一種基于FPGA的模擬潛艇噪聲信號產(chǎn)生模塊的設(shè)計

漆萬鵬，劉天華，晏生劍

（1.海裝駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北 武漢 430000；2.海裝駐宜昌地區(qū)軍事代表室，湖北 宜昌 443003；3.中國船舶重工集團有限公司 海聲科技有限公司，湖北 宜昌 443005）

0 引言

隱蔽性在潛艇作戰(zhàn)效能中起著決定性作用。水聲支援干擾系統(tǒng)，其使命是通過逼真模擬潛艇目標(biāo)聲譜特征及行為特性，形成對敵反潛預(yù)警系統(tǒng)和人員心理的干擾及欺騙，提升潛艇作戰(zhàn)效能。

通常情況下，水聲支援干擾系統(tǒng)是由信號處理機完成聲特征譜信號的算法實現(xiàn)，信號產(chǎn)生模塊實現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，功放模塊實現(xiàn)信號的功率放大，換能器實現(xiàn)信號的電聲轉(zhuǎn)換。為了靈活適配各類平臺，方便系統(tǒng)前期方案驗證和效能評估，必須降低系統(tǒng)復(fù)雜度。功放模塊和換能器是發(fā)射系統(tǒng)不可缺少的2個環(huán)節(jié)，所以將信號處理機與信號產(chǎn)生模塊合二為一是比較理想的解決方案。本文介紹了一種基于FPGA的模擬潛艇噪聲信號產(chǎn)生模塊，綜合了信號處理機與信號產(chǎn)生模塊二者的功能，既能實現(xiàn)聲特征譜信號生成算法，又能實現(xiàn)數(shù)字信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。

該信號產(chǎn)生模塊根據(jù)上位機下發(fā)的參數(shù)命令可以實時產(chǎn)生線譜、調(diào)制譜和寬帶噪聲信號，信號經(jīng)過合成運算、匹配濾波后，再通過高頻、中頻、低頻3路D/A通道輸出，控制發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生模擬潛艇噪聲信號。

1 組成及工作原理

1.1 硬件組成

信號產(chǎn)生模塊硬件電路主要由供電電路、FPGA主控電路、串口通信電路、以太網(wǎng)通信電路、深度采集電路、D/A輸出電路、TTL信號控制電路組成，如圖1所示。

圖1 硬件組成框圖Fig.1 Hardware composition block diagram

1.2 工作原理

信號產(chǎn)生模塊需要根據(jù)上位機下發(fā)的命令參數(shù)實時產(chǎn)生相應(yīng)的模擬潛艇噪聲信號。模擬潛艇噪聲信號的特征需要通過信號發(fā)射系統(tǒng)（功放發(fā)射模塊和換能器）實際工作的頻率特性來進行調(diào)整，信號產(chǎn)生模塊根據(jù)反復(fù)測試后確定的參數(shù)產(chǎn)生模擬潛艇噪聲電信號，再經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出逼真的模擬潛艇噪聲水聲信號。

FPGA系統(tǒng)接收到命令參數(shù)數(shù)據(jù)包后，將命令參數(shù)數(shù)據(jù)解析為信號控制參數(shù)和工作控制參數(shù)。

信號控制參數(shù)包含的信息有白噪聲的增益控制、開關(guān)控制；每根線譜的起始頻率、截止頻率、調(diào)頻時間、增益控制、開關(guān)控制；每根調(diào)制譜的起始頻率、截止頻率、調(diào)頻時間、增益控制、開關(guān)控制；各發(fā)射通道的增益控制、開關(guān)控制。通過信號控制參數(shù)可以確定白噪聲的增益特性，線譜數(shù)量、線譜頻率特性、線譜增益特性，調(diào)制譜數(shù)量、調(diào)制譜頻率特性、調(diào)制譜增益特性。然后將白噪聲、線譜、調(diào)制譜進行合成生成寬帶噪聲和合頻信號。此時的寬帶信號和合頻信號與發(fā)射系統(tǒng)不匹配，需根據(jù)各發(fā)射通道實測的頻率特性進行均衡濾波，最后經(jīng)發(fā)射控制模塊輸出給功放，以達到模擬潛艇噪聲信號的真實性。

工作控制參數(shù)包含的信息有系統(tǒng)啟動總延時，深度開關(guān)設(shè)定值、深度開關(guān)啟停、達到指定深度后延時、各發(fā)射通道工作時長、任務(wù)編號。如果深度開關(guān)停止，則系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)啟動總延時定時，定時完成后啟動信號產(chǎn)生與合成模塊。如果深度開關(guān)開啟，則系統(tǒng)啟動總延時、定深啟動、達到指定深度后延時同時工作，深度后延時定時器在達到指定深度后才會開啟，與系統(tǒng)啟動總延時定時器并行工作，以2個定時后定時完成的控制信號作為信號產(chǎn)生與合成模塊啟動標(biāo)識。各發(fā)射通道工作時長定時器在信號產(chǎn)生與合成模塊開啟后開始工作，定時完成后關(guān)閉均衡濾波模塊停止信號輸出。該系統(tǒng)可以同時設(shè)置3組參數(shù)存儲在FPGA的RAM中，每組參數(shù)的編號通過參數(shù)編號選項區(qū)分，參數(shù)的工作順序為編號1、編號2、編號3。信號產(chǎn)生模塊工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理框圖Fig.2 Working principle block diagram

2 硬件電路設(shè)計

FPGA是本電路中的核心控制器件，串口協(xié)議解析，各種信號實時產(chǎn)生，信號合成，濾波器實現(xiàn)等均由其實現(xiàn)。電路中選擇 ALTERA公司颶風(fēng) 3系列EP3C40F324I7作為控制器件[1]。

網(wǎng)絡(luò)傳輸功能是本設(shè)計中預(yù)留的功能，為后期信號處理機控制信號產(chǎn)生模塊做準(zhǔn)備。該電路主要實現(xiàn)百兆以太網(wǎng)全雙工網(wǎng)絡(luò)通訊。百兆網(wǎng)絡(luò)物理層采用以太網(wǎng)芯片 DP83640實現(xiàn)，與 FPGA內(nèi)部MAC控制器通過MII接口連接。

D/A芯片選用TI公司的16位分辨率的D/A芯片DAC8830ICD，輸出信號先經(jīng)過1級電壓跟隨電路增加驅(qū)動能力，然后經(jīng)過電容隔直流電壓[2]，接著通過1階RC低通濾波器進行平滑慮波，最后通過差分運放THS4130放大輸出[3]。

RS232通信選擇MAXIM公司的低功耗收發(fā)器MAX3227。選用表壓型深度傳感器，由 ADS8320采樣得到深度數(shù)據(jù)?？刂戚敵?、狀態(tài)輸入接口使用電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC2T45實現(xiàn)3.3 V與5 V TTL電平轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸入電壓為±8 V，需要產(chǎn)生±5 V，+3.3 V，+2.5 V，+1.2 V共5路穩(wěn)定電源。+5 V和+3.3 V電源選用LINEAR公司的DCDC芯片LT3991產(chǎn)生。+2.5 V和+1.2 V電源電流需求較小，選用LINEAR公司的VLDO芯片LT3022產(chǎn)生。-5 V電源選用TI公司的負(fù)輸入電壓LDO芯片tps7a3001產(chǎn)生。

3 FPGA片內(nèi)邏輯設(shè)計

3.1 白噪聲的實現(xiàn)

偽隨機序列是人為構(gòu)成的數(shù)字序列，只包含高低2種電平，它是離散的，不具有真正的正態(tài)分布特性，但當(dāng)序列的長度逼近無限大時，它趨于正態(tài)分布[4]。

本設(shè)計中數(shù)字白噪聲是使用63位移位寄存器產(chǎn)生的m序列偽隨機碼實現(xiàn)。移位寄存器noise的初始值為63位2進制數(shù)63＇h491290201840B084（16進制表示方法），移位寄存器每個時鐘周期右移一位，將移位寄存器第 0位 noise[0]與第 1位noise[1]進行異或運算，運算結(jié)果賦值給第 62位noise[62]，此運算方法作為m序列特征多項式。

因為使用D/A芯片為16位分辨率，所以M序列輸出也定義為16位寄存器。將移位寄存器noise的低16位noise[15:0]作為M序列輸出，即得到16位白噪聲數(shù)據(jù)。

3.2 線譜的實現(xiàn)

線譜信號為單頻或者調(diào)頻的正弦信號，可以使用Altera官方提供的NCO IP Core來實現(xiàn)。NCO IP Core即數(shù)字壓控振蕩器知識產(chǎn)權(quán)核可以通過多種算法實現(xiàn)一個離散的正弦波信號輸出[5]。正弦波信號時域方程如下：

式中：T為該模塊的工作時鐘周期；f0為輸入頻率控制字φINC設(shè)置的未調(diào)制的輸出信號頻率；fFM是調(diào)制頻率控制字φPM決定的調(diào)制頻率；φPM為該輸出正弦波的調(diào)制相位，，由輸入控制字p的比特位數(shù)pwidth決定它的精度；φDITH為模塊內(nèi)部自身的不穩(wěn)定而引起的相位雜散（噪聲）；幅值 A=2N-1，其中N為幅值精度，取值在4～32之間。

f0與頻率控制字φINC滿足以下關(guān)系：

式中：M為相位累加器精度；fclk為模塊工作時鐘頻率。

輸出信號頻率精度：

通過Altera公司的FPGA編譯軟件 QuartusII 12.0 中的MegaWizard Plug-In Manager 功能調(diào)用NCO V12.0 軟核，配置軟核中相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)式（1）-（3）來實現(xiàn)所需要的頻率輸出功能。NCO軟核的實現(xiàn)選擇 CORDIC算法，相位累加器精度設(shè)為24位，輸出幅值精度為16位，輸入時鐘頻率為340 kHz。CORDIC算法實施方案選擇串行模式，目標(biāo)器件選擇Cyclone III，1路NCO通道，1路頻率預(yù)置分支，單路正弦信號輸出。

NCO模塊信號輸出是連續(xù)變化的，不隨φINC設(shè)置值發(fā)生改變而間斷。為了實現(xiàn)NCO模塊的線性調(diào)頻信號輸出，需要等時等量的改變φINC設(shè)置值。

信號頻率從fstart到fend線性變化，信號輸出時間寬度為φwidtht，每1 s改變INCφ設(shè)置值，則INCφ變化次數(shù)為 n um =twidth/1s 。根據(jù)關(guān)系式（2）得，起始頻率fstart對應(yīng)的φINC設(shè)置值為

截止頻率fend對應(yīng)的φINC設(shè)置值為

每1 s后φINC設(shè)置值步進量為

收到信號控制參數(shù)后，首先根據(jù)式（4）-（6）分別計算出線譜產(chǎn)生的起始頻率、截止頻率和每秒頻率增量，然后將 NCO模塊的復(fù)位信號nco_reset_n拉低，對NCO模塊進行初始化，使能NCO模塊時鐘使能信號nco_clken。然后將φstart賦值給NCO模塊的相位累加寄存器nco_pfi_inc_i，輸出起始頻率正弦信號，等待1 s將φstart與φplus相加值賦給 nco_pfi_inc_i，輸出下一個頻率遞增的信號，像這樣連續(xù)輸出（num-1）個頻率遞增的正弦信號就實現(xiàn)了調(diào)頻線譜信號輸出。如果設(shè)置的調(diào)頻信號的起始頻率與截止頻率一致，則輸出為固定線譜。

3.3 信號合成與寬帶噪聲的實現(xiàn)

寬帶噪聲是多根調(diào)制譜信號（單頻或者調(diào)頻的正弦信號，與線譜實現(xiàn)方式一致）相加與白噪聲調(diào)制出來的寬帶譜信號，是白噪聲信號與調(diào)制譜信號運算的結(jié)果。合頻信號是多根線譜信號與寬帶譜信號相加的結(jié)果。

因為單根線譜、調(diào)制譜信號均為16位有符號數(shù)，5根線譜、調(diào)制譜信號相加有溢出的可能，為了避免數(shù)據(jù)溢出，將16位有符號數(shù)轉(zhuǎn)換為19位有符號數(shù)，然后將 5根線譜、調(diào)制譜分別相加得到線譜合信號s_sum，調(diào)制譜合信號 t_sum。根據(jù)有符號數(shù)移位方法，正數(shù)溢出取最大值，負(fù)數(shù)溢出取最小值，將調(diào)制譜合頻信號轉(zhuǎn)換為16位有符號數(shù)t_sum_buf[6]。

將（t_sum_buf+16’h8000）的16位無符號數(shù)調(diào)制譜合頻信號與16位有符號數(shù)白噪聲noise_buf相乘，根據(jù)有符號乘法運算方法，根據(jù)noise_buf的符號位來分別進行無符號數(shù)乘法運算，結(jié)果為32位有符號數(shù)t1_noise。然后換算為16位有符號數(shù)，得到用于中頻、高頻通道輸出的寬帶噪聲信號t_noise，然后將線譜s_sum與t_noise相加，并轉(zhuǎn)換為16位有符號數(shù)便得到用于低頻通道輸出的合頻信號。

3.4 均衡濾波的實現(xiàn)

均衡濾波的目的是為了彌補發(fā)射系統(tǒng)不同頻帶發(fā)射響應(yīng)的不一致性，盡量使發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射響應(yīng)一致，逼近真實的潛艇噪聲情況。均衡濾波的實現(xiàn)即在 FPGA內(nèi)部實現(xiàn)與發(fā)射系統(tǒng)相匹配的數(shù)字濾波器。根據(jù)單位沖激響應(yīng)函數(shù)的時域特性，數(shù)字濾波器可分為IIR濾波器和FIR濾波器，這里使用具有線性相位的FIR濾波[7]。

FIR有限脈沖響應(yīng)濾波器的特點是單位脈沖響應(yīng)是一個有限長序列，其數(shù)學(xué)表達式為

式中：N表示FIR濾波器的抽頭數(shù)；y(n) 表示第n時刻的輸出樣本；h(k) 表示FIR濾波器的第k級抽頭系數(shù)；x [n-k]表示延時k個抽頭的輸入信號。用加法器和乘法器不難實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的FIR濾波器，傳給每個乘法器的操作數(shù)就是一個FIR系數(shù)。所需乘法次數(shù)是N，加法次數(shù)是N－1。

數(shù)字濾波設(shè)計中最關(guān)鍵的部分為 FIR濾波器的實現(xiàn)和濾波器系數(shù)的設(shè)計。FIR Megacore 是ALTERA公司針對其主流 FPGA推出的一款商業(yè)化的數(shù)字濾波器IP核，可直接生成HDL代碼，同時其結(jié)構(gòu)針對ALTERA自己的FPGA做了各種優(yōu)化。FIR Megacore提供了濾波器系數(shù)導(dǎo)入功能，可以使用第三方工具生成的系數(shù)，這使得我們能夠通過FIR Megacore調(diào)用計算出來的濾波器系數(shù)快速實現(xiàn)均衡濾波。

濾波器系數(shù)需要根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)實際的發(fā)射響應(yīng)來設(shè)計、調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)發(fā)射相應(yīng)數(shù)據(jù)我們可以使用Matlab fir2函數(shù)來快速設(shè)計濾波器系數(shù)：

式中：n代表生產(chǎn)的濾波器階數(shù)；f為歸一化的頻率向量；m為與f對應(yīng)的歸一化幅度向量；b即為根據(jù)頻率向量、幅度向量對應(yīng)的幅頻特性所生成的n階濾波器系數(shù)[8]。假設(shè)濾波器采樣頻率定義為fs，實測數(shù)據(jù)的頻率向量為 f1,與之對應(yīng)的幅度向量為m1（dB），那么歸一化的頻率向量為

歸一化的幅度向量的轉(zhuǎn)換應(yīng)先找到最小幅度值m1_min，計算各頻點將到最低幅度值的衰減量：

按頻率向量長度補齊幅度衰減量向量：

最后將幅度衰減量向量值換算為增益倍數(shù)值，即得到歸一化的幅度向量

濾波器階數(shù) n的確定與均衡濾波的性能直接相關(guān)。濾波器頻率分辨率為fs/n，濾波器階數(shù)越高，頻率分辨率越小，但濾波器系數(shù)數(shù)據(jù)量也越大，占用更多FPGA資源。所以濾波器階數(shù)需要根據(jù)實際應(yīng)用情況來決定，既要保證均衡濾波效果，又不浪費過多FPGA邏輯資源。本設(shè)計中，采樣頻率fs=20 kHz，濾波器階數(shù)n=1 023，濾波器頻率分辨率接近20 Hz，可以滿足均衡濾波需求。

4 試驗結(jié)果

上位機軟件參數(shù)設(shè)置為：通道 1開啟、增益-6 dB；白噪聲開啟、增益-6 dB；線譜1開啟、頻率48 Hz、增益-3 dB；線譜2開啟、頻率67 Hz、增益-6 dB；線譜3開啟、頻率107 Hz、增益-9 dB；線譜4開啟、頻率155 Hz、增益-12 dB。使用示波器測量低頻輸出通道，設(shè)置示波器采樣率為10 kHz，信號穩(wěn)定后抓取1 s的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上傳到上位機，使用MATLAB對數(shù)據(jù)解析，信號時域波形如圖3所示。

對采樣數(shù)據(jù)做FFT分析，將低頻段展開后如圖4所示（縱坐標(biāo)為有效值）。線譜的頻率分別為48 Hz、67 Hz、107 Hz、155 Hz與設(shè)置參數(shù)值吻合，并且信號幅度依次變小，與增益設(shè)置值相符，由于信號經(jīng)過匹配濾波，所以幅度與設(shè)置增益值有一定差別。

信號頻譜圖如圖5所示（縱坐標(biāo)為dB），可以看到設(shè)置的4個線譜，20～200 Hz的帶通濾波器及帶內(nèi)均衡濾波造成的頻譜起伏。

圖3 時域波形Fig.3 Time domain waveform

圖4 低頻段頻譜圖Fig.4 Low frequency spectrum

5 結(jié)束語

該信號產(chǎn)生模塊實現(xiàn)了聲特征譜信號生成算法，降低了水聲支援干擾系統(tǒng)的復(fù)雜度，縮短了項目周期，提高了水聲支援干擾系統(tǒng)的適裝性，已成功應(yīng)用到多個預(yù)研課題，并順利完成湖上試驗。應(yīng)用該信號產(chǎn)生模塊，能為項目前期方案驗證和效能評估提供便捷，同時該模塊預(yù)留網(wǎng)絡(luò)接口，可以與信號處理機連接，實現(xiàn)更復(fù)雜的模擬目標(biāo)聲特征譜信號產(chǎn)生。

圖5 全頻段頻譜圖Fig.5 Full-band spectrogram