（水声工程专业论文）窄带跟踪滤波技术的应用研究及硬件电路实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h n i q u eo f t h es i g n a lp r o c e s s i n gi s # a y i n g 强e s s e n t i a lr o l ei nm o d e m o c e a ne x p l o i t a t i o n i no r d e rt oi m p r o v es n l lo n eo ft h em e t h o d si ss i g n a l - f i l t e r a st ot h en a r r o w b a n ds i g r l a l ，t h er e c e i v e rf i l t e xi sb e s tt ob ea sn a l _ r o wa sp o s s i b l e b u tt ot h ec wp u l s es i g n a lw i t hc h a n g i n gf i e q u c n c y ，i ti sd i f f i c u l t et or e a l i z e t r a c k i n gf i l t e f 硒t hc o n l n q o nn m r o w b a n df i l t e r t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fn a r r o w b a n dt r a c k i n gf i l t e rf o rd o p p l e rs p e e d l o go fg r e a td e p t hi sd i s c u s s e di n t h ep a p e r , c o n s i d e r i n gt h er e c e i v i n gs i v a s c h a r a c t e r i s t i c so fl o ws i g n a lt on o i s er a t i o ，w i d ef r e q u e n c yr a n g ea n dl l a r r o w b a n d w i d t h t h em e t h o do fs e a r c h i n ga n dt r a c k i n gc w p u l s es i g n a li sf i r s t l ys e tf o r t hi n t h ep a p e r , i n c l u d i n gs w e p tf r e q u e n c em e t h o da n da d a p t i v ef i l t e r t h e no v e r a l l d e s i g np l a na n dr e a l i z a t i o nf o r t h eh a r d w a r es y s t e ma r eg i v e n , a n dc h i p su s i n gi n e a c hm o d u l ea n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h i ss y s t e ma r ee x p l a i n e di nd e t a i l a tl a s t , t h es o f t w a r ep r o g r a m s 眦d e s i g n e d , a n dm a k ei tp o s s i b l et or e a l i z et h ef u n c t i o no f s e a r c h i n ga n dt r a c k i n gc wp u l s es i g l l a l k e yw o r d s ：c wp u l s e ；仃a c k i n gf i l t e r ；a d a p t i v ef i l t e r 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、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，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) ：显型坠 日期：伽7 年多月f 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 在人类居住的地球上，海洋的面积占7 0 利用与开发海洋长期以来就 是人类社会活动的重要内容。随着海洋开发技术的发展，水声信号处理技术 得到了长足的进步。同时，对于水声信号处理的要求也越来越高。 通常在水声信号处理中，信号不可避免地受到各种原因产生的高频低频 干扰，为了提高信噪比，常常要用到滤波器。在水声领域的某些测量情况下， 信号频率范围很大，在短时问内中心频率变化较慢，且带宽很窄，如多普勒 速度计程仪。对于大尺度多普勒计程仪，在测量时由于深度很大，致使信噪 比将会很低，影响测频精度。为了提高信噪比，得到频率变化的被测信号， 希望使用窄带滤波器，且其中心频率能跟随被铡信号频率的变化而变化，即 需要一个能够跟踪c w 脉冲信号的窄带滤波器。随着大尺度多普勒计程仪的 广泛应用，对于信噪比低、频率变化范围较大的信号的跟踪滤波就显得极其 重要。 对于常规的硬件窄带跟踪滤波器，如锁相环电路来说，在有信号的时间 段能够很好她跟踪信号，但是在没有信号输入的时间段就会失锁，因此无法 实现对c w 脉冲信号的跟踪滤波。 本文主要是针对大尺度多普勒速度计程仪的接收信号具有信噪比低，频 率范围很大，但带宽又很窄的特点，设计实现窄带跟踪滤波的硬件系统。 1 2c w 脉冲信号搜索与跟踪的基本原理 在声纳信号处理中，由于声纳与目标间的相对运动会使接收信号的波形 发生改交，表现为信号频率的偏移，称之为多普勒频移现象其计算公式为 善：f e f 其中，为发射信号的频率，1 ，为目标向声纳运动的径向速度，c 为声速 对于大尺度多普勒计程仪，由于接收到的信号的中心频率可能的范围很大， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这就给窄带滤波带来了很大的困难。本文将介绍以下两种方法来实现对c w 脉冲信号的搜索与跟踪。 1 2 1 搜索信号的频率扫描法 频率扫描法搜索信号是根据载体运动速度的可能范围来确定回波信号 中心频率的可能范围，将此范围的频率均分成若干个段，在每一频率段对信 号分别进行数字滤波，对滤波后的信号进行检测，检测到信号后，对应的频 率段则被认为回波信号在此频率段内。根据对频率段选取的不同，频率扫描 法又分为两种模式：窄带等步长跳频搜索模式和变带宽跳频搜索模式。 1 2 1 1 窄带等步长跳频搜索模式 这种模式是按照窄带滤波的频带要求，将频率范围进行划分，这样就可 以一次达到滤波精度要求。此方法原理简单，实现容易，但是由于将频率段 选的太窄，导致计算量很大，不易实时处理。 窄带等步长跳频搜索模式搜索信号的流程图如图1 1 所示。 图1 1 窄带等步长跳频搜索模式搜索信号的流程 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1 2 变带宽跳频搜索模式 该模式首先将频率范围分为若干个带宽较大的频率段，然后对每一个频 率段进行滤波，检测到信号的频率段则作为下一个搜索频率的搜索范围，缩 小带宽再将此范围进行划分，同样进行滤波、检测，以上过程重复进行。此 种方法相对于窄带搜索在原理上稍复杂，但是计算量却小很多 变带宽跳频搜索模式的流程图如图1 2 所示。 图1 2 变带宽跳频搜索模式搜索信号的流程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 2 搜索信号的自适应滤波法 自适应信号处理已经成为信号处理中一个重要领域。自适应滤波器有自 我调节的能力，以适应各种随机信号或不确知信号的状态。对于一般滤波器， 信号和噪声作为滤波器的输入，在统计意义下是可知的，而对于本文所研究 的中心频率未知的信号，则无法实现最优滤波。采用白适应系统进行有序的 搜索，以不断寻找最优值，可以达到比较理想的效果。 自适应滤波器就是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动的调 节现时刻的滤波器参数以适应信号和噪声未知的或随时间变化的特性，从而 实现最优滤波。 1 2 3 跟踪信号的基本方法 在实际应用中，由于载体与声纳之间的相对运动在短时间内变化不可能 很大。则多普勒频移的变化也不会很大，故接收到豹信号的中心频率变化不 会很大。因此，搜索到回波信号的频率后，进行跟踪就比较容易实现。 对于频率扫描法搜索到的信号，可以采用递归滤波法来实现对信号的跟 踪递归滤波法跟踪信号时滤波器的中心频率为 = 矾。+ 蜣。，其中， 为跟踪信号滤波器的中心频率，厶，为上次跟踪信号的滤波器的中心频率， 五为对信号的测频结果，a 、b 分别为系数，且满足a + b = l 。由于在短 时间内回波信号的频率变化不会很大，因此，递归滤波法能够实现在搜索到 的信号频率附近对频率不断变化的c w 脉冲信号的跟踪。 对于自适应滤波法，由于短时间内信号频率变化不是很大，因此可将搜 索到的信号作为参考信号，完成对信号的跟踪 1 3 论文主要工作 本文的主要内容是针对大深度的多普勒速度计程仪其接收信号具有信噪 比低，频率范围较宽，而信号带宽又较窄的特点，设计硬件系统实现对c w 脉冲信号的窄带跟踪滤波。主要工作包括： 1 ) 讨论分析c w 脉冲信号的搜索和跟踪方案； 2 ) 设计硬件电路并调试； 3 ) 编制软件程序，实现对c w 脉冲信号的窄带跟踪滤波。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章信号的数字滤波原理 2 1f i r 数字滤波器 对于差分方程为： m - in - i j ，( 七) = q x ( k - 0 一b , y ( k - 0 j o扣l 的线性时不变数字滤波器。删，其中，苫( ； ) 输入信号序列， 出信号序列，a j 和6 i 滤波器的系数。当系数6 卸时，即 m - i ) ，( j ) = q x ( k - 0 t - 0 贝i j 上式就是f i r 滤波器的差分方程。为了说明方便，我们常用 m - i y ( 蠡) = h , x ( k - 0 i = 0 来表示f i r 滤波器的差分方程。 f i r 数字滤波器的冲激响应h ( k ) 的z 变换为 月1 何( z ) = h ( k ) z 。 ( 2 - 1 ) y c k ) 瑚 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ； ( o ) + ( 1 ) z 一+ + 联n 1 ) 三枷_ ( 2 4 ) 则日瞳) 是z 。的撑一1 次多项式在：平面有万一1 个零点，在原点有万一1 个 重极点因为f i r 数字滤波器的单位冲激响应是有限长的，所以，它永远是 稳定的 f i r 数字滤波器具有以下几个特点； 1 ) 系统的单位冲激响应h ( k ) 在有限个k 值处不为零； 2 ) 系统函数h ( z ) 在| z i 0 出收敛，在f z l ) 0 处只有零点，有限z 平面只 有零点，而全部极点都在z = 0 处； 3 ) 结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f i r 滤波器可以采用图2 1 结构来实现。这种结构的滤波器。又称为横向 结构滤波器m 。 图2 1f i r 滤波器非递归横向结构 在数字滤波器中，f i r 滤波器具有如下几个优点： 1 ) 可以在幅度特性随意设计的同时，保证精确、严格的线性相位； 2 ) 由于f i r 滤波器的单位冲激响应h ( n ) 是有限长序列，因此f i r 滤波器 没有不稳定的问题： 3 ) 由于f i r 滤波器一般为非递归结构，因此在有限精度运算下，不会出 现递归型结构中的极限震荡等不稳定现象，误差较小。 2 2i i r 数字滤波器 。 i i r 滤波器差分方程的一般形式为： 灭) = q x ( 七一o + 岛y ( 七一f ) ( 2 - 5 ) 1 , 0j i j 若i i r 是因果的，并且是稳定的，其系统的冲激响应必须满足下列条件 l ) = o ， j | 0 宝帅i ( 2 - 6 ) 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 另外，由于实现l i p , 滤波器是一个有限数字网络，所以，其冲激响应h ( k ) 的z 变换日( z ) 应该用一个有理函数来表示，即 y 珥z 。 以垆驴办面i = 0 坪一 t i o 1 、1k 。叫 式中，q 和也是实数，而且4 。d 0 。一i 0 ，分子和分母之问不存在共同 因子。 i i r 数字滤波器具有以下几个特点： 1 ) 系统的单位冲激响应h 取) 是无限长的； 2 ) 系统函数h ( z ) 在有限z 平面上有极点存在； 3 ) 结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型的。 i i r 滤波器可采用图2 2 结构实现 图2 2i i r 滤波器递归型实现结构 2 3 自适应滤波器 2 3 1 自适应滤波器基本原理 自适应滤波器m 的基本原理如图2 3 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图中x 表示，时刻的输入信号值，) ，表示- 时刻的输出信号值，a u ) 表 示，时刻的参考信号值或所期望响应信号值，误差信号e 钐为矗彩与y 之差。 自适应数字滤波器的滤波参数受误差信号e 的控制，根据p 的值而自动调 整，使之适合下一时刻的输入船+ 夥，以便使输出y + 矽接近于所期望的参 考宿号鼬+ l l 。 d 伪 图2 3 自适应数字滤波器原理 自适应滤波器可以分为线性自适应滤波器和非线性自适应滤波器。非线 性自适应滤波器包括v o l t e r m 滤波器和基于神经网络的自适应滤波器。非线 性自适应滤波器具有更强的信号处理能力。但是，由于非线性自适应滤波器 的计算较复杂。因而实际用得最多的仍然是线性自适应滤波器。 2 - 3 2 最小均方算法 最小均方算法简称l m s ( 1 e a s tm p , a l ls q u a r e ) 算法。它是在线性自适应处 理中调整权值的一种最简单的算法。这种算法适合于非递归自适应滤波器或 线性组合器，不需要离线方式的梯度估值，因而是使用方便的重要算法。 自适应l m s 算法的信号流程如图2 4 所示。根据图示，可以得出l m s 算法的公式如下： w ( n + 1 ) = 矽( 力+ 搬( 力z ( 功( 2 一s ) 即w ( n + 1 ) = 矿( 帕+ 扎r ( 刀) 【d ( n ) 一矿( 珂) x ”( 疗) 】 = 【，一旃x ”( 帕矽+ u , v ( n l d ( 栉) ( 2 - 9 ) 8 哈尔滨工程大学顼士学位论文 其中，为单位矩阵，z “为单位延时算子，上角符号日表示复数共轭转 置。这里利用时间刀；o 的滤波系数矢量为任意的起始值阡) ，然后开始l m s 算法的计算，其步骤如下： ( 1 ) 由现在时刻行的滤波系数矢量估值矿( 妨，输入信号矢量x ) 以及期 望信号d ( 甩) ，计算误差信号： e ( 功= d ( n ) - x “( 挖) 形( 力( 2 q o ) ( 2 ) 利用递归法计算滤波器系数矢量的更新估值： 矽0 + 1 ) = 驴( 力+ 淞( 乔) x ( 以) ( 2 - 1 1 ) ( 3 ) 将时间指数刀增加l ，回到步骤( 1 ) ，重复上述计算步骤，一直达到稳 态为止。 图2 4 自适应l m s 算法流程 为保证自适应收敛性，其学习步长1 应满足下列条件： 0 i 1 2 1 a m( 2 1 2 ) 这里a 。为输入信号矢量x ( 行) 的相关矩阵的最大特征值。 2 3 3 自适应n o t c h 滤波器 自适应n o t c h 滤波器是针对信号已有先验知识情况下的，只有两个正交 权的窄带滤波器。其频率特性的陷波中心频率除等于外加的正弦或余弦频率 外，还随着它的改变而自动的修改滤波参数来对准，即自适应的跟踪。这种 滤波器的优点是很容易控制带宽，消噪声的能力没有限制，能够准确跟踪干 扰频率。 图2 5 是具有一对正交权的自适应n o t c h 滤波器。设输入信号为； 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 x(r)=j(f)+栉(f)(2-13) 其中s ( f ) 为窄带过程，其载频八f ) 在n o t c h 滤波器的通带内，一o ) 为噪声， r ( f ) 为一纯正的参考信号，其频率决定了n o t c h 滤波器的中心频率。对输入过 程及参考信号以周期f 进行同步采样，分别获得序列砸) ，j ( 七) ，t o ( k ) 。其 中 x ( k ) = a x c o s t o ( 的j + 磊】= 4c o s p o k + ( 纠 图2 5n o t c h 滤波器原理 其中 ( 七) = 【t o ( k ) 一t o o k r + 0 ( 七) = 4s i n t o o k ( 七) = 一，c o s t o o k 自适应运算采用l m s 算法，其学习迭代过程为： 形( | + 1 ) = 形( 七) + 2 # p ( 七) ( 七) 形( 量+ 1 ) = 配( 七) + 2 z p ( 七) ( 七) e ( k ) = x ( 七) 一j ，( 七) y ( 的= 形( t ) r i ( 七) + 彤( d ( d 经推导，可得该滤波器频率响应为： 砌咖器i t o2 慧 x ，z “a ： ( 2 1 4 ) 口 ) y ( 七) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 一i s ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中，幅频率响应为： h ( j o ) l _ ( 2 - 2 3 ) 滤波器带宽b w 为： 曰：丝删s ：r 一- - - r 2 矗 2 - 2 4 ) 当自适应达到平衡时，y ( 七) = x ( k ) ，从而有： m ) 一 s i n m )( 2 2 5 ) 睨( 七) = 圭c o s 妒( ) ( 2 - 2 6 ) 故有 船) - - 蝴器( 2 - 2 7 ) 由( 2 1 5 ) 式可知： ( 七) 一妒( 七一1 ) = 缈( 的- c o ( k - 1 ) k r + 【( j | - 1 ) - 】f ( 2 - 2 8 ) 假设输入信号的载频是缓慢变化的，则 一1 ) 兰功 ) ，上式右边第一项可以 忽略，( 2 2 8 ) 式简化为： 妒( 七) 一妒( 七一1 ) 兰p ( k ) - w o 】f ( 2 - 2 9 ) f ( k ) = 厶+ 【( | ) 一妒( | 一1 ) 1( 2 - 3 0 ) = l 一去 一器一一黜 由上自适应系统学习过程可知，当自适应n o t c h 滤波器的参考信号为一 单频率余弦波时，其陷波中心频率正好等于外加的余弦频率，随着外加频率 的改变，自动地修改滤波参数，可以自适应的跟踪对准它 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 4 自适应滤波器应用 在有些应用中，宽带有用信号中会混进周期干扰。因而不能得到不含有 用信号成分的外部参考输入信号。为了解决这个问题，讨论一种基于自适应 的预测技术。 若平稳随机信号的统计特性先验已知，则可用维纳预测滤波器，对其未 来值作出最小均方预测。 如果平稳随机信号的统计特性先验未知，可以使用自适应预测器。由自 适应横向滤波器构成的自适应预测器如图2 6 所示。 棚b 图2 6 自适应预测器 延迟后的信号x ( k j 作为自适应滤波的输入信号，自适应滤波器收敛 于最佳权系数矢量( 即维纳解) ，使其输出y 倒对未延时信号x f j ；) 有最小的均方 估计x 。这一最佳权系数矢量值复制成一从属滤波器，其结构与自适应滤 波器相同，用来直接处理未延时信号工倒，其输出可以得到斛时信号的最 佳预测值x ( k + j 。 图2 6 所示的不带从属滤波器的自适应预测器，可作宽带和窄带信号的 自适应信号分离器如果欲分离的窄带信号是单频正弦波，只要延时选择 足够长，宽带信号去相关，窄带信号不去相关，就可以把宽带和窄带信号分 离。把图2 6 所示的自适应预测器中的从属滤波器去掉，就成了信号分离器， 可以用它来分离宽带信号和窄带信号，如图2 7 所示。 设输入信号由宽带分量和窄带分量构成，由于宽带分量的自相关函数延 续期短，窄带分量的自相关函数延续期长，因此，延时使自适应滤波器的输 哈尔滨工程大学硕士学位论文 入信号中宽带分量与理想响应中的宽带分量变得不相关了，于是，信号的宽 带成分出现在误差信号中。而窄带成分并不因延时失去相关关系，于是，窄 带成分出现在自适应滤波器的输出端。 周期信号 宽 图2 7 自适应信号分离器 图2 7 所示的信号分离器可以进一步用作谱线增强器，其结构图如图2 8 所示。这种增强器可以检查因背景噪声湮没了的幅度很小的窄带信号。 图2 8 自适应谱线增强器 输入由一个正弦波加上噪声组成，输出为滤波器冲激响应的离散傅立叶 变换。当一个谱峰明显超过背景噪声时，即完全检测。 2 4 本章小结 本章首先对f i r 滤波器、i i r 滤波器的特性及实现方法作了介绍，着重 叙述了自适应滤波器的基本原理、基本算法，即l m s 算法。在本文中，采用 了自适应n o t c h 滤波器来实现对c w 脉冲信号的搜索与跟踪，因此对其原理 作了深入的分析最后介绍了自适应滤波器的几个典型应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计与实现 3 1 系统电路的总体结构 本文主要是针对大深度的多普勒速度计程仪其接收的信号具有信噪比低， 频率范围较宽，而信号带宽又较窄的特点，设计硬件系统实现对c w 脉冲信 号的窄带跟踪滤波。硬件电路总体结构如图3 1 所示。 图3 1 系统总体结构 下面将对各模块的设计作详细的讨论。 3 2 滤波模块设计 3 2 1 器件的选择 本系统的滤波模块，其功能是对接收的c w 脉冲信号进行滤波。其工作 原理如图3 2 所示： 对于滤波模块，其功能主要分为： 1 ) 对接收到的c w 脉冲进行宽带滤波，为避免滤掉有用信号，应将滤波 器的带宽设置的足够宽。 2 ) 当搜索到c w 脉冲信号时，对c w 脉冲进行窄带滤波。为了实现对c w 脉冲的频率跟踪，要求窄带滤波器的中心频率在线可调，即其频率可以随着 c w 脉冲频率的变化而变化。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 输 图3 2 滤波模块工作原理 根据上述所言，对于本系统的滤波电路器件的选择，最重要的因素是带 通滤波器的中心频率可调，以便完成对c w 脉冲的跟踪滤波。鉴于此，本系 统选用的是m a x 2 6 4 芯片，选用m a x 2 6 4 的另一个好处是当将它设为带通滤 波器时，其带宽也可以进行设置，故只需一片m a x 2 6 4 就可实现对c w 脉冲滤 波的宽带滤波器和窄带滤波器。 m a x 2 6 4 m 是m a x i m 公司推出的一种应用非常广泛的开关电容滤波器。 m a x 2 6 4 不需外部元件就能做成巴特沃兹、契比雪夫、贝塞尔等各种带通、 低通、高通、陷波、全通滤波器。该芯片性能优越，使用方便，最突出的优点是 滤波精确，设置方便，中心频率、q 和运行模式均可通过引脚编码输入进行选 择，而不必更换外部元件。和传统的r c 滤波器比较，避免了r 、c 元件选配的 麻烦。 m a x 2 6 4 的结构主要由两个独立的滤波单元、分频单元、岛逻辑单元、 q 逻辑单元及模式设置单元等电路组成。其结构如图3 3 所示。 该芯片具有： 1 ) 滤波器设计软件化； 2 ) 中心频率3 2 阶可控： 3 ) q 值1 2 8 阶可控； 4 ) q 值与f o 独立可编程； 5 ) f o 可达1 4 0 k i - i z ； 6 ) 支持+ 5 v 和+ 5 v - 5 v 两种供电方式。 等特性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3m a x 2 6 4 芯片结构 3 2 2m a x 2 6 4 原理及设计 在一个m a x 2 6 4 芯片上有两个相同的二阶滤波器a 和b ，通过对m o , m l 两 个管脚编程，可使芯片工作于4 种不同模式。简介各模式如下： 模式1 ：用于构成低通和带通滤波器以及低阶陷波滤波器。 模式2 ：和模式1 类似，用于构成低通和带通滤波器，不同之处是能获得更 高的q 值和更低的输出噪声。但：鼢， c l k f 0 的比值范围比模式l 小两倍，且不能 用于陷波滤波。 模式3 ：用于构成高通滤波器。 模式3 a ：用于构成高阶陷波滤波器。如椭圆滤波器。 模式4 ：是全通输出模式。也用于低通和带通滤波器，但增益和模式1 不同。 f 0 f 4 是用于选择时钟频率与滤波器中心频率的比值，从0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 共有3 2 种选择。其对应的 l b 的比值在模式l 、3 、4 为4 0 8 4 1 3 8 2 3 ，公式为疋 ，o 。吖n4 - 3 2 ) ，n 是n f 4 所表示的二进制数对应的十进制数值在模式2 为 2 8 9 8 9 7 7 4 ，f f f j f c w z f o 的比值除以2 。q o q 6 决定品质因数q 值，共有 1 2 7 种选择。其对应的q 值在模式l 、3 、4 为0 5 4 6 4 ，公式为q 喇( 1 2 s - n ) ， n 是q o q 6 所表示的二进制数对应的十进制数值。在模式2 为o 7 1 3 9 0 5 ， 公式为q = 9 0 5 i 0 2 8 - n ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在本系统电路中，m a x 2 6 4 主要是用于实现对c w 脉冲的带通滤波，采用 的是模式2 ，由外部时钟源提供时钟信号，+ 5 v 供电的工作模式。本电路采用 的是将2 个2 阶滤波器级联形成一个四阶带通滤波器，其电路结构如图3 4 所 示。 r 3 i n 图3 4 级联带通滤波器 其中，每个二阶带通滤波器公用同一个频率的时钟信号，各管脚的参数 配置相同。对于参数的配置和图3 4 中电阻阻值的确定，器件手册中列有详细 的计算方法，本文从略。 需要注意的是应在c l k a 、c l k b 脚用电容器耦合输入信号，否则将使芯 片发热。严重时将会损毁芯片。同时为了滤去泄漏的时钟信号和其它的杂波干 扰，在本电路中，又在带通滤波器的输出后面接了一级二阶低通滤波电路。其 电路如图3 5 所示。 图3 5 二阶低通滤波器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 数字信号处理电路设计 3 3 1 数字信号处理器的选择 设计d s p 应用系统时，d s p 芯片的选择决定进一步外围电路及系统其它 电路的设计。一般来说，选择d s p 芯片时考虑如下诸多因素：d s p 芯片的运 算速度( 这是选择d s p 芯片时所需要考虑的一个主要因素) ，硬件资源，开 发工具，功耗，以及封装的形式、质量标准、生命周期等。 芯片的选取首先确定系统的抽样频率。抽样频率对系统处理算法的实现 起着十分重要的作用，设计前应首先对系统的运算量有个初步的估算。根据 系统技术指标，系统采样率为1 0 0 k h z ，也就是每个周期的运算应该在1 0 u s 内完成，如果以单指令周期6 7 n s 计算，在a d 抽样的周期内，d s p 可执行 1 0 7 4 6 7 6 7 1 6 0 0 条指令，可以满足计算量的要求。 此外，还要考虑d s p 的一些片内资源能不能满足系统的需要，比如片内 存储器，串口资源，中断资源等等。 本系统的d s p 芯片选用的是t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 芯片。5 4 1 6 的一个指令周 期的时间最短是6 5 n s ，执行完本系统的程序运算所需要的时间可以在限定时 间内完成并有一定的冗余，另外t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 具有丰富的片内资源，完全 可以满足我们的数据存储，以及与各种外设的接口其次，使用d s p 5 4 1 6 其 供货渠道目前也比较稳定，并且其性能满足系统要求，本单位也已具有开发 t i5 4 x 系列d s p 的条件和经验，这对缩短研制周期具有重要意义。 3 3 2t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6d s p 简介 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 t 卅( 简称5 4 1 6 ) 是1 1 公司的c 5 4 xd s p 家族的成员之 一，它是基于先进的改进哈佛结构的1 6 位定点d s p ，拥有一条程序总线和 三条数据总线。片内集成有一个具有高度并行性的算术逻辑单元( a l u ) 、 专用硬件逻辑、片内存储器和片内外设等几部分。以下主要介绍5 4 1 6 的一些 主要特点： 先进的多总线结构：三条1 6 位数据总线和一条程序总线； 4 0 位桶形移位器和4 0 位累加器； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可寻址1 m x l 6 b i t 的程序空间； 1 6 k x l 6 b i t 的片内r o m 和1 2 8 k x l 6 b i t 的片内l h m ； 片内外设包括： 口软件可编程的等待状态发生器 口软件可编程的锁相环( p l l ) 口三个多通道缓冲串行口( m c b s p ) 口增强型8 位主机接口( h p l 8 ) 口一个1 6 位定时器 口六通道d m a 控制器 软件设置进入省电模式； 指令周期6 a s ( 1 6 0 m i p s ) ； 内核电压1 6 v ，i o 电压3 3 v 。 片内可屏蔽r o m 中固化有启动装载程序( b o o t l o a d e r ) 和中断向量 表等。系统上电时，b o o t l o a d e r 自动把用户代码从外部搬移到程序空间。 复位后，中断向量表可被重新映射到程序空间的任何页( 1 2 8 字) 的开始处。 为了与慢速的外设打交道，5 4 1 6 提供等待状态发生器。通过软件设置等 待周期的个数，不仅降低了系统硬件设计的复杂性，而且为系统带来了很大 的灵活性。 5 4 1 6 片内集成了软件可编程的锁相环时钟电路，它只需要一个参考时钟 输入，就可以得到3 1 种不同频率的输出时钟，最大的乘率因子( 在寄存器 c l k m d 中设置) 为1 4 ，最小的为o 2 5 。这样，一方面可利用较低频率的外 部时钟源产生较高频率的c p u 时钟，另一方面在不工作时可降低c p u 时钟 频率到外部时钟频率的1 4 ，从而降低c p u 功耗。 3 3 3 多通道缓冲串行口m c b s p 在本系统中，m e b s p 主要用于控制a d c 之间的数据传输，a d c 直接联 在5 4 1 6 的一个m e b s p 上。 5 4 1 6 提供了三个高速、全双工、多通道缓冲串行口( m c b s p ) ：m c b s p o 、 m c b s p l 、m c b s p 2 。利用这种串口，可以很方便的与系统中其它的c 5 4 x 设 哈尔滨工程大学硕士学位论文 备、编码解码器( c o d e c ) 和其它设备直接相连。m c b s p 是存在于c 2 x 、 c 2 0 x 、c 5 x 和c 5 4 x 设备中的标准串口的增强型版本。m c b s p ”具有以下一 些主要特点： 双缓冲发送与三缓冲接收数据寄存器，可保证数据流的连续； 接收与发送的帧信号( f r a m i n g ) 和时钟( c l o c k i n g ) 相互独立； 可直接与工业标准的c o d e c 、模拟接口芯片( 灿c ) 和其它串行a d c 和d a c 相连； 外部产生移位时钟，或内部可程控的移位时钟； 可接收和发送最多1 2 8 通道的数据； 串行字长可有多种选择：8 位、1 2 位、1 6 位、2 0 位、2 4 位和3 2 位； 帧同步和数据时钟的极性可程控； 内部时钟和帧的产生可完全程控。 m c b s p 通过7 个管脚为外部设备提供了数据通道和控制通道，如图3 6 所示。发送时，数据通过数据发送脚( d x ) 与接在m c b s p 上的设备进行通 信；接收时，数据则通过数据接收脚( d r ) 与接在m c b s p 上的设备进行通 信。控制信息通过c l k x 、c l k r 、f s x 和f s r 以时钟和帧同步的形式进行 通信，而所有这些时钟和帧同步。 信号都由外部的时钟输入c l k s 产生出来的。5 4 1 6 经由内部并行总线通 过1 6 位的控制寄存器与m c b s p 进行通信。 c p u 或d m a 控制器从数据接收寄存器( d r r 1 ，2 1 ) 读出接收数据，而 把发送数据写入数据发送寄存器( d x r 【1 捌) 写入d x r 1 ，2 】的数据通过发 送移位寄存器( x s r 【1 捌) 移出到d x 类似的，d r 脚上的接收数据首先移 入接收移位寄存器( r s r i ，2 】) ，接着数据拷贝到接收缓冲寄存器( r b r 【l 捌) 中，最后数据拷贝到d r r 1 ，2 】中，之后c p u 或d m a 控制器可从中读取数据。 这样就可保证内外部数据通信的及时性。 d r r 2 、r b r 2 、r s r 2 、d x r 2 和x s r 2 寄存器只有当接收，发送的字长 ( r x w d l e n 1 , 2 ) 超过1 6 位( 2 0 位、2 4 位和3 2 位) 时，才会利用上。 图3 6 中，控制部分包括内部时钟产生，帧同步信号产生及对二者的控 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制和多通道选择等几部分。控制部分可以向c p u 产生两个中断( 发送接收 中断) ，向d m a ( 直接存储器访问) 控制器提供两个事件信号( 发送接收 同步事件) 。 m c b s p 的时钟和帧信号均可由内部的时钟发生器产生。对c l k s r g 的 分频得到两个时钟：数据时钟( c l k g ) 和帧信号( f s g ) 。由这两个时钟信 号可产生b c l k r x 和b f s r x 。时钟发生器内部结构参见图3 7 。 图3 6 m c b s p 内部结构 图3 7 中，分频因子c u d 、r 和f w i d 位于时钟发生器寄存器s r g r l 中，f p e r 、c l k s m 、c l k s p 和g s y n c 位于寄存器s r g r 2 中。c l k s m 用于选择是c p u 时钟还是c l k s 驱动c l k s r g ；c l k s p 选择是c l k s 上升 沿还是下降沿产生c l k g 和f s g ；f w i d 加l 决定f s g 信号的有效期的脉 冲宽度；c l k g d v 和f p e r 两值加1 分别确定两个分频因子。 _ ，矗懈，j = 尼啪= 允粼( 1 + c l k g d ( 3 1 ) l r 弧l x = f 隅= l 啪| 堪f p e r ) 陬畎 篇嚣一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 = 缸 ( i + c l k g d v x i - i - f p e r ) 】( 3 - 2 ) 式中：，如懈，。串口接收，发射移位时钟频率，h z ； 后，。时钟发生器产生的数据时钟频率，h z ； 厶。，。串口接收发射帧信号频率，h z ； 厂脚时钟发生器产生的帧信号频率，h z 。 3 3 4 寻址方式 图3 7 时钟发生器 f 8 g a 抽 指令的寻址方式是指，当硬件执行指令时，寻找指令所指定的参与运算 的操作数的方法。不同的寻址方式为编程提供了极大的柔性编程操作空间， 可以根据程序要求采用不同的寻址方式，提高程序的时间和代码效率。c 5 4 x 有7 种寻址方式，包括立即寻址、绝对寻址、累加器寻址、间接寻址、直接 寻址、存储器映像寄存器寻址、堆栈寻址 1 ) 立即寻址，指令编码本身带有操作数； 2 ) 绝对寻址，指令编码中含有操作数的地址； 3 ) 累加器寻址，累加器的内容是程序存储器中操作数的地址： 4 ) 直接寻址，指令编码中含有的7 位地址与d p 或s p 一起合成数据存 储中操作数的实际地址； 5 ) 间接寻址，通过辅助寄存器寻址； 6 ) 存储器映像寄存器寻址，主要用于不改变d p 、s p 的情况下，修改 心很中的内容； 尝一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 7 ) 堆栈寻址，利用s p 完成寻址操作。 立即寻址的特点是操作数在指令中，运行速度比较快，但是要求较多的 程序存储空间，并且数值不能改变。因此，主要用于表示常数或对寄存器初 始化。绝对寻址允许寻址所有的数据空间，但运行速度慢。要求较多存储空 间，因此，可用于对速度无苛刻要求的任何情况。累加器寻址是利用累加器 指向程序存储单元地址，因此，主要用于在程序空间与数据空间之间传送数 据。间接寻址是通过辅助寄存器和辅助寄存器指针，寻址数据存储空间的单 元，可自动实现增量、减量、变址寻址、循环寻址。共有1 6 种修正地址的方 式，用于须按固定步长寻址的场合，这种寻址方式主要针对数字信号处理算 法而设计。直接寻址指令中包含数据存储器低7 位地址，与d p 或s p 内容结 合形成1 6 位地址，可以实现单指令周期寻址1 2 8 个单元，寻址速度快，利用 并行流水线操作，主要用于运算速度要求苛刻的场合。 循环寻址( c i r c u l a ra d d r e s s i n g ) 是d s p 中经常用到的一种寻址方式。该 寻址方法可以对一块特定存储区实现循环的操作。可以把循环寻址理解为实 现一个滑动窗，新数据引入后将覆盖老的数据，使得该窗中包含了需处理的 最新数据。在数字信号处理中的f i r 、卷积等运算中，循环寻址具有极其重 要的意义。 在1 r i 的d s p 中，循环寻址通过如下方法实现。 1 ) 设定b k ( 寄存器块大小) 值，以确定循环寻址缓冲区的大小，也可 将它看作是循环的周期。 2 ) 设定缓冲区的底部地址。必须注意：其低n 位为零 3 ) 用辅助寄存器间接寻址循环缓冲区。 3 4 a d c 电路设计 3 4 1a d 器件的选择 在数据采集系统中，a d 转换器的作用是把模拟信号转换为数字信号， 以便进行后续处理。它的一些性能参数直接影响整个系统的性能，比如a d 转换器的转换精度、速度等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a d 转换器有以下几个主要技术指标：( 1 ) 分辨率又称精度，指数字量变 化一个最小量时模拟信号的变化量，通常以数字信号的位数来表示。( 2 ) 转换 速率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。采样速率 必须小于或等于转换速率。( 3 ) 量化误差是由于a d 的有限分辨率而引起的误 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 。 a d 转换器的任务是将一个连续的模拟输入信号用一个数字化的值来表 示，以进一步用于处理、显示、记录和传输。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。对于一般的a d 转换 器件的选择主要考虑以下几个方面的因素： 1 ) 转换器的精度：一般系统要求对信号作一些处理，例如f f t 变换。因 为d s p 等一些常用的处理器的的数据线一般都是1 6 位的，所以最理想的精 度应该是1 2 位，留出4 位作算法的溢出保护位。但要注意的是，d s p 完全 可以处理高于1 6 位的a d 。 2 ) 转换时间：只是与系统的整体的要求相匹配的，对于高速处理器来说， 指令周期高至纳秒级，运算速度相当快，能够进行信号的实时处理。为了体 现它的优势，它的一些外围设备的处理速度就要尽可能与它相匹配。同时转 换时间也决定了它对信号的处理能力。 3 1 转换器的价格：价格也是选择a d 的一个重要因素。 除上述几个因素以外，模数转换芯片的选择需要考虑系统采样率、a d c 有效位数要求，以及p c b 布线数量最小化的原则。还应考虑到芯片的数字接 口方式、模拟信号类型、电源、功耗、封装形式、基准电压、数据总线的类 型、质量标准、供货情况、生命周期等。 3 4 2 系统a d c 设计 系统中a d c 选用的是b u r r - b r o w n 公司的a d s 8 3 2 0 “，它是单通道、 1 6 位、高速、低功耗模数( a d ) 转换器。动态范围可以达到9 6 d b 。电源为 2 7 v 5 2 5 v 可选。当工作在2 7 v 电源和1 0 0 k h z 的最高采样率下，它的功 耗只有1 8 r o w 。它提供一个同步串行接口( 与s p i s s i 兼容) 其参考电压 的范围为：o 5 v v 矗 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 外部时钟通过d c l o c k 脚送入a d s 8 3 2 0 ，其频率范围为：2 4 k h z 2 4 m h z ，而采样周期即一次转换时间为： t = 2 4 f 畦l o c k ( 3 - 3 ) 式中：厂d 。移位时钟频率，h z 。 因子 2 4 ”的存在是因为假设一次完整的采样周期为2 4 个d c l o c k 时钟 周期，参见图3 8 。两个输入脚+ k 和- - i n 允许差分输入。采样后的结果( 数 字输出) 在d c l o c k 输入的同步下，由高位开始串行移出d o u t 脚，输出 0 0 0 0 h o f f f f h ，代表电压o v v c c 。 嚣妄知：髫餐兰嚣盏嚣雾麓，片笨：器缸嚣主要嚣墨翥鬣主算嚣嚣苗： 图3 8a d s 8 3 2