c y m o d u l a t e ds i g n a l ，t h es c o p e ，t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n ta n ds oo n a c c o r d i n gt ot h e s e p a r a m e t e r sw ec a nj u d g et h er a i l r o a dt r a c kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sq u a l i t y , t h u sw ec a n m a i n t a i nt h es e n da n dr e c e i v ee q u i p m e n t se f f i c i e n t l ya n dt i m e l y u n d e rt h ep r e m i s eo fd e e ps t u d yo ft r a c ks i g n a l sc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t e n t ，t h i s t h e s i sh a sr e f e r e n c e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft w od e t e c t i n gm e t h o dt h a tb a s e d o nt h eg e n e r a ld s pc h i pa n dp u l s e ，h a sp r o p o s e dan e ws i g n a ld e t e c t i o nm e t h o dt h a t a s s o c i a t e dw i t ht h ea u t h o r sr e s e a r c ha n dp r a c t i c e t h i sm e t h o du s e st h es o f t w a r et o o l m a t l a bt od e s i g na n ds i m u l a t es i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h ma n dr e a l i z e st h ec o r r e s p o n d i n g s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ti n t h ef p g ac h i pw i t ht h ec o n v e c t o ro fd s p b u i l d e rm o d u l e b e c a u s ee a c ho ft h eg e n e r i cd s pc h i p s p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n dp a r a m e t e r sa r ef i x e d ，s o t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fp l a t f o r mb a s e do nt h eg e n e r a ld s pc h i pi sr e p e a t e di nm o s t s i t u a t i o n sl i k em a k i n gc i r c u i tb o a r da n dp r o g r a m m i n gt os i m u l a t et h em o d e lo fw h o l e a l g o r i t h m b u tt h ed e v e l o p m e n to f t h et e s t sp l a t f o r mw i t hm a t l a bs o f t w a r ea n dd s p b u i l d e r c o m p o n e n t sa v o i dt h ea b o v e r e d u n d a n tp r o c e s s ，i t sc o n v e n i e n tl a y si nt h a ta l g o r i t h m si nt h e m a t l a bs o f t w a r ec a nb em o d i f i e dw i t h o u tl i m i ta n dr e s o u r c e si nt h ef p g ac h i pa r ep o s s i b l e t or e o r g a n i z e t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a ts u c hm e t h o dh a sv e r yg o o df e a s i b i l i t ya n d 1 1 1 u s a b i l i t y a n dt h ea u t h o rt h i n k st h a ta l lt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi n s t e a do f t r a c ks i g n a l w i l lg e tb e n e f i tf r o mt h i sm e t h o d t oe n s u r et h ea c c u r a c ya n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea b o v em e t h o d s ，t h i st h e s i sh a s d i s c u s s e di nd e t m lt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r e t i c a lm o d e lw h i c hi sn e e d e dt o t e s t t r a c ks i g n a l 行e q u e n c yi n c l u d es a m p l i n g ，d i g i t a lf i l t e r , f f ts p e c t r u m ，r e s a m p l i n ga l g o r i t h m a n ds oo n a tt h es a m et i m et h ea u t h o rh a sd e v e l o p e dat e s tp l a t f o r mt op r o v et h er e l a t e d t h e o r e t i c a lm o d e l t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d ec a l l i n gd s p b u i l d e rc o m p o n e n t st od e s i g n a n ds i m u l a t es a m p l i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，f f ta l g o r i t h mm o d u l ei n t h em a t l a b s i m u l i n k ， r e s t r u c t u r i n gt h es i m u l a t e ds u b m o d u l ea saw h o l ea l g o r i t h m ，t r a n s l a t i n g t h ed e s i g n e d d o c u m e n ti n t oh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( h d l ) ，c o n v e c t i n gh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g et oc i r c u i tc o n n e c t i o nd a t a b a s ei nt h ef p g ad e v e l o p m e n t a n dl a y o u t i n gw i r i n gf o r c i r c u i tc o n n e c t i o nd a t a b a s ei ns o f t w a r eq u a r t u si i ，d e s c r i p t i n gt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t f o ro n eo fe m b e d d e d s y s t e md e v i c e s ，u s i n gs o p c b u i l d e rt od e s i g ne m b e d d e ds y s t e ma n d m a p p i n gt h ee n t i r es y s t e mi n t ot h ef p g ac h i p ，p r o g r a m m i n gt h es y s t e mt oa c h i e v et h e s e a r c ho fs i d ef r e q u e n c ya n dc a l c u l a t i o no fc u r r e n ta n dv o l t a g ea n dm a n a g e m e n to f m a n 。m a c h i n ei n t e r f a c e t h i st h e s i su s e dt h e s et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e st o b u i l dat e s t p l a t f o r ma n dp r o v i d e da na p p l i c a t i o no fu s i n gt h ed s p b u i l d e rc o m p o n e n t so fm a t l a b t o d e s i g na n d r e a l i z ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g w eh a dd e t e c t e ds e v e r a ls i m u l a t e dt r a c ks i g n a l st h r o u g ht h i s e s t a b l i s h e dt e s t i n g p l a t f o r m ，a n dt h er e s u l tw a ss a t i s f i a b l e m a j o r i t yo ft h ep a r a m e t e r so ft h i sp l a t f o r mc a n m e e to u rr e q u i r e m e n t sa b o u tp e r f o r m a n c ei n d e x ，a n dt h i sp l a t f o r mc a nb eu s e di nt h ea c t u a l r a i l r o a dt r a c ks i g n a ld e t e c t i o na f t e re n h a n c e m e n ta n dm e l i o r a t i o n k e yw o r d s ：t r a c ks i g n a ld e t e c t i n g ，d s p b u i l d e r ，f f ta l g o r i t h m ，i i rd i g i t a lf i l t e r ，s o p c i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者导师签名： 学位论文作者签名：娶 戮j 反 伽子年i 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理兰太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲弛彳埘” 第1 章前言 第1 章前言 信号处理是研究怎样对含有信息的信号进行处理以获得人们所希望的信 号，从而达到提取信息、便于利用的一门学科。因为多数科学和工程中遇到的 是模拟信号，所以以前都是研究模拟信号处理的理论和实现，但是模拟信号处 理精度低、受环境影响较大、可靠性差且不灵活f l l 。随着大规模集成电路以及 数字计算机的飞速发展，加之上世纪6 0 年代末以来数字信号处理理论和技术 的成熟和完善，用数字方法来处理信号已逐渐取代了模拟信号处理。另一方面 可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步，从早期的只能 完成简单逻辑功能到能完成中大规模的数字逻辑功能，到今天已经发展成为可 以实现超大规模组合逻辑与时序逻辑的可编程逻辑器件。新一代的现场可编程 门阵列器件( f p g a ) 甚至集成了中央处理器( c p u ) 和数字处理器( d s p ) 内核，能在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ， s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。同时，支持数字信号 处理的软件工具的发展也毫不逊色，m a t hw o r k s 公司于19 8 2 年推出了功能强 大的可视化计算机高级语言m a t l a b ，随着版本的不断升级，m a t l a b 的数 字信号处理工具几乎包含了当今主流的数字信号处理模型，广泛应用于语音处 理、图像处理、雷达、航天航空、通信、生物工程等领域。为了整合可编程 逻辑器件和m a t l a b 软件工具在数字信号处理领域的优势，业界先锋企业 a l t e r a 公司推出d s pb u i l d e r 组件，可作为m a t l a b 的一个工具箱被m a t l a b 的仿真工具调用生成数字信号处理算法模型，被验证的正确的算法模型能生成 硬件描述语言( v h d l ) ，再转换成能在可编程逻辑器件中实现的电路。这样 的设计方法为数字信号处理的设计与实现创造了一种全新的模式，势必引领信 号处理领域的发展。 1 1 选题依据 1 1 1 轨道信号作用及其特点 铁路轨道电路由发送设备、钢轨和接收设备组成，其作用是在地面设备与 车载设备之间传输各种监控信号，并用来实现断轨检查。轨道电路是列车运行 控制系统的主要设施之一，列车安全可靠运行的关键就是轨道电路的稳定可 靠，所以实时检测轨道电路至关重要。轨道信号是移频键控( f s k ) 信号，是 由轨道电路的低频控制信息调制高频载波频率而产生的已调信号，其频率代表 1 成都理t 大学硕士学位论文 了要传送的数字信号，所以轨道信号的正常与否直接代表了轨道电路的好坏， 对轨道电路的检测就转换成了对轨道信号的检测。检测轨道信号的目的就是要 找出其中心频率f o 、上边频频率f h ( f o + f ) 、下边频频率f i ( f o a f ) 、低频 调制信号的频率、幅度、电压和电流等，从而判断出轨道电路的质量，使轨道 电路得到及时有效的维护。 1 1 2 研究d s p b u i l d e r 技术的意义 d s p b u i l d e r 是一个图形化的d s p 算法开发环境，集成了多种d s p 算法组 件或者称为d s p 算法函数库，用户可以在m a t l a b s i m u l i n k 下调用这些组件做 数字信号处理算法设计和仿真，从而在计算机图形界面下直接验证目标算法的 正确性。d s p b u i l d e r 的组件s i g n a l c o m p l i e r 还能将验证后的算法设计文件转换 成硬件描述语言( v h d l ) ，而这样的语言文件j 下好描述了在现场可编程门阵 列( f p g a ) 芯片中相应算法的电路。 目前绝大多数实时信号处理是在通用d s p 芯片的平台下用循环程序来实 现的，如果要求的运算速度和精度都很高，普通的d s p 芯片就不能满足要求 了，但是同样成本的人规模可编程逻辑门阵列芯片可以很好地满足这种要求。 通过对门阵列：卷片编程可实现d s p 算法电路，因为门阵列的规模大，所以生 成的d s p 算法电路的个数也很多，多个这样的算法电路结合在一起就相当于 多个d s p 芯片协同工作。当今大量的f p g a 芯片内部嵌入了多个时钟锁相环 ( p l l ) 、高速r a m 块、l v d s 、l t t l 、硬件乘法器等d s p 处理块。用f p g a 来实现数字信号处理可以很好的解决并行性和顺序性的矛盾，直至速度问题， 而且具有灵活的可配置性使得由f p g a 构成的d s p 系统非常易于修改、测试 和升级。 由此可见，与通用d s p 芯片平台下的信号处理相比，基于d s p b u i l d e r 技 术的信号处理具有以下优点： ( 1 ) 能在图形界面下仿真和验证目标算法； ( 2 ) 验证后的算法可直接做成电路，避免了大量的算法编程和调试； ( 3 ) 灵活的重配置性使得系统非常易于修改、测试和升级。 1 2 论文研究的内容及创新点 本文对轨道信号的特点以及轨道信号的检测方法做了深入分析和研究， 提出了利用m a t l a b 做高级算法仿真，d s p b u i l d e r 工具作为中间构件，在f p g a 芯片中实现电路对轨道信号检测的方法，并应用这个方法制作了实验平台检测 2 第1 章前言 模拟轨道信号。另外，轨道信号检测方法能够应用到其他的信号处理场合，从 而为数字信号处理提供了一套新颖的方法。搭建的实验平台也依然具有广泛的 应用性，因为f p g a 芯片中d s p 处理模块可以容易地配置成新的信号处理器。 1 2 1 论文研究内容 本课题研究的主要内容包括： 1 ) 轨道信号的特性 2 ) 检测轨道信号的基本理论 ( 1 ) 信号抽样 ( 2 ) 数字滤波器 ( 3 ) f f t 算法 ( 4 ) 频域数字信号重抽样 ( 5 ) 多区域频率点查找 3 ) 检测轨道信号的实现技术 ( 1 ) 实现信号处理的硬件芯片 ( 2 ) 软件工具 ( 3 ) 抽样接口时序电路设计 ( 4 ) 利用d s p b u i l d e r 技术创建8 阶i i r 滤波器模型 ( 5 ) 利用d s p b u i l d e r 技术创建4 0 9 6 点f f t 运算模型 ( 6 ) 利用s o p c 技术创建嵌入式系统 ( 7 ) 转换数字信号处理模型和嵌入式系统软核到f p g a 芯片中 4 ) 检测平台的搭建，即数字信号处理模块和嵌入式系统的重构 1 2 2 论文创新点 ( 1 ) 利用d s p b u i l d e r 和s o p c 技术搭建了轨道信号检测平台 ( 2 ) 针对轨道信号的特点利用硬件电路实现了数字信号处理 成都理工人学硕士学位论文 第2 章轨道信号检测相关技术 2 1m a t l a b 仿真技术 m a t l a b 仿真软件自19 8 4 年由美国的m a t h w o r k s 公司推出以来，已越 来越引人注目，1 9 9 3 年后又相继推出了m a t l a b 4 x 、m a t l a b 5 x 等基于 w i n d o w s 系统的版本，因此可以充分利用w i n d o w s 系统资源。m a t l a b 现己成为国际上公认的最优秀的数值计算和仿真分析软件。其软件包的主要特 点有：1 ) 它是一种解释性语言，它采用了工程技术的语言，几乎与数学表达 式相同，语言中的基本元素是矩阵，它提供了各种矩阵的运算和操作，并且具 有符号计算、数学和文字统一处理、离线和在线计算等功能；2 ) 具有较强的 绘图功能，计算结果和编程可视化；3 ) 具有很强的丌放性，针对不同的应用 学科，在m a t l a b 之上，推出了三十多个应用的工具箱。 s i m u l i n k 是m a t l a b 软件的一个工具箱，是一个用来对动态系统进行 建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系 统，也支持具有多种采样频率的系统。在s i m u l i n k 环境中，利用鼠标就可 以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了 方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像纸上作画一样容易。它 与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵 活的优点。s i m u l i n k 包含有s i n k s ( 输入方式) 、s o u r c e ( 输入源) 、l i n e a r ( 线性环节) 、n o n l i n e a r ( 非线性环节) 、c o n n e c t i o n s ( 连接与接口) 和e x t r a ( 其他环节) 子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模 块，用户也可以定制和创建用户自己的模块。 用s i m u l i n k 创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下 或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级丌始观看模型，然后用鼠标双 击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个 模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之问的相互关系。在定义完一 个模型后，用户可以通过s i m u l i n k 的菜单或m a t l a b 的命令窗口键入命令 来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一 大类仿真非常有用。采用s c o p e 模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时， 就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后迅速观查系统中发 生的变化情况。仿真的结果还可以存放到m a t l a b 的工作空间里做事后处理。 4 第2 章轨道信号检测相关技术 2 2d s p 技术 数字信号处理( d i g i t a ls i n g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 是一门涉及许多学 科而又广泛应的技术。2 0 世纪6 0 年代以来，随着信息技术的迅速发展，数字 信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信 号处理技术已经在许多领域里得到极为广泛的应用【3 】。 数字信号处理就是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采 集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，从而得到符合人们需要的 信号形式。数字信号处理技术包括两个方面：数字信号处理理论和数字信号处 理的实现技术。 数字信号处理理论经过4 0 年的发展已经形成了比较完善的理论体系。主 要内容有： ( 1 ) 信号的采集( a d 技术、抽样定理、多抽样率、量化噪声分析等) ； ( 2 ) 离散信号的分析( 时域及频率分析、多种变换技术、信号特征的描 述等) ： ( 3 ) 离散系统分析( 系统的描述、系统的单位冲激响应、转移函数及频 率特性等) ； ( 4 ) 信号处理中的快速算法( 快速傅里叶变换、快速卷积与相关等) ； ( 5 ) 信号的估值( 各种估值理论、相关函数与功率谱估计等) ： ( 6 ) 滤波技术( 各种数字滤波器的设计与实现) ； ( 7 ) 信号的建模( 最常用的是a r ，m a ，a r m a ，p r o n y 等各种模型) ； ( 8 ) 信号处理中的特殊算法( 如抽取、插值、奇异值分解、反卷积、信 号重建等) 。 数字信号处理的实现技术，大体上有以下几种方法： ( 1 )在通用的微计算机上用软件实现； ( 2 )用单片机来实现； ( 3 )利用专门用于信号处理的可编程d s p 芯片来实现； ( 4 )利用特殊用途的d s p 芯片实现； ( 5 )用f p g a 等可编程阵列产品丌发a s i c 芯片实现数字信号处理算法； ( 6 ) 在通用的计算机系统中加上加速卡来实现。 2 3f p g a 技术 f p g a ( 现场可编程门阵列) 是可编程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻 5 成都理工大学硕士学位论文 辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几万块通用i c 芯片，这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件，这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广 泛关注和普遍欢迎【5 】。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程 逻辑器件，比较典型的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的f p g a 器件系列，它们开发较早，占用了较大的p l d 市场。通常来说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在日本和亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。全球 p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的，基本上由a l t e r a 和x i l i n x 共同决定了p l d 技术的发展方向。 采用查找表( l o o k u p t a b l e ) 这种结构的芯片也可以称之为f p g a ，如a l t e r a 的a c e x ，a p e x 系列，x i l i n x 的s p a r t a n ，v i r t e x 系列等。查找表( l o o k u p t a b l e ) 简称为l u t ，l u t 本质上就是一个r a m 。目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ， 所以每一个l u t 可以看成一个有4 位地址线的16 x 1 的r a m 。当用户通过原 理图或h d l 语言描述了一个逻辑电路以后，f p g a 丌发软件会自动计算逻辑 电路的所有可能的结果，并把结果事先写入r a m ，这样每输入一个信号进行 逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 表2 1 说明了查找表结构的原理，描述了逻辑式f = a 木b 木c 木d 。a ，b ，c ，d 由f p g a 芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连接到l u t ， l u t 中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然 后输出，这样组合逻辑就实现了。 表2 1查找表结构原理 a 、b 、c 、d 输入地址r a m 中存储内容逻辑输出f 0 0 0 00 0 0 000 0 0 0 10 0 0 10 o 1 1l l1 1l 1l1 现代大容量、高速度的f p g a 一般都内嵌有可配置的高速r a m 、p l l 、 l v d s 、l v t t l 以及硬件乘法器等d s p 模块。用f p g a 来实现数字信号处理 可以很好地解决并行性和顺序性的矛盾，直至速度问题，而且其灵活的可配置 特性，使得f p g a 构成的d s p 系统非常易于修改，易于测试及硬件升级。与 传统数据处理方法不同，d s p 采用了高度流水线化的并行操作，而f p g a 结构 则可以做得更好，达到更高的性能。f p g a 具有成千上万的查找表和触发器， 因此f p g a 平台可以更低的成本达到比通用d s p 更快的速度。例如，目前的 6 第2 章轨道信号检测相关技术 两百万门f p g a 可达到每秒1 2 8 0 亿m a c 的性能，比目前最快的d s p 性能还 要高一个量级。 2 4d s p b u i l d e r 技术 在利用f p g a 进行d s p 系统的丌发应用上，已有了全新的设计工具和设 计流程【6 1 。d s pb u i l d e r 就是a l t e r a 公司推出的一个面向d s p 开发的系统级工 具。d s pb u i l d e r 作为m a t l a b s i m u l i n k 中的一个工具箱，使得用f p a g 设计 d s p 系统完全可以通过s i m u l i n k 的图形化界面进行，只要简单地进行d s p b u i l d e r 工具箱的模块调用即可。值得注意的是，d s pb u i l d e r 中的d s p 基本模 块是以算法级的描述出现的，易于用户从系统或者算法级进行理解，甚至不需 要十分了解f p g a 本身和硬件描述语言。 这种方法的优势是，为了使硬件系统有最理想的工作效率，设计者可以根 据d s p 算法模型的特征设计自己的d s p 硬件系统，即所谓的“硬件设计”；而 传统的d s p 开发中，是不可能进行这种“硬件设计”的，开发者只能被动地跟 随和使用市场上已有的d s p 器件，无法根据既定的设计系统的技术指标要求、 结构特点、未来的硬件升级可能性等必要因素选择自己的d s p 硬件系统【6 】。一 旦确定了某种d s p 器件，则将来对应系统的几乎所有硬件特性即被随之确定 下来，因为面对既定的d s p 器件，其外围的硬件模块只能根据该主系统器件 的结构特征来配备和连接，包括a d 、d a 。设计者几乎不可能对此提出或实 践自己的硬件结构创新设计以达到硬件性能的突破，而只能被动地遵循。设计 者惟一能发挥自己才智的地方是为此系统进行软件设计。然而，软件只能改变 系统的功能，不可能改变系统的硬件指标性能。显然，传统的d s p 设计，不 存在真实意义上的“硬件设计”，最多只能称为“硬件连接和拼装”，余下的只能 是软件设计了【6 】。但当软件设计完成后，若由测试发现系统的有关性能指标不 能达到预定的要求，设计者只能放弃现有的硬件方案而寻求其他d s p 器件。 相比之下，基于d s p b u i l d e r 技术的d s p 系统设计者的自由度要大得多， 可以更容易地去修改硬件设计方案，在同一块f p g a 中完成新的d s p 硬件系 统设计，直至满足要求。 2 5 嵌入式系统新技术( s o p c ) 可编程逻辑器件产生于2 0 世纪7 0 年代。其出现的最初目的是为了用较少 的p l d 品种替代种类繁多的各式中小规模逻辑电路。在4 0 多年的发展过程中， 7 成都理工人学硕士学位论文 p l d 的结构、工艺、功耗、逻辑规模和工作速度等都得到了重大的进步。尤其 是在2 0 世纪9 0 年代，出现了大规模集成度的f p g a ，单片的集成度由原来的 数千门，发展到数十万甚至数百万门。芯片的i o 口也由数十个发展至上千个 端口。有的制造商还推出了含有硬核嵌入式系统的f p g a 。因此，完全可能将 一个电子系统集成到一片f p g a 中，即s o p c ，为s o c 的实现提供了一种简 单易行而又成本低廉的手段，极大地促进了s o c 发展l t l 。 s o p c 技术是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开 发软件q u a r t u si i 。s o p c 是基于f p g a 解决方案的s o c ，与a s i c 的s o c 解 决方案相比，s o p c 系统及其开发技术具有更多的特色，构成s o p c 的方案基 本都是在f p g a 芯片中置入i p 软核嵌入式系统处理器【7 1 。 目前最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a l t e r a 的n i o s 、n i o si i 核和x i l i n x 的m i c r o b l a z e 核。在开发工具的完备性方面、对常用的嵌入式操 作系统支持方面，n i o s 都优于m i c r o b l a z e o 。特别值得一提的是，通过m a t l a b 和d s pb u i l d e r ，或直接使用v h d l 等硬件描述语言设计，用户可以为n i o s 嵌入式处理器设计各类加速器，并以指令的形式加入n i o s 的指令系统，从而 成为n i o s 系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式系统融为一体。 2 6 国内外检测轨道信号采用的技术 国内外传统的轨道信号检测方法都是将已调信号整形成方波，在一定时间 内对方波数量计数，统计平均值计算出上下边频频率，但因为干扰的存在，信 号过零点漂移，就是同一边频整形出的方波宽度也不一样，所以检测出的频率 不精确。近年来，国外广泛地应用了基于d s p 技术的解调方式，但是系统要 求检测精度高、速度快，采用的d s p 芯片必须是高性能的，导致了大量使用 这种检测设备成本过高。为了节省运算时间、解决成本问题，国外还做了很多 算法改进，比如采用多相数字低通滤波器、频谱细化技术等。同样国内也迅速 跟进采用了d s p 技术解调，但是算法不如国外的好、处理速度也没有国外的 高。最近基于可编程逻辑门阵列的技术应用得很多，在其中实现d s p 算法电 路的方法也非常热门，所以可编程逻辑门阵列芯片的供应商抓住机会推出了 d s p b u i l d e r 技术，有大量的相关资料介绍，但是至今还没有看到过应用 d s p b u i l d e r 技术做轨道信号检测的实例或报道。 8 第3 章轨道信号检测系统总体设计 第3 章轨道信号检测系统总体设计 3 1 系统结构设计 轨道信号检测系统从结构上分为a d 采样单元、8 阶i i r 滤波器单元、4 0 9 6 点的f f t 运算处理单元、中央处理器以及专用于频谱数据暂存的存储器。如 图3 1 所示。 3 2 系统工作原理 图3 1 系统框架结构 a d 采样单元对外部模拟信号每秒采样18 0 0 0 个数据，采样数据进入8 阶 i i r 滤波器滤波，f f t 运算处理单元负责处理i i r 滤波器输出的数字量。检测 系统使用能在f p g