鱼雷声自导系统片上处理技术＊

诸国磊，王英民，曾 浩

（1西北工业大学航海学院，西安 710072；2海军装备研究院，北京100161）

0 引言

声自导系统是现代鱼雷最基本也是最核心的部件，直接决定鱼雷的总体性能和战术指标［1］。声自导系统由于其复杂程度和对实时性的要求，往往采用大规模的DSP芯片阵列来进行自导信号处理，体积和功耗都较大。为了减小系统的体积，减少系统的功耗，使系统小型化，利用最新FPGA片上的上亿的门电路资源将整个信号处理部分在单个芯片上实现提供了一种新的思路［2］。

文中，在FPGA平台上实现了一个通过片上网络连结的片上多处理器系统，并将鱼雷自导任务合理的划分为适合多处理器系统结构的多个子任务后，将所有的子任务映射在片上系统的多个微处理器上控制其协调工作。通过实际运行实验，验证了系统的可行性，为自导系统的小型化实现提供了一种可行的实现方式。

1 鱼雷自导系统概述

自导系统把基阵接收到的声信号转变成电信号之后，经过一系列信号处理过程，最终得到需要的目标参数信息。这一系列处理包括窄带信号预处理、时域采样、空间处理波束形成等，最终进行门限检测和参数估计［1］，处理流程如图1所示，图中虚线部分是关注的数字信号处理部分，将在片上网络系统上实现。

图1 自导任务处理流程

1.1 时域信号处理模块

时域信号处理部分负责将前端预处理模块传来的经过数字化采集的信号进行降采样处理，将数字信号通过正交解调、低通滤波后对信号再次进行采样，降低数据量。

1.2 波束形成模块

波束形成模块完成自导系统中波束形成处理，将阵元信号进行加权空间处理，形成所需的多路波束域信号。

1.3 信号检测参数估计模块

信号检测处理实现基本的目标检测功能，确定目标是否存在。参数估计实现自导系统的测向、测距、测速等定位算法。

2 片上网络系统设计

整个系统的实现是通过Xilinx公司的EDK工具来完成的，并且在Xilinx提供的Virtex－II Pr o开发板上进行了实现，表1给出了整个系统的配置。图2给出了系统的结构框图，它是一个固定结构的2×3的2维mesh结构，每个处理单元（PE）通过一个网络接口（NI）与相应的一个路由器（R）相连。

图2 片上网络系统结构框图

2.1 处理单元（PE）

处理单元是利用Xilinx公司的软核处理器Micr oblaze来实现的，在这里采用同样的IP核来作为处理单元，可以用相同的网络接口将这些微处理器连接到路由器上；相同的微处理器为程序的映射也提供了方便。在本系统中，一共实例化了6个Micr oblaze微处理器。

表1 系统配置

2.2 路由器（R）

路由器是网络通讯结构的核心部分。片上网络采用虫洞路由交换技术［3］，数据经过路由器的延时很短，可以高效的进行数据传输。路由器的主要几个组成部分见图3的原理结构框图，每个功能单元的功能介绍如下。

2.2.1 控制单元

控制单元对多路到达的数据包中的路径选择和优先级信息进行解码。路径选择信息决定数据包从哪个出口传出。当多路数据同时到达路由器并竞争同一个出口时，控制单元会根据数据包头中优先级的高低对数据进行选择，优先级别高的数据先通过路由器被送往目标出口，较低优先级的数据包将被存储在对应的缓冲器中。

图3 路由器结构框图

2.2.2 缓冲器单元

缓冲器单元负责对参与竞争的低优先级的数据进行存储，以防止数据包的丢失，以便参与下一次的竞争。缓冲器单元中的FIFO利用片上的Block Ram资源实现。

2.2.3 多路选择单元

多路选择单元根据控制单元给出的路径选择信息，将相应的数据包发送到指定出口。根据在片上网络系统中的不同位置，分别设计了有3、4、5个出口的路由器。表2中给出了三种路由器的能量及资源的使用情况。

表2 路由节点资源使用及能量损耗

2.3 网络接口（NI）

2.3.1 路由转换与处理单元之间的接口

网络接口（NI）是在PLB总线基础上实现的，在网络接口中有输入和输出缓存器，实现对处理单元和路由器之间数据的缓冲匹配，由于处理单元和底层路由器的时钟频率差异较大，所以从处理单元到路由器的数据写入和读取需要通过网络接口来进行速率的匹配。

2.3.2 路由与路由之间的接口

路由与路由之间是通过并行线路直接连接的，数据通过对应的路由之间的接口连线传输。

3 鱼雷自导任务在片上系统中的实现

在基于FPGA平台的片上网络多处理器系统上实现信号处理任务。首先要根据任务的运算量进行任务划分，然后要根据片上系统通讯结构特点对任务进行映射［4－5］，以达到最好的运行效率，具体任务准备和映射过程如下。

3.1 任务准备

自导处理任务在进行映射前首先需要被适当的进行划分，对于这个特定任务采用了手动划分，在这里主要考虑任务的复杂程度将任务划分为6个子任务模块T1～T6如图4所示。

任务T1接收2n路阵元数据并拆分各n路数据转发到任务T2、T3，因为后续的低通滤波降采样任务运算量较大，所以需要拆分为两个任务进行处理；T2、T3分别将各自的n路数据进行低通滤波降采样；任务T4将T2、T3处理完成后的2n路数据进行水平和垂直叠加形成水平和垂直各m路数据；任务T5对水平和垂直的m路数据进行波束形成处理，分别形成p、q路波束；任务T6对波束形成后的波束域进行信号检测和参数估计。

图4 自导处理任务划分

3.2 任务映射

综合考虑处理器阵列的结构特点，将划分好的任务进行了映射，对应的映射关系如图5所示，任务T1～T4分别映射在处理单元PE1～PE4上，T5映射在PE6上，T6映射在PE5上。数据流向如图中箭头所示。

图5 任务映射关系

4 结果与讨论

对系统进行了运行测试，给出理想状态的2n路阵元数据，对其进行自导信号处理。图6给出了波束形成后观测到的一个方向上的波束形成结果，由于是正前方来的信号，所以正前方波束幅度最大。

表3给出了对一组方位的检测结果，可以看到由于是理想数据，检测结果误差较小。

图6 波束形成输出

表3 方位检测结果

通过测试，可以看到系统很好的完成了自导信号处理检测等任务。

5 结束语

文中，在一个FPGA平台上实现了一个片上网络多处理系统，将鱼雷自导信号处理算法在这个平台上进行了实现，通过实际运行测试，验证了系统的可行性。在FPGA上实现的片上多处理系统平台还可以进一步的改进，根据任务的情况采用不同的IP核，例如对复杂处理的处理单元实例化DSP处理单元以提高运算速度，当然这会改变通用架构，需要针对性设计路由及接口单元。

［1］ 李志舜.鱼雷自导信号与信息处理［M］.西安：西北工业大学出版社，2004.

［2］ 李仁发，刘彦，徐成.多处理器片上系统任务调度研究进展评述［J］.计算机研究与发展，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，Feb.1993，26（2）：62－76.

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

［5］ 杨盛光，李丽，高明伦，等.面向能耗和延时的No C映射方法［J］.电子学报，2008，36（5）：937－942.