TMC2310 DSP晶元在水下目標檢測與參數估計中的應用

摘 要：介紹了TMC2310晶元的主要特點、功能及其結構，給出了採用該晶元的水聲信號處理系統電路原理框圖和軟體設計流程。該水聲信號處理系統可對水下目標進行實時高速檢測和參量估計，已在最近幾年進行了多次水池試驗。經湖上和海上試驗驗證，證明其性能良好、工作穩定。現已投入小批量生產。

    關鍵詞： 聲場 檢測與估計 DSP FFT 自適應FIR濾波
        對目標進行檢測、估計、跟蹤是雷達與聲納應用的最終目的，其任務是對接收信號進行一定的處理、提取特徵、分析識別，以檢測目標的存在與否，進而通過對信號的處理與運算估計出目標的方位、距離與速度，實現定位和跟蹤。對於水下目標的檢測與參量估計有兩種方式：一是對海洋聲場進行監測，從接收信號中提取目標輻射雜訊並進行識別與參量估計（即被動方式）；二是由聲納系統發射給定的序列信號（常用的有CW信號和FM信號等），並對接收的回波信號進行檢測與參量估計。由於海洋聲場極其複雜多變，受溫度、鹽度、深度、梯度、水流、水域、季節、氣候、風浪、溫層、流層、界面的反射與折射等諸多因素的影響，使水聲通道相當複雜，接收信號通常會畸變，並淹沒在雜訊之中。對水下目標實現實時、快速、準確、精確地檢測與參量估計是聲納系統不斷追求的目標。充分利用高性能的數字信號處理（DSP）器件及技術來實現具有良好特性的演算法，將會顯著提高檢測目標的概率和參量估計的精度，從而推動聲納的發展與應用。

    近二十年來，相繼出現了許多重要的目標檢測及參數估計演算法，如分裂波束精確測向演算法[2]、ARMA法[4]、MUSIC法[5]和ESPRIT法[6] 等DOA估計方法，以及LMS演算法[7]等自適應信號處理方法。這些演算法的實現，大多需要通過一些通用的數學運算以及矩陣運算，並採用如FFT、IFFT 等快速演算法，而這些運算均可方便地利用TMC2310器件來實現。本文將對TMC2310晶元應用於水下目標的檢測與估計進行介紹。

    １ TMC2310簡介

    TMC2310是美TRW公司生產的高速度（實現一次基二蝶形運算僅需100ns）、多功能（共有16種運算功能）、可編程的專用數字信號處理（DSP）器件，其使用靈活、操作方便、性價比高，可廣泛應用於雷達、聲納、通訊及虛擬儀器等領域。

    １．１ 主要特點   

    ·可自動或手動地實現浮點塊的溢出調整

    ·具有流水線及管道操作兩種定址方式

    ·用戶可編程窗函數功能

    ·具有片內係數存儲器

    ·具有兩個算術運算單元

    ·19bit的運算精度及輸出位寬

    １．２ 主要功能

    ·可快速完成不加窗及加窗（實數窗或複數窗）的FFT及IFFT演算法

    ·可同時構成兩路并行的FIE濾波器（16～1024階）

    ·可構成自適應FIR濾波器

    ·可進行實數、複數的乘及乘加運算

    ·可進行複數求模及陣列矢量的平方運算

    １．３ 結構與管腳

    TMC2310由兩個算術單元（AE0、AE1）、片內係數ROM、控制邏輯單元和外部介面電路五個主要部分構成，其邏輯框圖見圖１。每個算術單元包括一個乘法序列電路和乘—加算術邏輯電路塊。該晶元採用了88引腳的PGA封裝形式。

   管腳定義如下：

VDD??VSS   電源輸入引腳，採用單一＋5V供電

CLK        系統時鐘輸入引腳

RD     讀信號，低電平有效

WR      寫信號，低電平有效

SEMSEL     外部存儲器選擇信號輸出引腳

SCEN       定標輸出允許引腳

DONE       系統工作結束標誌輸出引腳

CMD0～CMD1 控制命令輸入引腳

W0～W16    雙功能數據匯流排，用於輸入窗函數、 濾波器係數及輸出定標器的移位指數和最後一次溢出

AD0～AD9   外部數據存儲器地址匯流排

RG0～RG18  實部雙向數據匯流排

IM0～IM18  虛部雙向數據匯流排

    １．４ 配製寄存器

    TMC2310片內有兩個16bit的配製寄存器（CR1、CR2），用來對TMC2310進行編程設置，其主要用途如下：

CR1 用來設定晶元的處理功能、轉換長度、輸出格式及定標方式；

CR2 主要用來設定定址方式和變換路數（1～64路）。

    ２ 電路設計

    由於TMC2310是可編程的專用DSP器件，我們用一片TMS320C25 DSP器件與之配合，採用主從結構、并行處理方式，加上外圍共享存儲器陣列對等組成處理模塊。TMS320C25除對TMC2310進行編程及控制外，還以并行運算處理的方式完成一些後續處理及輔助運算（如數據抽取、積分等）。整個電路系統採用模塊化設計，便於調試及擴展。信號處理模塊原理框圖如圖2所示。

    在圖2中，TMC2310和TMS320C25之間設計了一個以乒乓方式工作的雙口RAM陣列，其作用有四：（１）存放待處理的數據（實部數據放在REM 塊，虛部數據放在IMM塊）；（２）存放TMC2310所需的係數或參數（放在WDM塊）；（３）存放TMC2310的輸出結果並作為TMC2310中間結果緩存；（４）構成TMS320C25的運算內存。為了便於構成系統及滿足實時需要，用一片IDT7025雙口RAM（8K×16）構成一個 TMS320C25與外部共享的ＲＡＭ區，以便實時地與外部進行數據交換和通訊。這個雙口ＲＡＭ區也以乒乓方式工作，以增強模塊的寬容性。

    電路的乒乓工作方式控制邏輯是由TMS320C25根據系統的節拍時序進行控制的。控制電路確保CAA12與CAB12互斥，CAL12與CAR12互斥。整個電路簡單、緊湊、協調有序。由於採用了VLSI器件設計，電路設計大大簡化，調試方便、功能強大、性能可靠、吞吐量大（完成1024點FFT的數據通過率為2.343M字／秒）。

    ３ 軟體設計

    TMS320C25的主要任務有：（１）根據功能需要對TMC2310進行編程設置及控制管理；（２）與TMC2310進行數據交換；（３）完成部分處理運算（如：抽樣、積分、數值及參量計算等）；（４）與系統進行通訊（如數據輸入輸出及功能、方式的設立等）。我們將這些內容分成不同的子程序按模塊進行設計，既便於調試又易於功能擴展。

    軟體主要由一個主程序與若干個子程序模塊組成。主要的模塊有：TMC2310的設置與控制；與外部的通訊；數據的輸出、數據載入、係數載入及十幾個運運算元模塊。由於篇幅有限，以下僅給出主程序流程框圖（見圖3）。

    將TMC2310應用於水下目標的檢測與估計，具有速度快、功能強、可編程、易操作等特點。我們用其開發研製的信號處理模塊，體積小、易擴展。組成的系統能在飛機、艦船等環境下可靠工作。幾年來，經水池、湖及海上的多次試驗和試用，證明其設計合理、應用成功，已投入小批量生產。此外還可用於雷達、通訊及虛擬儀器等許多領域，具有很好的應用前景。