（通信与信息系统专业论文）主动声纳探测系统信号发生器的设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 对于一个主动声纳发射系统来说，提高远距离探测能力的主要技术手段 就是提高发射功率和形成尖锐指向性，因为发射功率的上限一般在基阵出厂 时已经确定，所以通常如何改善基阵的指向性成为研究重点。对于具有一定 形状的发射基阵，改善基阵发射指向性需要计算和调节不同发射阵元发射信 号的初始发射相位，使得在探测方向上形成尖锐波束，同时采用适当的幅度 加权方式来降低旁瓣级，为后续的信号处理提供良好的准备条件。于是，根 据国家某科研项目对信号发生系统的技术要求，本课题设计了一套十六通道、 相位幅度独立可调、声纳发射用任意波形发生器。 本论文首先介绍了硬件设计的技术依托虚拟仪器技术的概念及分 类；然后阐述了本次实验中所采用的主动声纳基阵加权方法，并根据声纳系 统的技术指标制定出信号源的技术指标；随后介绍了硬件系统设计方法及设 计方案，重点对系统的各个模块c p c i 总线接口模块、数字信号处理器 接口模块、可编程逻辑控制器接口模块、s d r a m 控制器模块、数模转换模 块和同步电路模块分别进行了阐述和分析。最后简单介绍了显控软件的设计 与实现，并给出了系统测试结果和误差分析。 关键词：任意波形发生器；c p c i 总线：基阵加权；s d r a m 控制器；可编程 逻辑器件 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em a i nt e c h n i q u ef o r t h e t r a n s m i t t i n ga r r a yo fa c t i v e s o n a ri nt h e i m p r o v e m e n to fd e t e c t i o na b i l i t yi s w h e t h e ri n c r e a s i n gt r a n s m i t t e dp o w e ro r f o r m i n gs h a r pd i r e c t i v i t y t h et r a n s m i t t i n ga r r a yh a sac e r t a i ns h a p ew h e ni tl e f t f a c t o r y i no r d e rt oi m p r o v et h ed i r e c t i v i t yo ft h ea r r a y ，t h eo r i g i n a lt r a n s m i t t e d p h a s eo ft h et r a n s m i t t i n ga r r a ys h o u l db ec a l c u l a t e da n dr e g u l a t e d ，f r o mw h i c ha s h a r pw a v eb i n dc a nb ef o r m e di nt h ed e t e c t e dd i r e c t i o n a tt h es a m et i m ew e o f t e na d o p tp r o p e ra m p l i t u d ew e i g h t i n gt or e d u c et h es i d e l o b el e v e l a l lo ft h i s p r o v i d eag o o dc o n d i t i o nf o rf u r t h e rs i g n a lp r o c e s s i n g a sar e s u l tas e to f m u l t i - c h a n n e ls i g n a ls o u r c et h a tt h ep h a s ea n da m p l i t u d eo fe v e r yc h a n n e lc a nb e r e g u l a t e ds e p a r a t e l yi sn e e d e d t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e st h ec o n c e p ta n dt h ec l a s s i f i c a t i o no fh y p o t h e s i z e d i n s t r u m e n t ；t h e nt h er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tw e i g h t i n gt h e o r e t i c a ld e s i g no ft h e a c t i v es o n a ra r r a yi se l a b o r a t e d ；a f t e r w a r dt h ec o m p o s i t i o na n dt h ed e s i g nm e t h o d o ft h eh a r d w a r es y s t e m ，t h ec p c ib u si n t e r f a c ed e s i g n ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c o n n e c t i o nd e s i g n ，t h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e rc o n n e c t i o nd e s i g n ，t h e s d r a mc o n t r o l l e rd e s i g n ，t h ed i g i t a l a n a l o gc o n v e r s i o na n dt h es y n c h r o n i z i n g c i r c u i td e s i g ni ss e p a r a t e l ye l a b o r a t e da n da n a l y z e d a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ed i s p l a ya n dc o n t r o ls o f t w a r eo ft h es y s t e ma n da n a l y z e st h er e s u l to ft h e s y s t e m i ct e s t k e yw o r d s ：a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ；c p c ib u s ；w e i g h t i n go fa c o u s t i ca r r a y ； s d r a mc o n t r o l l e r ；p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o m p o n e n t 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，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承转b ， 作者( 签字) 厂动物 日期： 加号年另月矽日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) f 翁。耽导师( 签字) ：7 叫 日期：w 口彳年另月妒日- - i ，o o 】年月们日 夕 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源和研究目的 主动声纳是有目的地主动从系统中发射声波的声纳。它可用来探测水下 目标，并测定其距离、方位、航速、航向等运动要素。主动声纳发射某种形 式的信号，利用信号在水下传播途中障碍物或目标反射的回波来进行探测。 由于目标信息保存在回波之中，所以可以根据接收到的回波信号来判断目标 的存在及目标的状态参数和目标种类。 在声纳的战术指标中，作用距离往往被认为是最重要的。作用距离是指 声纳在一定条件下能有效地发现目标，并测其数据的最大距离。这些条件包 括发射声源级、海况、传播衰减、环境噪声、目标强度等1 。通常对于一个 主动声纳发射系统来说，提高远距离探测能力的主要技术手段就是提高发射 功率和形成尖锐指向性。当主动声纳的发射功率一定时，就必须提高基阵的 发射指向性，从而提高主动声纳的探测距离；对于具有一定形状的发射基阵， 提高基阵发射指向性需要计算和调节不同发射阵元发射信号的初始发射相 位，使得在探测方向上形成尖锐波束；同时，采用适当的幅度加权方式来降 低旁瓣级，还能够抑制浅海复杂环境下的混响干扰，为后续的信号处理提供 良好的准备条件。基于以上相位、幅度加权思想，本课题设计应运而生。 本课题来源于国家某科研项目，其目的在于如何通过改善发射指向性来 提高主动声纳的作用距离，课题对发射基阵的设计，阵加权方式做了初步探 讨并集中精力设计一套符合水声技术应用要求、满足技术指标的十六通道相 位、幅度独立可调发射用任意波形发生器。 1 2 虚拟仪器概述 1 2 1 虚拟仪器概念嘲 本论文所设计的多路幅度、相位可控任意波形信号发生器是基于虚拟仪 器的概念所设计的。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全 不同的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，可以说“软件即 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仪器”。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从 而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起， 大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以 及分析处理。虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统， 且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、 检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分 符合国际上流行的“硬件软件化 的发展趋势，因而常被称作“软件仪器 。 它具有功能强大、操作灵活、集成方便等特点。我们常见到硬件工程师的工 作台上堆砌着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟 测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁 复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。 其方便之处固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实 验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟 仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它 在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会， 信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不 在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是 用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。 因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据 传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据 的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之， 一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器 应用空间是多么的宽广。在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广 泛。绝大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据 传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其 在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系 统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作 用。 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 2 2 虚拟仪器类型 虚拟仪器的发展随着计算机的发展和采用总线方式的不同，可大致分为 六种类型： 第一类：p c 总线一插卡型 虚拟仪器这种方式借助于插入计算机内的印刷电路板卡与专用的软件如 l a b v i e w 相结合。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱 内部的噪声电平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等 缺点。 第二类：并行口式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器是一种可连接到计算机并行口的测试装置，它把仪器 硬件集成在一个盒子内，将仪器软件装在计算机上。通常可以完成各种测量 测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任 意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、 数据采集器等等。 第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试 系统发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操 作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来， 形成自动测量系统。g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器， 适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳 定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放、 结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器 厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组 建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精 度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建v x i 总线要求有 嵌入式控制器，造价比较高。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第五类：p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。 p x i 具有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽， 台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形 成未来的虚拟仪器平台。 第六类：c p c i 总线方式虚拟仪器 针对传统p c 总线插卡型虚拟仪器的诸多诟病，并且随着工业控制对 虚拟仪器的需求日益增加，c p c i 总线方式虚拟仪器得到了广泛应用。它在利 用了现有p c i 总线内核技术和成熟的技术规范的基础上，增加了热插拔功能， 从而使使用更加方便。同时，c p c i 总线工业控制计算机能够提供更强电源功 率，机箱内部的低噪声电平，更多数目插槽，较好的机箱内屏蔽，从而更适 合作为虚拟仪器的操作平台。 本课题的硬件平台所采用的总线方式即为c p c i 总线接口方式，在充分利 用了它的优点的同时，集中精力在硬件电路上做出改进，使虚拟仪器在实际 应用中存在的一些固有弊病最小化，从而满足发射系统对信号源的种种要求。 1 3 论文的主要研究内容 本文的主要工作是对主动声纳探测系统的信号发生部分做出具体的理论 分析，设计出一部声纳用十六通道幅度、相位可调的任意波形发生器，并利 用此发生器对先前基阵设计理论做出试验论证。整个声纳发射系统的工作流 程如图1 1 所示，其中工控机的主要作用是作为显控软件的操作平台。 论文的工作量集中在任意波形发生器的硬件设计和软件编程。作者在大 量阅读专业文献和技术资料的基础上完成了以下工作： 1 根据项目技术指标，确定阵形及基阵加权方案； 2 十六路任意波形发生器的硬件设计和电路调试； 3 通过在水池和海上试验中集中发现的问题对本系统进行综合分析，提 出改进方案。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 声纳发射系统的工作流程图 1 4 论文的内容安排 论文具体章节安排如下： 第一章首先介绍了课题背景和研究目的，并对论文依托的虚拟仪器技术 作了阐述，最后陈述了论文的研究内容和论文安排。第二章对主动声纳发射 系统如何提高作用距离和信混比做了理论分析，结合实际基阵提出了可行的 加权方案。第三章主要是针对系统的硬件接口电路设计进行详细的论述。第 四章主要是针对系统的软件接口部分进行论述。作为一个完整的系统，本章 详细叙述了软件系统，包括硬件设备驱动程序和应用软件等的开发和实现。 第五章结合系统试验应用时所遇到的问题对本系统进行综合分析，在硬件和 软件方面提出改进措施。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章主动声纳基阵加权方法的研究 在理想条件下计算的指向性，通常只取决于声学基阵的结构形式、工作 面大小、基元灵敏度和相位分布。实际中选用的声学基阵除考虑结构形式的 适宜外，还要考虑到选用声学基阵的指向性是否满足实际需要。通过调整上 述因素可以改变声学基阵的指向性，从而满足实际中的要求。但是，这种设 计要满足实际上的需要，还是不理想的。例如从声学基阵的方向特性和实际 需要的矛盾来看，当系统处于搜索状态时，总是希望主瓣比较钝且平坦一些， 即主极大开角大一些；而处于定向时，总是希望主瓣比较尖锐一些，以此达 到提高定向精度的要求。同时，在定向时总是希望旁瓣的幅度愈小愈好。所 以说，声学基阵的指向性设计总是想使得主瓣比较窄和旁瓣的幅值比较小， 且人为地改变某些声学基阵参数来适应定向和搜索的需要，从而改变声学基 阵的指向性图。这种想法是存在着矛盾的，也就是说，对于给定的声学基阵 想使主瓣变窄，其旁瓣幅度就大；旁瓣幅度变小，其主瓣就宽。一般来说， 都是在保持原来其中之一的指标，而用一定的方法改善另一个指标。例如， 基本保持主瓣原来的指标而想办法降低旁瓣的幅值p 1 。 2 1 加权处理的一般方法 加权方法近年来发展比较快，从而促使声学基阵的指向性问题得到比较 我们知道，基阵的一般指向性公式为 r ( 口，厂) = j i 一 ( 2 - 1 ) “，- ， 对于连续阵，同样写出指向性公式为 删= 一 协2 ， 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上式对线、面、体分别取z ，s ，1 ，的积分形式和相应参数，我们假定两个条 件： ( 1 ) 基阵各基元发射灵敏度是相等的，即 “l2 扰22 坞2 2 材f2 2 “。“o ( 2 ) 基阵各基元在坐标上的分布是等间隔的。 利用基阵各基元间灵敏度的改变或不均匀的间隔分布改变系统的方向 性，从而可以达到上面所提出的要求。 改变各基元灵敏度的方法通常称为振幅加权，而按一定规则改变其间距 或改变各基元相位不均匀性的方法称为相位加权。 若用上述两个途径改变指向性图的主瓣宽度和旁瓣幅度的大小。则有数 学公式表示的基阵指向性为 吩( 厂) p 吖似 毗 r ( a ，7 ) = 百一 ( 2 3 ) 甜) ， 式中，基阵基元的坐标： ( ，) 第f 号基元振幅是基元坐标，的函数，为振幅加权项； 后( 越，p ) 由于缸的坐标改变或按某规律人为地给出相对 于坐标r 的相位差，为相位加权项。 对于连续阵写出一般公式为 m r ( a ，y ) = iu ( r ) e x p ( 一j a p + 一j a g t t ) d r ( 2 4 ) ， 通常声学基阵是对称的，若“( 广) 认为是偶函数，那么上式可写成三角函 数形式 r ( 口，厂) = “( ，- ) c 。s ( 仍+ ，) d r 一材( ，) s i n ( a f a ，+ a 驴5 ) d r ( 2 5 ) 其中 e “( ，) s i n ( 仍+ ) 咖= o ( 2 - 6 ) 所以( 2 5 ) 式为 只( 口，厂) = e “p ) c o s ( a g o j + a v e ) d r ( 2 7 ) 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不考虑相位加权时 r ( a ，7 ) = iu ( r ) c o s a q q d r 例如，甜( ，) = 詈，而取一j l 和+ i 1 为积分的上下限， 代入( 2 8 ) 式积分结果为 ( 2 8 ) 若仍= k r c o s z 时， 1 ，s i n ( 露昙s i n ( z ) r ( a ) = ic o s ( k r c o s o r ) d r = 1 二一 ( 2 9 ) 。 k l s i n a 2 ( 2 9 ) 是线阵“均匀 加权的计算结果，刚好与均匀线阵相符，若选取 不同的甜( ，) 加权数值，得到的指向性指数显然与非加权基阵的指向性指数不 同。 目前看来，加权方法比较多，多数为振幅加权，常用有以下几类： ( 1 ) 代入法：事先给出“( r ) 的解析表达式，然后代入计算方向性因子的 公式。计算结果如果有预想的改善( 旁瓣幅值减小) ，那么事先所取得甜( ，) 即 可能作为将要选用的振幅加权系数。这种方法带有试探性。 ( 2 ) 反变换法：由式( 2 1 ) 可以看出，“( 厂) 和r ( a ) 是一对傅立叶变换 对，按照设计人员的实际设计要求来选定r ( 口) 的函数特性，并经过傅立叶反 变换便可找出相应的加权系数甜( ，) 。这种按要求设计加权函数的方法是比较 理想的，从原理上解决了加权阵的设计问题。 ( 3 ) 函数逼近法：利用指向性指数逼近某一种比较理想的函数，然后充 分利用这个函数的固有性质来改变某些参数，使之达到设计的目的。本次海 上试验所设计应用的基阵加权方法就是采用函数逼近法中的契比雪夫加权方 法，下面将对这种加权方法作详细阐述。 2 2 契比雪夫加权法 利用契比雪夫多项式解决线阵的最佳设计已得到比较满意的结果，本节 将重点介绍如何将契比雪夫加权法应用于面阵，从而在空间上得到令人满意 的指向性曲线。 为了明确起见，首先分析一下契比雪夫函数的某些特性。函数的定义如 下： 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 乙( z ) = c o s ( m c o s 1z ) ，z 佃 ( 2 1 0 ) 当一1 z + 1 时 乙( z ) = c o s ( m c o s _ 1z ) 余弦函数 ( 2 - 1 1 ) 当z 一1 或1 z + 时 毛( z ) = c o s h ( m c o s h 。1z ) 双曲余弦函数 ( 2 1 2 ) 若用一般写法，且令a = c o s z ，则z = c o s q ，上式又可改写为 死( z ) = c o s m q ( 2 - 1 3 ) 该函数可归纳如下： 当- 1 z + 1 时，是简谐周期函数 砌z 1 。从契比雪夫多项式的性质分析 可以看出，只要适当选取值( 定义为主极大位置所对应的横坐标) ，确定 一佤( z 0 ) ，并取此值主极大值的幅值( z o 1 时) ，则旁瓣值必然是在1 之 间的那些极值l ( 气) l = 1 的各点。原则上讲，旁瓣能固定在1 之值上，而极 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 大值由z o 1 值任意设计确定，那么主旁瓣比就可以得到预想的设计结果。但 从函数图像中也同样看到，z o 取值较大时，主旁瓣比增加，同时将会带来主 瓣变宽的可能。 一弋一入一入7 ：一z 。 v 一丝迎一7 - 1 图2 1 瓦( z ) 曲线 。二i 入。入 1 。入万z 。 。产誓 逆v 7 1 利用契比雪夫函数这样较好的特性，给出基阵p ) 加权函数值，就能把 这种函数等效于线阵的指向性指数。基于这种想法，把契比雪夫函数写成多 项式的形式，再把线阵指向性指数写成多项式的形式，然后令这两个多项式 的同次幂对应系数相等，找出两者之间的某些参数的关系，从而给出加权函 数的数值，以达到基阵的指向性指数逼近契比雪夫函数。 具体分析我们所关心的几个问题： l o 哈尔滨- t 程大学硕士学位论文 ( 1 ) 如何确定旁瓣比。我们知道，主极大值应当在a o 1 时出现，即z o 1 乙一l ( 气) = c o s h l ( n - 1 ) c o s h z oi ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 7 ) 式确定。如果主旁瓣比值用值来表示，即 ：鱼盟：一cosh(n-1)cosh-zo 1 - 1 亿c o s 卜) 志i = c o s h ( n - 1 ) c o s h 一1z 0 ( 2 - 1 8 ) 则求出z o 的解为 z o = c o s h 志c o 出。1 q 。卵 设计过程中，若给出值后，由( 2 - 1 9 ) 式求出z o 值，从而计算出各基 甜( 口) = c o s c n - 1 徊s 。1z o c o s c 警s i n 口) c。sh。甩一当1)cl气osch二iz兰。羞c!ossi(n-挈要-?量， c 2 2 。， c o s h i 一 - l s i n 口) i z oc o s ( - 孚s ；n 口，l t ( 2 ) 其次就是如何确定主瓣宽度的问题。给定值后，求出z o 值，就 可以确定乡。 令甜 ) = 0 ，从( 2 - 2 0 ) 式可以得出 神s 碍如扣s 志 协2 ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 则可求出 酊1净sbcos一2(n-1)2 ) 22)nd 秒：s i n 一- j 三c o s 一i 三二l ( 2 【l z 0 j j 其中 c 。s r ! = 剖 ( 2 - 2 3 ) s l 了s i n 互j 如果先给出秒值，可利用上式求出气值，并将z 0 值代入( 2 1 8 ) 式求出 相应的值，再利用z 0 按系数关系计算阵权系数，到此基阵权系数设计完毕。 2 3 系统基阵简介 无论研究什么样的阵形，或者评价一种阵形的性能好坏，重点要看它的 指向性图是什么形状，空间处理增益又有多大。一般说来，在指向性图中的 主瓣宽度大小满足战术要求的同时，还要设法降低旁瓣的幅值( 在给定阵形 的条件下) ，增加给定阵形的空间处理增益，提高系统抑制噪声干扰能力。 为了满足项目的技术要求，在水平和垂直方向都获得较窄的指向性，同 时要有较低旁瓣级，并在整个频段整个立体空间没有栅瓣，基阵外形上采用 等间隔收发合置矩形平面阵。在垂直方向共有2 4 组阵元，每组阵元由1 4 个 等间隔阵元构成。在垂直方向上2 4 路发射束控采用契比雪夫幅度加权方法对 其加权，在要求的主旁瓣比下，获得等旁瓣级。垂直方向的1 2 个权系数，由 发射机输出信号实施加权，水平方向为7 个权系数，由变压器分压实施加权。 接收束控采用电阻加权方式获得。具体阵形如图2 3 和图2 4 所示 基阵期望达到的具体技术指标如下： ( 1 ) 工作频率带宽：1 5 - - 3 0k h z ，频率上限尽量向3 5k h z 拓展。 ( 2 ) 发射声源级s l 2 3 0d b ( 工作频率f = - 3 0k h z ，电功率1 2k w 时) ( 3 ) 方向性：工作频率f = 3 0k h z 时，垂直束宽( 3d b ) 5 0 ，水平束宽 ( 3d b ) 9 0 。 ( 4 ) 旁瓣级：垂直方向2 7d b ，水平方向2 5d b 。在整个频段整个立 体空间没有栅瓣。 1 2 堕垒鎏三堡奎兰堡圭兰丝丝圣 ， 图2 3 长方形基阵外形结构 结合基阵的特点，本着最大程度满足实际需要的目的，我们制定了任意 波形发生器的技术指标： 具备十六路幅度、相位独立可调，工作频率在l k h z 1 0 0 k h z 的试验 用声信号发生器( 其中四路留为备用通道) ； f 2 ) 可以发射常规的c w 脉冲、l f m 脉冲、阶梯调频脉冲、跳频c w 脉 冲等：以及符合特定要求的发射脉冲形式，如余弦包络c w 脉冲等； f 3 1 可以发射任意波形信号( 最高频率范围内) ： ( 4 ) 输出最大电压：- + 4 v ； ( 5 ) 系统分辨率：1 4 b i t ； ( 6 ) 系统转换速率：1 m w o r d s s ： ( 7 ) 输出阻抗：5 0 n ； f 8 ) 每路调相范围：1 2 。； 2 4 本章小结 本章从基阵设计出发阐述了对基阵加权理论的研究，介绍了几种常用的 加权方法，其中着重介绍了契比雪夫加权方法，验证了这种加权方法的优势 所在。最后介绍了本项目所用基阵的基本设计思想和希望达到的技术效果。 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第3 章任意波形发生器的设计 3 1 系统方案设计 系统的通用性以及可扩展性向来都是电子设备的重要指标。本系统本着 通用性强和可扩展性强的目的选用当今日趋流行的c p c i 总线作为硬件系统 与上位机的接口总线。硬件板卡采用插卡方式通过c p c i 总线与主机相连， 板卡的机械尺寸是标准的，根据本系统实际需要选用6 u 标准尺寸，这样板 卡的通用性强，根据不同的用户要求只需要做少量的修改。另外利用工控机 的多c p c i 插槽的特点，本系统可以很方便地进行更多功能扩展( 如发射接 收一体化、更多通道信号发生等) 。 在选定用c p c i 总线作为硬件系统总线之后，根据以往开发经验并结合 本系统实际情况，硬件板卡采用c p c i 接口芯片+ 数字信号处理器d s p + 双可 编程逻辑器件f p g a + 数模转换通道的设计方案，其总体工作框图如图3 1 所 示 c p c i 总线 p c i 通用接口芯片 p c i 2 0 4 0 同步电路 = = ：= = = = ：= = = = = = = 波形存贮模块 s d r a m 1 6 通道d a 转换 模块 d s p 控制模块 t m $ 3 2 0 c 5 416 f p g a 控制模块 e p1c 6 q 2 4 0 c 8 f p g a 控制模块 e p l c 6 t 1 4 4 1 7 图3 1 系统总体工作框图 1 4 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 3 2c p c i 总线接口设计 c p c i 总线接口设计的首要任务是如何通过c p c i 总线完成上位工控机与 硬件板卡之间的通信。本着节约成本、缩短开发周期的目的，本系统采用有 一定开发经验的p c i 2 0 4 0 作为c p c i 接口芯片，p c i 2 0 4 0 是t i 公司生产的专 门用于d s p 与p c i 总线之间的桥接芯片，可通过8 b i t 的h p i 接口与 t m s 3 2 0 c 5 4 x 或者通过16 b i t 的h p i 接口与t m s 3 2 0 c 6 x 实现无缝连接h 1 。1 片p c i 2 0 4 0 最多能同时挂接4 片d s p 芯片。同时，它还提供了1 个串行 e e p r o m 接口，1 个通用输入输出接口( g p i o ) 和一个1 6 位通用总线接口 ( 为t ij t a g 测试总线控制器提供接口) 。p c i 2 0 4 0 只能作为p c i 目标设备 使用，不能作为p c i 主设备使用。p c i 2 0 4 0 能够兼容3 3 v 和5 v 信号环境， 系统中的3 3 v 和5 v 信号可以直接从c p c i 插槽中获得垆1 。 3 3d s p 设计原理及其软件实现 本系统采用了t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 型号的1 6 位定点d s p 巾1 ， d s p 的主要功能是对数据进行控制和传输，它通过p c i 2 0 4 0 实现与上位机的 通信，通过自身的算法对所接收的数据进行分配，然后将其发送至f p g a 以 供下一阶段的处理。其程序设计原理及具体实现如图3 2 和图3 3 所示 e p1c 6 q 2 4 0 c 8 t i o 并行接口 千 波形参数 数据传输 波形数据 + 存储模块 控制模块 存储模块 工 h p i 接口 害 p c i 2 0 4 0 图3 2d s p 程序设计原理框图 1 5 哈尔滨f t 程大学硕士学位论文 图3 3d s p 程序执行流程 系统上电时，d s p 采用b o o t l o a d e r 方式从外部的串口e e p r o m 自动引 导加载程序p 1 ，应用程序加载后进入d s p 系统初始化阶段，在此阶段根据用 户定义的通信规则开辟了2 个5 1 2 w o r d s 的波形数据存储空间以及一系列波形 参数寄存器，其中2 个数据存储空间采用乒乓传输模式以最大限度保持数据 传输速率。当上位机完成对相应波形参数寄存器以及波形数据存储空间的写 入后便会生成h p i 中断信号，d s p 系统一旦接收h p i 中断信号便跳入中断服 务程序进行命令判断并跳转至相应中断服务子程序以实现数据流向下传输。 本系统中的d s p 的主要功能是完成波形数据的接收与分配，起到了一个 中间桥梁的作用。同时，它的透明度也对系统调试起到关键作用，利用它的 内存空间的可见性，通过j t a g 接口对系统中的数据流进行实时的监控，方 便了调试，缩短了开发周期，另外，根据d s p 的信号处理的强大功能，也可 以作为波形信号的数字信号发生器，为其它应用提供应用的条件和基础p 1 。 3 4f p g a 设计原理及软件实现 3 4 1f p g a 工作原理 本系统中的主要逻辑控制工作都是由现场可编程门阵列器件( f p g a ) 完 成，f p g a 采用a l t e r a 公司生产的e p l c 6 q 2 4 0 c 8 和e p l c 6 t 1 4 4 1 7 ，主要负责 波形存贮模块和d a 转换模块的逻辑控制，其中具体包括与s d r a m 通信、 为d a 通道提供数据及时序控制。由于可编程逻辑器件具备的在线调试功能， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 同时其编程调试环境q u a r t u s l i 具有非常强大的仿真功能及调试工具( 如 s i g n a l t a p l i ) ，因此可以极大地提高设计的效率，减小设计风险引。 整个逻辑控制系统是信号发生系统的核心，包括以下主要模块：数据传 输模块、存储器控制模块、参数存储模块、信号发生逻辑控制模块、同步电 路模块等。系统逻辑接口设计如图3 4 所示 图中各模块具体功能说明如下： ( 1 ) 数据传输模块本模块负责把d s p 传送过来的数据存储在f p g a 内 部的内存模块中，并在s d r a m 控制器的配合下将波形数据模块中的数据下 载到相对容量较大的s d r a m 中以适应对大数据流的操作，然后按照波形参 数模块中的参数要求将s d r a m 中的数据读出并传送给信号发生逻辑控制模 块。本模块的操作在e p l c 6 q 2 4 0 c 8 内完成。 d a 转换器1 d a 转换器2 d a 转换器1 6 d a 通道l d ，a 通道2 d a 通道1 6 波形参数 存储模块 波形数据 存储模块 信号 发生 逻辑 控制 模块 同步电路 控制模块 lls d r a m h 卜纠 数据传输ll 控制模块l 控制模块l 广一 iis d r a m _ _ 叫 。 f i 控制模块2 数据传输接口 并行i 0 接口 t m $ 3 2 0 c 5 4l6 同步电路 图3 4f p g a 工作原理框图 ( 2 ) 波形参数模块和波形数据模块参数模块存储着d s p 传送过来的波 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 形参数信息，如脉冲长度、信号周期等。数据模块起到了数据缓存的作用， 它仍然采用经典的乒乓双端口r a m 模式，大大提高了数据传输效率引。 ( 3 ) 存储器控制模块由于本系统采用的c 5 4 x 系列d s p 不能直接外挂 s d r a m ，所以s d r a m 的控制时序都由f p g a 完成瞄叭，这也是可编程逻辑器 件模块中的主要工作之一。具体介绍请见本章3 5 节。 ( 4 ) 信号发生逻辑控制模块由于采用了1 6 个d a 通道，系统所需的i o 接口数量大大增加，因此本系统采用了双f p g a 形式，本模块的主要逻辑控 制都在e p l c 6 t 1 4 4 1 7 中完成。本模块将数据传输模块传送过来的数据存放在 由乒乓f i f o 组成的波形数据存储模块中口，并按照与数据传输模块的握手信 号生成d a 通道的时序控制逻辑，将波形数据和转换脉冲准确地送至d a 转 换器，从而完成波形的正确输出。 3 4 2f p g a 程序设计流程 本系统软件编程采用v h d l 编程语言，其具体实现如图3 5 所示 f p g a 接收由d s p 传送过来的数据流，其中包含很多信息，本系统定义 了自己的通信协议以区分各个信息流。在f p g a 的接收端，通过译码器对数 据流进行筛选并将其细化为波形参数信息数据流、触发方式选择数据流、波 形数据数据流以及存储器使能信号数据流。其中触发方式选择数据流( 包括 触发沿选择和触发通道选择) 被直接传送至同步电路控制模块以完成对硬件 同步电路的直接控制。波形数据数据流和存储器使能信号数据流被传送至存 储器控制模块以完成乒乓r a m 的切换及数据存储。由于本系统为1 6 通道信 号发生器，通常它的波形数据信息量是庞大的，因此本系统外挂了2 个 s d r a m 以实现长脉冲信号的发射。s d r a m 的写信号由双端口r a m 的空满 信号进行控制，配合上s d r a m 控制器产生的s d r a m 控制信号即可完成乒 乓双端口r a m 向外挂s d r a m 的波形数据的写入瞄1 。至此，系统的波形数 据下载阶段已经完成，此阶段的功能实现都集中在e p l c 6 q 2 4 0 c 8 中。 在波形数据下载完毕之后，操作者可以根据实际需要对波形发射进行控 制。当发射指令发出后，s d r a m 控制器立即从s d r a m 中读取波形数据并 将其传送至第二块f p g a 的乒乓f i f o 中缓存，同时根据波形参数寄存器的 波形参数数值( 如脉冲长度、信号周期等) 产生d a 通道控制信号和与之相 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 对应的波形数据，从而完成信号的发射。此阶段的功能实现都集中在 e p l c 6 t 1 4 4 1 7 中。 s d r a m 控制信号il 波形数据信息 s d r a m 2胤 s d r a m 控制器x 二入s d r a m l 、一 $ 墨息 肚通烈兰嫂? l 主书玎焉磊淤 图3 5f p g a 程序设计流程 3 5s d r a m 控制模块程序设计原理 在高速实时或者非实时信号处理系统当中，使用大容量存储器实现数据 缓存是一个必不可少的环节，也是系统实现的重点和难点之一。s d r a m ( 同 步动态随机访问存储器) 具有价格低廉、密度高、数据读写速度快的优点， 从而成为数据缓存的首选存储介质。但是s d r a m 存储器结构与r a m 有较 大差异，其控制时序和机制也较复杂，限制了s d r a m 的使用团1 。在详细阅 读s d r a m 的数据文档的前提下，在一种通用s d r a m 控制器的基础上开发 了适合本系统工作的s d r a m 控制器。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 1s d r a m 简介 本系统采用的s d r a m 为h y n i x 公司生产的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 系列，其容量 为2 5 6 m b i t 。s d r a m 内存芯片的主要信号有控制信号、地址信号、数据信号， 均为工作时钟同步输入、输出信号b 5 1 。 控制信号主要有：c s ( 片选信号) ，c k e ( 时钟使能信号) ，d q m ( 输 入、输出使能信号) ，c a s 、r a s 、w e ( 读写控制命令字) 。通过c a s 、 r a s 、w e 的各种逻辑组合，可以产生各种控制命令，详见表3 1 表3 1s d r a m 读写控制字 命令名称 c s 拌r a s 撑c a s f w e 群 功能 c o m a n d i n h i b i t ( n o p ) hxxx 命令禁止 n oo p e r a t i o n ( n o p )lhhh 空操作 a c t i v e ( s e l e c tb a n ka n da c t i v er o w ) llhh 页选中，行激活 r e a d ( s e l e c tb a n ka n dc o l u m n ，a n d lhlh读操作 s t a r tr e a d b u r s t ) w r i t e ( s e l e c tb a n ka n dc o l u m n ，a n d lhll 写操作 s t a r tw r i t eb u r s t ) b u r s tt e r m n 寸a t elhhl 突发操作停止 a u t or e f r e s ho rs e l f lllh 自动刷新，或者自 r e f r e s h我刷新 p r e c h a r g e ( d e a c t i v a t er o w i nllhl 预充电 b a n ko rb a n k s ) l o a dm o d er e g i s t e rllll 工作模式加载命 令 地址信号有：b a 0 和b a l 页地址选择信号，a