TS201在声纳信号处理系统中的应用

基金项目：水声信道匹配基础研究 60532040第一作者：刘钢 （1975-）， 男，北京市人， 高级工程师，研究方向：阵列信号处理，嵌入式系统设计。

其它：李启虎 （1939-）， 男， 研究员，博士生导师。

1 TigerSHARC201在声纳信号处理系统中的应用刘 钢 李启虎（中国科学院声学研究所 北京 100080）摘要：本文介绍了ADI 公司最新数字信号处理器TS201的主要特点和基于TS201的VMEBus 通用数字信号处理板的设计。

文中较详细地分析了声纳信号处理系统的算法特点，系统的运算量和数据传输率的要求。

然后给出了基于Quad-TS201 VMEBus 通用数字信号处理板的具体声纳系统设计方案。

该方案充分利用TS201强大的运算能力及高速数据吞吐量，以实现声纳的时空处理任务。

该系统已研制成功，并在实际海上试验中得到应用。

关键词：声纳，信号处理，TigerSHARC201, VMEBusThe Application of TigerSHARC 201 in the SONAR SignalProcessing SystemGang Liu Qihu Li（Institute of Acoustics Chinese Academy 100080）Abstract ：This paper presents the main features of TigerSHARC201, which is the latest embedded processor from ADI, and the design scheme of Quad-TS201 VMEBus DSP board. It then describes in detail the SONAR algorithm, computation burden and data transfer need. Finally, a concrete system scheme is presented, which fully employs the processing speed and data transferring speed of TS201. The scheme has been made into reality, and the DSP system worked properly in the experiment on the sea.Keywords: SONAR ，signal processing,TigerSHARC201,VMEBus1概述DSP(Digital Signal Processor)芯片以其独特的总线结构和强大的信号处理能力广泛用于通信、雷达、声纳、图像处理及医用电子学等领域。

随着人们对实时信号处理要求的不断增加，尤其是在雷达、声纳等领域中，单片DSP 已经不能适应超大运算量的要求。

这些信号处理系统的数据吞吐量大，计算复杂度高，因此必须采用计算能力强、精度高、具备高速数据交换能力的大规模并行处理系统。

ADI 公司的TigerSHARC201(以下简称TS201)是一款高性能的数字信号处理器，是继SHARC DSP 的新一代产品。

与SHARC DSP 相比，TigerSHARC 在计算速度、内部存储器容量、体系结构以及外部通讯资源方面都做了巨大改进，更加适用各种不同的并行多处理器系统，完成各种实时数字信号处理。

本文将主要描述TigerSHARC201在声纳信号处理系统中的应用。

2 TS201 芯片和Quad-TS201 VMEBus 通用信号处理板的介绍 TS201是一款静态超标量数字信号处理器[1][2]。

其基本特性包括：600MHz 主频下每秒可进行48亿次40bit 定点乘累加操作（MACs ），或者每秒可进行12亿次80bit 浮点乘累加操作。

在25mm 25mm 的封装内通过eDRAM 技术提供了4/12/24Mbit 的弹性内部存储器密度。

TS201的I/O端口包括LinkPort和ClusterBus。

LinkPort是ADI公司的专利技术，可以组成静态互联网络，提供处理器间点对点的双向数据传输，而ClusterBus可以提供多处理器共享总线的无缝互连。

TS201的LinkPort提供4位全双向I/O能力，且能够以双倍速率锁存数据，当内核时钟为500MHz时，即单方向速率可高达500MB/s,每个LinkPort双向数据传输率最高可达到1GB/s。

Quad-TS201 VMEBus数字信号处理板是采用标准VME总线设计的通用数字信号处理板。

该板集成了四片TigerSHARC201，板内采用松耦和系统结构，每片TS201 独享32MB SDRAM和512KB FLASH。

板内四片TS201通过全双工LINK PORT口（链路口）两两相连，此外全双工LINK PORT还可以提供强大的板间数据交换功能。

多块Quad-TS201 VMEBus 板通过LINK PORT静态互联专利技术（MESH SP）组成大规模并行信号处理平台，可以适用于声纳、雷达、软件无线电等应用。

该板的体系结构如图1所示。

图1 QUAD-TS201 VME总线数字信号处理板结构因为TS201处理器间可以利用LinkPort互连进行高速点到点的通信，所以当一块信号处理板无法完成大规模计算时，多块信号处理板间可以通过LinkPort组成二维网格结构完成并行计算，如图2所示。

图2 板内LinkPort拓扑图（左）和板间二维网格拓扑图（右）3声纳系统常用算法分析水声信号处理的主要任务就是当存在干扰背景的情况下，对水下声场时空抽样，进行空间和时间变换，以提高检测所需信号的能力。

图3为被动声纳的信号处理任务框图[3]。

图3被动声纳信号处理系统框图下面以主被动声纳信号处理常用算法为例，说明水声信号处理技术的算法结构特点。

设输入序列为(){}n x ，输出序列为(){}n y ，那么FIR 的输入和输出的关系如下。

()()()∑-=-=10N k k n x k h n y （1）()n h 是滤波器系数。

波束形成是声纳信号处理的主要组成部分。

它可以被看成是一种空间滤波器，使得基阵只在某一方向具有较高的灵敏度，而抑制来自别的方向的噪声和干扰。

波束形成的实现有很多种方法。

按照它们的加权函数是否时变，分为自适应波束形成和常规波束形成。

下面仅就“延时-求和-平方”的常规波束形成（CBF ），进行介绍。

假定一个基阵由N 个阵元构成，入射信号为平面波，同时假定信号与噪声、噪声与噪声间相互统计独立。

以平面上的某一点为参考点，设到达第i 个基元的信号为()[]0θτi s i kT x +，这里为s T 采样周期。

这里0θ为信号入射角。

如果信号入射方向改变为θ，我们仍以()0θτi 作延时，那么第i 路信号经延时后变成()()[]0θτθτi i s i kT x -+，系统的输出可以表示为:()()()[]∑=-+=N i i i s is kT x kT y 10,θτθτθ （2）在舰艇噪声功率谱的低频范围内存在着线状谱。

通过检测这些线状谱可以增强检测目标的能力。

自适应线谱增强的工作原理是利用线谱信号相关函数的周期性和宽带噪声相关函数衰减很快的差异来增强信号，减少干扰的。

采用横向滤波器结构和LMS 算法的自适应线谱增强的主要计算公式如下：()()∑-=-∆-=10LA j i ij i j n x wn y （3）()()()()()[]n y n x j n x n w n w i i i i ij ij --∆-+-=μ1 （4）式中，ij w 是横向滤波器权系数；LA 是横向滤波器阶数；∆是信号延迟长度。

i μ是自适应步长。

后置积累处理方法是检波和积分，检波可以是平方检波或绝对值检波，积分可以使用线性积分或指数积分。

这里介绍绝对值检波和指数型积分。

绝对值检波：()()∑==1111m n n x m n y （5）指数型积分： ()()()121121-⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=n z m n y m n z （6） 关于主动声纳，其回波检测常规方法主要有相干脉冲压缩（匹配滤波）和非相干窄带脉冲能量积累，这两种方法分别对应着回波特性的两种极端假定[4]。

其他处理方法有变换域（如Gabor 域，小波域）检波方法等，但是这些方法在实际应用中并不稳健，也不能取得优于常规方法的检测性能。

因此主动声纳信号当前仍然主要采用线性调频和单频脉冲形式，接收仍然采用匹配滤波或窄带能量积累方法。

下面将只对匹配滤波的频域实现进行分析。

设发射信号为()t s ，形式为线性调频信号（LFM ），频率从1f 变到2f ，带宽为B ,脉宽为T ，即：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=212222exp t T f f t f j t s π []T t ,0∈； （7） 设接收机波束形成后的输出信号为()t x ，则匹配滤波器输出为：()()()⎰-=*Td t s x t y 0τττ （8） （8）的离散表达式为()()()∑-=*--=10N i i N s i n x n y (9) 其中s T TN =。

上式就是时域匹配滤波的实现方法，但是考虑到快速运算的需要，可以通过频域的计算，然后经过反傅立叶变换得到时域输出。

运算的方框图如图4所示。

需要注意的是FFT 实现的是循环卷积，而在时域中实现的是真正的卷积，所以FFT 和IFFT 的计算点数为2N 点，但是每次输出只取IFFT 的N 点作为输出，每次更新N 点。

图 4 匹配滤波频域实现方框图4声纳信号处理系统运算量和数据传输率的初步估计假定一组主被动声纳参数如下：均匀线列阵，阵元数E N =128；A/D 采样频率为s f =20K ；FIR 滤波器节数L =128；波束数为M =256；波束形成采用快入慢出技术，降采样后的输出速率为sd f =10K ；横向滤波器阶数LA =32；积累系数m1=1024；积分系数为m2=32，计算以32位浮点数进行；LFM 脉冲宽度为102.4ms ，采样点数为2048=N ；● 运算量估计FIR 乘加次数估计：MFLOPS f L N s E 68.32720000128128=⨯⨯=⨯⨯ 波束形成乘加次数估计：()MFLOPS f M N s E 68.327100002561282=⨯⨯=⨯⨯线谱增强乘加次数估计：MFLOPS f LA M sd 84.163100003222562=⨯⨯⨯=⨯⨯⨯ 绝对值检波乘加次数估计：MFLOPS m f m M sd 56.21000025611=⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯ 指数积分乘加次数估计：KFLOPS m f M sd 5102410000225612=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯ 回波检测：()N f N N f M N N f M N N sdsdsd ⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯2422log 2222≈82MFLOPS● 数据传输率分析：A/D 输出数据率为：S MB f N DTR s E /1042000012840≈⨯⨯=⨯⨯=（此处不考虑A/D 的精度问题，运算输入使用的是32位字长的浮点数。