关于基于双核DSP的被动声探测系统的设计.doc
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1、关于基于双核DSP的被动声探测系统的设计0 引言被动声探测技术使用传感器阵列接收各种目标辐射的噪声信号,运用阵列信号处理和信号识别等技术,确定目标的方位、航迹和类型。被动声探测技术具有全被动、隐蔽性强、全天候和低功耗、低成本的优点,特别适合夜间、雾霾天等能见度不良、通视性差或电磁环境复杂条件下对运动目标的感知,是战场信息侦查及城市安全防护领域不可或缺的信息获取手段。声音信号容易受到周围环境噪声的干扰,引起虚警或探测性能下降。为了提高被动声探测的准确性,需要引入噪声抑制、目标分类识别等算法,这对信号处理器的硬件性能提出了较高的要求。传统的被动声探测系统往往需要使用多片DSP并行处理的硬件架构来满
2、足需求1-2,因而带来了产品体积功耗的增加以及生产工艺复杂度的提升。近年来,阵列信号处理和声探测领域都有很大的发展,出现了一些新的技术和算法3-4,受限于嵌入式处理平台的性能,这些技术并未实现工程化批量应用。随着集成电路技术的不断发展,嵌入式应用中的多核DSP芯片应运而生,给高性能数字信号处理系统设计带来了新的解决方案。TMS320C66575是德州仪器(TI)公司推出的一款以KeyStone多内核架构为基础的双C66x内核数字信号处理器,非常适合高性能低功耗可编程应用。本文基于近几年声探测领域的新技术,提出了一种以TMS320C6657为信号处理单元,使用24位高分辨率ADC采样的被动声探测
3、系统,实现数据的采集、目标定向和分类识别等功能,具有高实时性、良好的功能扩展性等特点,性能指标较原有系统有了较大的提高。1 系统总体设计系统由声传感器阵列和声探测主机两部分组成。声传感器阵列是由若干个传声器按照一定规则组成的阵列,接收探测目标辐射的噪声信号。声探测主机由模拟电路、数字电路和控制电路组成。模拟电路对声传感器阵列接收的微弱信号进行放大、调理、均衡,并将预处理后的信号送至数字电路进行处理;数字电路实现对目标声信号的模数转换以及定向、识别算法;控制电路用于实现系统的人机操作和外部接口功能。系统组成如图1所示。2 硬件设计2.1 模拟电路根据目标信号特征和阵列信号处理对信号拾取的要求,声
4、传感器阵列各传感器及其对应的模拟通道之间的幅频和相频特性应具有较高的一致性。设计中选用高品质低噪声运算放大器作为模拟电路的核心器件,设计了固定增益的放大电路和四阶巴特沃斯滤波器电路。在工艺上,选用优质电路板材,并通过对关键位置的阻容元件进行严格的环境应力筛选和一致性挑选,以控制电路的一致性和稳定性。传统的声探测系统采用16位以下ADC进行模数转换,而受分辨率的影响,为了达到较高的转换精度,需要根据信号的幅度对模拟电路的放大增益进行自动调整。由于模拟电路是电噪声敏感性单元,为了避免数字噪声的影响,增益控制信号需要进行隔离设计。此外,在增益改变的瞬间,会产生非正常的数据突变,对系统的探测性能产生不
5、确定的影响。为了避免这些问题,本设计根据目标声信号的特征和系统对探测距离的要求,选定了一个固定的增益倍数,而分辨率问题则由高分辨率模数转换来解决。模拟电路功能组成如图2所示。2.2 数字电路数字电路首先对多个通道的模拟信号进行模数转换,然后将得到的数字信号送入双核DSP进行实时处理,完成对目标的定向和识别,并把处理的结果发送给控制电路。数字电路原理框图如图3所示。本系统的模数转换电路使用TI公司的8路同步采样24位分辨率的模数转换芯片ADS1278,保证了在不改变前端放大电路增益条件下的转换分辨率,避免了增益档跳变所带来的影响。为达到最佳性能,每路输入信号经过差分驱动转换成差分信号供给ADS1
6、278的输入端。差分驱动器选用TI的低功耗全差分4路放大器THS4524。本系统将两片ADS1278用菊花链的方式级联,实现了16路模拟通道的同步采样。ADS1278工作在SPI模式下,使用FPGA对其进行控制。FPGA主要有3个功能:一是用于DSP的复位、上电顺序控制以及启动加载模式的选择;二是完成数据采集,包括ADC芯片工作时钟产生、SPI总线控制等;三是将数据通过Upp接口发送给DSP进行处理。FPGA选用XILINX公司的Spartan6系列芯片XC6SLX9FTG256。实现定向、识别算法的核心器件是双核处理器芯片TMS320C6657。外挂SPI接口的NOR Flash用于存储固件
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