一種干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

冀志軒

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一種干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

冀志軒

（海軍駐沈陽彈藥軍事代表室，沈陽 110045）

本文介紹了干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程，主要闡述了SOPC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程、DMA數(shù)據(jù)傳輸方法、信號(hào)產(chǎn)生方法等。最后通過系統(tǒng)的部分測(cè)試結(jié)果表明能夠達(dá)到要求。

干涉合成孔徑聲納 信號(hào)源 軟件 設(shè)計(jì)

0 引言

干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)分成信號(hào)傳感器數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生子系統(tǒng)等。本文從SOPC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程、DMA數(shù)據(jù)傳輸方法、信號(hào)產(chǎn)生方法等方面對(duì)該聲納信號(hào)源系統(tǒng)進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

1 SOPC Builder開發(fā)

在干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，絕大部分組件都是Altera公司提供的IP，可以很方便的集成到SOPC Builder中去。如NiosII軟核，LAN91C111網(wǎng)絡(luò)接口，SDRAM和Flash控制器等，都是直接可以應(yīng)用的。但也有一些自己開發(fā)的IP核，如DA的控制接口，通過按照Avalon總線接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，同樣可以很容易的集成到SOPC系統(tǒng)中去。整個(gè)系統(tǒng)在SOPC Builder GUI下如圖1所示。

2 基于DMA傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)采集

2.1 Altera DMA控制器簡(jiǎn)介

DMA控制器用于執(zhí)行從源地址空間到目的地址空間的直接存儲(chǔ)器訪問數(shù)據(jù)傳輸[2-3]。源和目的可以是Avalon從外設(shè)或是存儲(chǔ)器內(nèi)的一段地址范圍。DMA控制器可以同具有流控制的外設(shè)聯(lián)合使用，可以進(jìn)行有固定和可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)處理。當(dāng)DMA傳輸結(jié)束，DMA控制器可以發(fā)一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。

DMA數(shù)據(jù)傳輸定義為一個(gè)或多個(gè)由DMA控制器內(nèi)核發(fā)起的Avalon傳輸?shù)男蛄?。DMA控制器具有兩個(gè)Avalon主端口：一個(gè)主讀端口和一個(gè)主寫端口。一個(gè)Avalon從端口用于控制DMA，如圖2所示。

Nios II中的DMA傳輸有以下三種形式：

1）存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器

這種情況下需要同時(shí)打開發(fā)送通道和接收通道，而且源地址和目標(biāo)地址都是自增的。

2）存儲(chǔ)器到外設(shè)

這種情況下只要打開發(fā)送通道，而且源地址是自增的，目標(biāo)地址是固定的。

3）外設(shè)到存儲(chǔ)器

這種情況下只要打開接收通道，而且源地址是固定的，目標(biāo)地址是自增的。

在本設(shè)計(jì)中，由于是采集傳感器的數(shù)據(jù)，屬于外設(shè)到存儲(chǔ)器這一類，源地址是固定的，目標(biāo)地址隨數(shù)據(jù)遞增。

進(jìn)行一次DMA傳輸?shù)幕静僮魇牵菏紫仍O(shè)定DMA要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，當(dāng)DMA傳輸完成后，產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷服務(wù)程序中可以再次發(fā)起傳輸，這樣可以對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷采集。

采用定長(zhǎng)方式，對(duì)同樣是定長(zhǎng)數(shù)據(jù)包的傳感器可以很好的采集其數(shù)據(jù)。但對(duì)于數(shù)據(jù)包不是定長(zhǎng)的傳感器采用定長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，在一次DMA傳輸結(jié)束與發(fā)起下一次傳輸之間，會(huì)有數(shù)據(jù)的丟失，在實(shí)際調(diào)試時(shí)，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖1 SOPC Builder GUI

圖2 DMA控制器內(nèi)核原理圖

2.2 對(duì)Altera DMA控制器的改善

由于采用Altera DMA控制器只定長(zhǎng)方式傳輸存在如上述所描述的問題，所以要對(duì)其進(jìn)行改善，以解決上述問題。

對(duì)數(shù)據(jù)丟失的原因進(jìn)行分析可知，造成數(shù)據(jù)丟失是因?yàn)樵谝淮蜠MA傳輸結(jié)束后，產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中發(fā)起新的傳輸。也就是說在系統(tǒng)響應(yīng)中斷服務(wù)函數(shù)的過程中，傳感器數(shù)據(jù)仍在發(fā)送，而此時(shí)DMA沒有在工作，所以造成了數(shù)據(jù)的丟失。

解決的方案是想辦法讓DMA在一次傳輸完成后，自動(dòng)加載初始目標(biāo)地址并啟動(dòng)新的傳輸，即讓DMA工作在一種循環(huán)模式。這樣就不會(huì)因?yàn)檐浖系那袚Q而造成數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，還要產(chǎn)生一個(gè)半傳輸完成中斷，即在DMA傳輸完成設(shè)定數(shù)據(jù)的一半時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)中斷，此時(shí)軟件可以對(duì)這前一半的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)進(jìn)行后一半數(shù)據(jù)的DMA傳輸。當(dāng)傳輸完成時(shí)對(duì)后一半數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣相當(dāng)于是在進(jìn)行一個(gè)乒乓操作，而不會(huì)引起數(shù)據(jù)覆蓋問題。

具體操作也很簡(jiǎn)單，在SOPC Builder中加入DMA控制器后，會(huì)生成相應(yīng)的HDL描述文件，在工程目錄下找到這個(gè)文件并對(duì)其進(jìn)行修改，主要任務(wù)有：

1）增加幾個(gè)備份寄存器。

如：reg [23:0] half_length; 半長(zhǎng)度寄存器

reg [23:0] length_temp; 長(zhǎng)度備份寄存器

reg [23:0] writeaddress_temp; 初始目標(biāo)地址備份寄存器

reg hdone; 半長(zhǎng)傳輸完成標(biāo)志位

2）增加一個(gè)半完成中斷信號(hào)。

Assign dma_ctl_irq = i_en & （done || hdone）;

3）當(dāng)傳輸完成時(shí)重新加載初始值。

//重新加載初始目標(biāo)地址

always @（posedge clk or negedge reset_n）

begin

if （reset_n == 0）

writeaddress <= 24'h0;

else if （clk_en）

if（done_transaction & ~d1_done_transaction） writeaddress <= writeaddress_temp;

else

writeaddress <= p1_writeaddress;

End

//重新加載初始長(zhǎng)度值

always @（posedge clk or negedge reset_n）

begin

if （reset_n == 0）

length <= 24'h0;

else if （clk_en）

if（done_transaction & ~d1_done_transaction） length <= length_temp;

else

length <= p1_length;

end

4)在NiosII中修改DMA的寄存器文件。

//狀態(tài)寄存器中半傳輸完成中斷位

#define ALTERA_AVALON_DMA_STATUS_HALFDONE_MSK （0x20）

#define ALTERA_AVALON_DMA_STATUS_HALFDONE_OFST

#define IOADDR_ALTERA_AVALON_DMA_HALFLENGTH（base） __IO_CALC_ADDRESS_NATIVE（base, 4）

#define IORD_ALTERA_AVALON_DMA_HALFLENGTH（base） IORD（base, 4）

#define IOWR_ALTERA_AVALON_DMA_HALFLENGTH（base, data） IOWR（base, 4, data）

通過實(shí)驗(yàn)證明，采用這種循環(huán)模式后，可以有效的解決在DMA切換時(shí)數(shù)據(jù)丟失的問題，提高了DMA傳輸效率。

2.3 數(shù)據(jù)采集工作流程

在數(shù)據(jù)采集的過程中，需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，校驗(yàn)等工作，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的控制流程如圖3中（1）所示，數(shù)據(jù)處理過程如圖3中（2）所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集工作流程

2.4 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

在顯示控制臺(tái)端（其控制界面如圖4所示），當(dāng)啟動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)上傳后，網(wǎng)絡(luò)接將收到的數(shù)據(jù)寫入文件中，以O(shè)ctans數(shù)據(jù)文件為例，在Octans數(shù)據(jù)包中有時(shí)間信息，每一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔為200 ms。因此從時(shí)間信息可判斷有沒有丟數(shù)據(jù)包的情況。在數(shù)據(jù)包中的每一行數(shù)據(jù)信息結(jié)尾處，都有兩位數(shù)據(jù)信息校驗(yàn)位，可以通過這兩位對(duì)整行數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，這樣可驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。Octans兩個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)包信息如下：

$HEHDT,269.15,T*16

$PHTRO,0.07,M,0.31,B*5B

$PHLIN,0.000,0.000,0.000*51

$PHSPD,0.000,0.000,0.000*5D

$PHROT,0.000,0.000,0.000*53

$PHHRP,-01,d,0F00002F*34

$PHZDA,000106.330,01,01,2006,00,00*5A

$HEHDT,269.16,T*15

$PHTRO,0.07,M,0.31,B*5B

$PHLIN,0.000,0.000,0.000*51

$PHSPD,0.000,0.000,0.000*5D

$PHROT,0.000,0.000,0.000*53

$PHHRP,-01,d,0F00002F*34

$PHZDA,000106.530,01,01,2006,00,00*5C

其中$PHZDA行為時(shí)間信息，分別是分.毫秒，日，月，年，最后兩位為檢驗(yàn)位。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間上十萬數(shù)據(jù)包的測(cè)試，沒有出現(xiàn)丟包，錯(cuò)數(shù)據(jù)的情況。

圖4 系統(tǒng)控制界面

3 信號(hào)產(chǎn)生

在合成孔徑聲納系統(tǒng)中，需要發(fā)射余弦信號(hào)，線性調(diào)頻信號(hào)和余弦二相碼信號(hào)，這三種信號(hào)都是采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是奈奎斯特采樣定理[4-6]。當(dāng)采樣頻率大于等于信號(hào)的最高頻率兩倍時(shí)，采樣序列信號(hào)就保留了原始信號(hào)的全部信息。

3.1 余弦信號(hào)

產(chǎn)生余弦信號(hào)的方法有很多種，常見的有查表法，曲線擬合法等。其中查表法易于實(shí)現(xiàn)，且精度高，速度快，所以在本設(shè)計(jì)中采用查表法實(shí)現(xiàn)。

由余弦信號(hào)函數(shù)表達(dá)式：

其中振幅=1；初始相位=0；偏移量=0；角頻率=2π，其中為輸出信號(hào)的頻率；所以余弦信號(hào)表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

首先建立余弦表，在Matlab下面可計(jì)算出0~2π對(duì)應(yīng)的余弦值，為了提高信號(hào)的精度，在表中存儲(chǔ)了0~2π對(duì)應(yīng)的65536個(gè)余弦值。其值從-1到1，均為小數(shù)，無法直接作為DAC的輸入，需要進(jìn)一步處理。由DAC可知，當(dāng)DAC的輸入為全1，即65536時(shí)，輸出信號(hào)為正的最大；當(dāng)DAC的輸入為全0時(shí)，輸出信號(hào)為負(fù)的最大。DAC輸入為32767時(shí)，輸出為零電平信號(hào)。所以將0~2π對(duì)應(yīng)的余弦值先乘以32767再加上32767，即可使得0~2π對(duì)應(yīng)的余弦值處在0~65536范圍內(nèi)。

先計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位：

當(dāng)相位不在0~2π內(nèi)時(shí)，根據(jù)余弦信號(hào)的周期性可知，對(duì)2π取模，使其處于0~2π范圍內(nèi)，然后即可得出每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)余弦表的偏移量：

得到每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的DAC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，將其寫入SRAM中，當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生的門控到達(dá)時(shí)，DAC從SRAM讀取數(shù)據(jù)，即可輸出余弦信號(hào)。

3.2 余弦脈沖二相碼信號(hào)

余弦脈沖二相碼信號(hào)是攜載二進(jìn)制數(shù)字信息的隨機(jī)脈沖序列，是一種數(shù)字基帶信號(hào)。

表征二進(jìn)制數(shù)字代碼最常見的數(shù)字基帶信號(hào)是矩形脈沖的單極性不歸零碼，如圖5（a）所示，該信號(hào)易于產(chǎn)生，但帶外輻射較大，且不含有同步信息，因而不便于直接在系統(tǒng)中傳輸。所謂余弦脈沖二相碼信號(hào)就是圖5（b）所示的余弦脈沖信號(hào)，利用前后相鄰碼元的載波相對(duì)相位變化傳遞數(shù)字信息。假設(shè)當(dāng)前相位為，表征二進(jìn)制數(shù)字代碼“1”時(shí)，用π的余弦脈沖表示;表征二進(jìn)制數(shù)字代碼“0”時(shí)，用π的余弦脈沖表示,表示二進(jìn)制數(shù)字代碼“0110010” 的余弦脈沖二相碼信號(hào)波形如圖5所示。

余弦脈沖二相碼信號(hào)是數(shù)字基帶信號(hào)，是隨機(jī)二進(jìn)制脈沖序列，它可表示為：

其中是余弦脈沖信號(hào)，為碼元持續(xù)時(shí)間，表示信息代碼，當(dāng)表示“0”碼時(shí)，其取值為-1，當(dāng)表示“1”碼時(shí)，其取值為+1。

3.3 線性調(diào)頻信號(hào)

調(diào)頻信號(hào)是通過非線性相位調(diào)制獲得大的時(shí)寬帶寬乘積的典型例子，而線性調(diào)頻信號(hào)是其中研究最早、應(yīng)用最廣泛的一種脈壓信號(hào)。采用這種信號(hào)可以使聲納同時(shí)獲得更遠(yuǎn)的作用距離和更高的距離分辨率，在信號(hào)分析中有獨(dú)特的作用。其突出的特點(diǎn)是匹配濾波器對(duì)多普勒頻移不敏感，即使回波信號(hào)有較大的多普勒頻移，匹配濾波器仍能起到壓縮的作用。但是這類信號(hào)的主要缺點(diǎn)是匹配濾波輸出響應(yīng)的旁瓣高。這樣做的代價(jià)是：使輸出信號(hào)的主瓣降低、展寬，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)信噪比損失及距離分辨力變差，在一定程度上降低了系統(tǒng)的靈敏度。

線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)形式數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：為信號(hào)幅度；0為載波中心頻率；為脈沖寬度；為信號(hào)帶寬；=/為信號(hào)的調(diào)頻斜；()為矩形信號(hào)包絡(luò)。線性調(diào)頻信號(hào)示意圖如圖6所示。

線性調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率為：

在Matlab下仿真結(jié)果如圖7所示，其中：A=1000，f0=100，K=400。

圖7 線性調(diào)頻信號(hào)在Matlab下仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要介紹了干涉合成孔徑聲納信號(hào)源系統(tǒng)的軟件部分，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)開發(fā)中的主要過程，給出了各主要過程的流程圖和部分例程，并給出了系統(tǒng)的部分測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到要求。

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Design of Software On Interferometric Synthetic Aperture Sonar

Ji Zhixuan

(Shenyang Naval Ammunition Millitary Office, Shenyang 110045, China)

TP319

A

1003-4862（2014）12-0009-05

2014-09-28

冀志軒（1989-），男，助理工程師。研究方向：彈藥工程。