魚雷聲自導(dǎo)系統(tǒng)片上處理技術(shù)＊

諸國磊，王英民，曾 浩

（1西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安 710072；2海軍裝備研究院，北京100161）

0 引言

聲自導(dǎo)系統(tǒng)是現(xiàn)代魚雷最基本也是最核心的部件，直接決定魚雷的總體性能和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)［1］。聲自導(dǎo)系統(tǒng)由于其復(fù)雜程度和對實(shí)時性的要求，往往采用大規(guī)模的DSP芯片陣列來進(jìn)行自導(dǎo)信號處理，體積和功耗都較大。為了減小系統(tǒng)的體積，減少系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)小型化，利用最新FPGA片上的上億的門電路資源將整個信號處理部分在單個芯片上實(shí)現(xiàn)提供了一種新的思路［2］。

文中，在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)了一個通過片上網(wǎng)絡(luò)連結(jié)的片上多處理器系統(tǒng)，并將魚雷自導(dǎo)任務(wù)合理的劃分為適合多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多個子任務(wù)后，將所有的子任務(wù)映射在片上系統(tǒng)的多個微處理器上控制其協(xié)調(diào)工作。通過實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為自導(dǎo)系統(tǒng)的小型化實(shí)現(xiàn)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方式。

1 魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)概述

自導(dǎo)系統(tǒng)把基陣接收到的聲信號轉(zhuǎn)變成電信號之后，經(jīng)過一系列信號處理過程，最終得到需要的目標(biāo)參數(shù)信息。這一系列處理包括窄帶信號預(yù)處理、時域采樣、空間處理波束形成等，最終進(jìn)行門限檢測和參數(shù)估計［1］，處理流程如圖1所示，圖中虛線部分是關(guān)注的數(shù)字信號處理部分，將在片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

圖1 自導(dǎo)任務(wù)處理流程

1.1 時域信號處理模塊

時域信號處理部分負(fù)責(zé)將前端預(yù)處理模塊傳來的經(jīng)過數(shù)字化采集的信號進(jìn)行降采樣處理，將數(shù)字信號通過正交解調(diào)、低通濾波后對信號再次進(jìn)行采樣，降低數(shù)據(jù)量。

1.2 波束形成模塊

波束形成模塊完成自導(dǎo)系統(tǒng)中波束形成處理，將陣元信號進(jìn)行加權(quán)空間處理，形成所需的多路波束域信號。

1.3 信號檢測參數(shù)估計模塊

信號檢測處理實(shí)現(xiàn)基本的目標(biāo)檢測功能，確定目標(biāo)是否存在。參數(shù)估計實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)系統(tǒng)的測向、測距、測速等定位算法。

2 片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過Xilinx公司的EDK工具來完成的，并且在Xilinx提供的Virtex－II Pr o開發(fā)板上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，表1給出了整個系統(tǒng)的配置。圖2給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它是一個固定結(jié)構(gòu)的2×3的2維mesh結(jié)構(gòu)，每個處理單元（PE）通過一個網(wǎng)絡(luò)接口（NI）與相應(yīng)的一個路由器（R）相連。

圖2 片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 處理單元（PE）

處理單元是利用Xilinx公司的軟核處理器Micr oblaze來實(shí)現(xiàn)的，在這里采用同樣的IP核來作為處理單元，可以用相同的網(wǎng)絡(luò)接口將這些微處理器連接到路由器上；相同的微處理器為程序的映射也提供了方便。在本系統(tǒng)中，一共實(shí)例化了6個Micr oblaze微處理器。

表1 系統(tǒng)配置

2.2 路由器（R）

路由器是網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的核心部分。片上網(wǎng)絡(luò)采用蟲洞路由交換技術(shù)［3］，數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器的延時很短，可以高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。路由器的主要幾個組成部分見圖3的原理結(jié)構(gòu)框圖，每個功能單元的功能介紹如下。

2.2.1 控制單元

控制單元對多路到達(dá)的數(shù)據(jù)包中的路徑選擇和優(yōu)先級信息進(jìn)行解碼。路徑選擇信息決定數(shù)據(jù)包從哪個出口傳出。當(dāng)多路數(shù)據(jù)同時到達(dá)路由器并競爭同一個出口時，控制單元會根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中優(yōu)先級的高低對數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，優(yōu)先級別高的數(shù)據(jù)先通過路由器被送往目標(biāo)出口，較低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包將被存儲在對應(yīng)的緩沖器中。

圖3 路由器結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 緩沖器單元

緩沖器單元負(fù)責(zé)對參與競爭的低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以防止數(shù)據(jù)包的丟失，以便參與下一次的競爭。緩沖器單元中的FIFO利用片上的Block Ram資源實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 多路選擇單元

多路選擇單元根據(jù)控制單元給出的路徑選擇信息，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定出口。根據(jù)在片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的不同位置，分別設(shè)計了有3、4、5個出口的路由器。表2中給出了三種路由器的能量及資源的使用情況。

表2 路由節(jié)點(diǎn)資源使用及能量損耗

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口（NI）

2.3.1 路由轉(zhuǎn)換與處理單元之間的接口

網(wǎng)絡(luò)接口（NI）是在PLB總線基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在網(wǎng)絡(luò)接口中有輸入和輸出緩存器，實(shí)現(xiàn)對處理單元和路由器之間數(shù)據(jù)的緩沖匹配，由于處理單元和底層路由器的時鐘頻率差異較大，所以從處理單元到路由器的數(shù)據(jù)寫入和讀取需要通過網(wǎng)絡(luò)接口來進(jìn)行速率的匹配。

2.3.2 路由與路由之間的接口

路由與路由之間是通過并行線路直接連接的，數(shù)據(jù)通過對應(yīng)的路由之間的接口連線傳輸。

3 魚雷自導(dǎo)任務(wù)在片上系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在基于FPGA平臺的片上網(wǎng)絡(luò)多處理器系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)信號處理任務(wù)。首先要根據(jù)任務(wù)的運(yùn)算量進(jìn)行任務(wù)劃分，然后要根據(jù)片上系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對任務(wù)進(jìn)行映射［4－5］，以達(dá)到最好的運(yùn)行效率，具體任務(wù)準(zhǔn)備和映射過程如下。

3.1 任務(wù)準(zhǔn)備

自導(dǎo)處理任務(wù)在進(jìn)行映射前首先需要被適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行劃分，對于這個特定任務(wù)采用了手動劃分，在這里主要考慮任務(wù)的復(fù)雜程度將任務(wù)劃分為6個子任務(wù)模塊T1～T6如圖4所示。

任務(wù)T1接收2n路陣元數(shù)據(jù)并拆分各n路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到任務(wù)T2、T3，因?yàn)楹罄m(xù)的低通濾波降采樣任務(wù)運(yùn)算量較大，所以需要拆分為兩個任務(wù)進(jìn)行處理；T2、T3分別將各自的n路數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波降采樣；任務(wù)T4將T2、T3處理完成后的2n路數(shù)據(jù)進(jìn)行水平和垂直疊加形成水平和垂直各m路數(shù)據(jù)；任務(wù)T5對水平和垂直的m路數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成處理，分別形成p、q路波束；任務(wù)T6對波束形成后的波束域進(jìn)行信號檢測和參數(shù)估計。

圖4 自導(dǎo)處理任務(wù)劃分

3.2 任務(wù)映射

綜合考慮處理器陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將劃分好的任務(wù)進(jìn)行了映射，對應(yīng)的映射關(guān)系如圖5所示，任務(wù)T1～T4分別映射在處理單元PE1～PE4上，T5映射在PE6上，T6映射在PE5上。數(shù)據(jù)流向如圖中箭頭所示。

圖5 任務(wù)映射關(guān)系

4 結(jié)果與討論

對系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行測試，給出理想狀態(tài)的2n路陣元數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行自導(dǎo)信號處理。圖6給出了波束形成后觀測到的一個方向上的波束形成結(jié)果，由于是正前方來的信號，所以正前方波束幅度最大。

表3給出了對一組方位的檢測結(jié)果，可以看到由于是理想數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果誤差較小。

圖6 波束形成輸出

表3 方位檢測結(jié)果

通過測試，可以看到系統(tǒng)很好的完成了自導(dǎo)信號處理檢測等任務(wù)。

5 結(jié)束語

文中，在一個FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)了一個片上網(wǎng)絡(luò)多處理系統(tǒng)，將魚雷自導(dǎo)信號處理算法在這個平臺上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，通過實(shí)際運(yùn)行測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。在FPGA上實(shí)現(xiàn)的片上多處理系統(tǒng)平臺還可以進(jìn)一步的改進(jìn)，根據(jù)任務(wù)的情況采用不同的IP核，例如對復(fù)雜處理的處理單元實(shí)例化DSP處理單元以提高運(yùn)算速度，當(dāng)然這會改變通用架構(gòu)，需要針對性設(shè)計路由及接口單元。

［1］ 李志舜.魚雷自導(dǎo)信號與信息處理［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］ 李仁發(fā)，劉彥，徐成.多處理器片上系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度研究進(jìn)展評述［J］.計算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45（9）：1620－1629.

［3］ L M Ni，P K Mc Kinley.A survey of wor mhole routing techniques in direct net works［J］.Computer，F(xiàn)eb.1993，26（2）：62－76.

［4］ G Chen，F(xiàn) Li，S W Son，et al.Application mapping for chip multiprocessors［C］／／IEEE Proc.DAC，June 2008：620－625.

［5］ 楊盛光，李麗，高明倫，等.面向能耗和延時的No C映射方法［J］.電子學(xué)報，2008，36（5）：937－942.