摘  要： 為解決聲誘餌仿真系統(tǒng)中信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的問題，引入Hammerhead-PCI板卡以提高信號(hào)處理速度。文章介紹了系統(tǒng)以及所用信號(hào)處理器的特點(diǎn)，著重描述了Hammerhead在系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及其效果。
關(guān)鍵詞： 聲誘餌仿真；數(shù)字信號(hào)處理器；SHARC；  Hammerhead-PCI
2002年5月B版

引言
聲誘餌仿真系統(tǒng)是為評(píng)估某型聲誘餌的性能(主要是聲學(xué)性能)而建立的一個(gè)DIS(Distributed Interactive Simulation，分布式交互仿真)系統(tǒng)。它包括導(dǎo)演臺(tái)、魚雷模擬器、海洋信道模擬器、潛艇/聲誘餌模擬器和終端演示等模塊，通過(guò)以太網(wǎng)相連而成，圖1是系統(tǒng)框圖。
它通過(guò)模擬潛戰(zhàn)中潛艇投放的聲誘餌與來(lái)襲魚雷進(jìn)行水聲對(duì)抗的過(guò)程，來(lái)評(píng)估聲誘餌對(duì)抗魚雷自導(dǎo)的有效性。由于系統(tǒng)側(cè)重于聲信息及其處理過(guò)程的模擬，因此信號(hào)處理在其中就占有相當(dāng)重要的位置。眾所周知的是，在水聲信號(hào)處理過(guò)程中，不僅需要處理的信號(hào)信息量很大，而且實(shí)時(shí)性要求也很高。因此，在仿真系統(tǒng)中，欲盡可能真實(shí)地再現(xiàn)潛戰(zhàn)的過(guò)程，單純利用軟件進(jìn)行信號(hào)處理顯然難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。為了解決這個(gè)問題，從兩個(gè)方面考慮。一方面為提高傳輸實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)中選用3Com公司的3C17702千兆以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建了系統(tǒng)的通信模塊硬件結(jié)構(gòu)；另一方面采用Bittware公司的Hammerhead PCI信號(hào)處理板(它以ADI的ADSP21160信號(hào)處理芯片作為CPU)，以提高系統(tǒng)中聲信息的處理速度。


圖1  聲誘餌仿真系統(tǒng)框圖

圖２  Hammerhead-PCI及其軟件

圖3  魚雷主動(dòng)自導(dǎo)信號(hào)處理流程

圖4  基于FFT的信號(hào)卷積過(guò)程

圖5  基于FFT的信號(hào)相關(guān)過(guò)程
Hammerhead PCI及相關(guān)軟件簡(jiǎn)介
Hammerhead-PCI是一種PCI接口的數(shù)字信號(hào)處理板卡。它由四塊ADSP-21160 SHARC處理器組成，其PCI接口速度可達(dá)66MHz。板卡可支持512MB的SDRAM，一個(gè)緩沖區(qū)以及兩個(gè)PMC槽，可用于處理器擴(kuò)展。
ADSP-21160 DSP工作在100MHz，它有2400MFLOPs的處理能力，與ADSP-2106x SHARC DSP兼容。它通過(guò)一50MHz，64位的總線訪問板子上的SDRAM，PCI總線接口，以及其他的SHARC DSP。2MB的FLASH RAM存有引導(dǎo)程序，ADSP-21160可以對(duì)其進(jìn)行讀、寫。而512MB的SDRAM作為ADSP-21160的擴(kuò)展存儲(chǔ)器。
Hammerhead PCI的程序開發(fā)相關(guān)軟件主要包括集成開發(fā)和調(diào)試工具VisualDSP及BittWare主機(jī)接口支持工具DSP21K-SF工具箱。圖2是它們之間的關(guān)系圖。

Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用
如“引言”中所述，系統(tǒng)選取Hammerhead PCI的目的是為了提高信號(hào)處理的速度，以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。由此并結(jié)合圖1所描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為魚雷模擬器、海洋信道模擬器和潛艇/聲誘餌模擬器三個(gè)涉及到聲信息處理的節(jié)點(diǎn)配置了Hammerhead PCI信號(hào)處理板。下面以魚雷模擬器為例介紹Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用。

魚雷模擬器中主動(dòng)信號(hào)處理流程
魚雷模擬器模擬了潛戰(zhàn)中魚雷攻擊敵潛艇的機(jī)動(dòng)邏輯和魚雷自導(dǎo)尋的邏輯。其中魚雷自導(dǎo)尋的過(guò)程其實(shí)就是通過(guò)信號(hào)處理發(fā)現(xiàn)并控制魚雷跟蹤目標(biāo)的過(guò)程。信號(hào)處理包括被動(dòng)信號(hào)處理和主動(dòng)信號(hào)處理兩個(gè)過(guò)程：被動(dòng)處理是指魚雷工作在被動(dòng)自導(dǎo)階段時(shí)的處理過(guò)程，它主要是針對(duì)接收到的目標(biāo)輻射噪聲等信息通過(guò)能量積分的方法來(lái)得到目標(biāo)的方位、距離等參數(shù)；主動(dòng)處理則是指魚雷工作在主動(dòng)自導(dǎo)階段時(shí)的處理過(guò)程，主要是通過(guò)對(duì)接收到的目標(biāo)(對(duì)魚雷尋的信號(hào)的)回波信號(hào)經(jīng)一定的處理后和已知的先驗(yàn)相關(guān)樣本信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，由此得到有關(guān)目標(biāo)的具體信息。相比較而言，主動(dòng)處理過(guò)程中要滿足實(shí)時(shí)性的要求就很有必要加入信號(hào)處理板，實(shí)際中即是這樣做的。圖3給出了主動(dòng)信號(hào)處理的流程圖。

應(yīng)用分析
由上小節(jié)可見，需要運(yùn)用DSP信號(hào)處理板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程包括混頻、帶通濾波、低采樣和互相關(guān)等(生成相關(guān)樣本可以放在程序初始化過(guò)程中)，由于這些過(guò)程循環(huán)往復(fù)，并且頻率較高。
在每一個(gè)大的階段中，又都可以分為幾個(gè)小步驟。其中帶通濾波和互相關(guān)兩個(gè)過(guò)程包含了基于FFT的卷積和相關(guān)處理，而這兩個(gè)處理階段顯然占用最多的時(shí)間。具體應(yīng)用中，將一些基礎(chǔ)的運(yùn)算過(guò)程集中起來(lái)，作為運(yùn)算的基礎(chǔ)，放在一個(gè)名為“functions.h”的C頭文件中，而將反復(fù)調(diào)用的主過(guò)程作為生成DSP可執(zhí)行文件的C文件。
根據(jù)需求分析的結(jié)果，寫出算法的C程序并在PC機(jī)平臺(tái)上調(diào)試通過(guò)。然后將程序移植到DSP程序編輯環(huán)境，經(jīng)過(guò)和DSP的聯(lián)調(diào)正常后生成DSP可執(zhí)行文件。
在此過(guò)程中，一個(gè)需要特別注意的問題是DSP中地址分配必須清晰、合理。表1列出了魚雷自導(dǎo)模塊中有關(guān)DSP程序的變量地址分配。
其中SignalLen，SamplingRate，ResultLength，done等4個(gè)參數(shù)在聲明時(shí)都作為一維數(shù)組，是為了與后面的CorrelationData和data的聲明保持一致。
PC機(jī)和DSP的通信由HIL(Host Interface Library，主機(jī)接口庫(kù))來(lái)完成。在這里，用到的HIL函數(shù)主要有DSP的打開、關(guān)閉、配置、程序下載、(待處理的)數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)(處理結(jié)果)上傳等。下面為Visual C++程序中有關(guān)HIL的一段：
void CTorpedoDoc::ActiveProcess(float* data, int SignalLen, float SamplingRate, float*
result, int ResultLength)
{
...
PDSP21K dsp = dsp21k_open_by_id(0, 1);//打開DSP
dsp21k_reset_bd(dsp);//復(fù)位DSP
dsp21k_cfg_proc(dsp);//配置DSP
dsp21k_dl_exe(dsp, "ActiveProcess.dxe");//將可執(zhí)行文件下載到DSP上
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//此處為回波接收線程
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800020, SignalLen);//將信號(hào)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_int(dsp, 0x800021, SamplingRate);//將采樣率數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x800100, 256,CorrelationData);//將相關(guān)樣本信號(hào)數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_dl_flts(dsp, 0x801000, SignalLen, data);//將回波信號(hào)數(shù)據(jù)下載到DSP上
dsp21k_start(dsp);//啟動(dòng)ActiveProcess.dxe
while(dsp21k_ul_int(dsp, 0x800023) != 1);//等待ActiveProcess.dxe執(zhí)行完畢
//ActiveProcess.dxe執(zhí)行完繼續(xù)
ResultLength = dsp21k_ul_int(dsp, 0x800022);//上傳處理結(jié)果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
dsp21k_ul_flts(dsp, 0x801000, ResultLength, result);//上傳處理結(jié)果給result指針
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...//轉(zhuǎn)去相關(guān)處理
}

Hammerhead PCI在系統(tǒng)中的應(yīng)用效果
在整個(gè)信號(hào)處理的程序中，用到最多的而且也是最占用處理時(shí)間的過(guò)程有信號(hào)的卷積和信號(hào)的互相關(guān)。其中在海洋聲信道的處理過(guò)程中，大量用到了卷積積分運(yùn)算；在魚雷自導(dǎo)的信號(hào)處理過(guò)程中，則更多地使用相關(guān)運(yùn)算。兩者都采用了基于FFT(Fast Fourier Transform，快速Fourier變換)的算法，即利用FFT的性質(zhì)，進(jìn)行時(shí)域 - 頻域 - 時(shí)域的變換，以減小運(yùn)算中乘法次數(shù)。運(yùn)算過(guò)程分別如圖4、5：
圖4中，f(k)為輸入海洋聲信道的采樣信號(hào)序列，h(k)為海洋聲信道的沖激響應(yīng)函數(shù)的采樣序列。
圖5中，f(k)為回波信號(hào)的采樣序列，即3.3小節(jié)程序中data指針；g(k)為相關(guān)樣本序列，即其中的CorrelationData指針。G*(ejω)為FFT(g(k))的共扼。R(f(k), g(k))表示f(k)和g(k)的互相關(guān)。
為測(cè)試DSP信號(hào)處理的效果，另外編制了程序“Sharc.dsw”。程序針對(duì)同樣的信號(hào)相關(guān)處理過(guò)程，分別在單獨(dú)利用Visual C++編程和通過(guò)DSP處理的條件下記錄重復(fù)執(zhí)行100次所耗時(shí)間，共測(cè)試8次，結(jié)果如表2。其中DSP處理時(shí)間不包括可執(zhí)行程序下載及前面的DSP初始化工作。
由上表可見，使用DSP處理的平均時(shí)間僅為不使用時(shí)的10%弱，大大提高了信號(hào)處理的速度。信號(hào)卷積的結(jié)果與此類似。需要指出的是，上表中的時(shí)間并不是全部用來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的，還包括循環(huán)所占用的時(shí)間。因此，實(shí)際的處理時(shí)間還要更短些。

結(jié)語(yǔ)
綜上所述，由于采用了基于ADSP21160的數(shù)字信號(hào)處理板Hammerhead-PCI，使得信號(hào)處理速度得到提高，從而系統(tǒng)的運(yùn)行效率也相應(yīng)得到了很大提高；加上所選高效通信硬件，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真的目的。本文所描述的系統(tǒng)目前已經(jīng)完成，運(yùn)行良好?！?

參考文獻(xiàn)
1 魯欣. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)方案的比較與選擇，電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28(1)：6-8
2 趙俊渭. 聲納合成環(huán)境模擬與仿真，作戰(zhàn)模擬與仿真技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2000，青島
3 邵國(guó)華. 水面艦艇水聲對(duì)抗系統(tǒng)仿真配置研究，艦船科學(xué)技術(shù)，1999，167(3)：21-24