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多通道异采样率旌旗灯号同步收罗题目研讨

宣布日期:2017-12-27 16:33    阅读次数:次

    收集化和构建全方位的平面作战体系将是将来声呐的成长趋向。跟着收集手艺和元器件手艺的成长, 一种称之为“收集合间战” 的新型作战形式正在悄悄鼓起。传感器收集是全部收集合间战体系的最根本部分。A /D数据同步收罗是将全部收集合的传感器旌旗灯号由摹拟转换为数字, 这类转换应使各个通道数据的相位分歧性在必然的偏差规模内。论文的研讨任务安身于上述收集合间战体系, 研讨了多通道旌旗灯号异采样率同步数据收罗的题目。

1 弁言
 
    多通道旌旗灯号数据同时收罗是古代声呐的根基特色。跟着潜艇手艺的成长, 其噪声愈来愈低,要进步声呐对潜艇的检测能力, 必然请求进步声呐的机能来取得更高的空间增益, 则是进步声呐机能的有用手腕之一。按照文献[1] , 空间增益
               GS = 10 lg N
    式中: N 为一个基阵的阵元数目。
    是以, 古代声呐的阵元数目, 已从几十成长到几百,乃至上千个通道。因为声呐波束成形算法的请求,这些通道的数据收罗都要同步停止, 通道之间的相位偏差必须限制在必然规模内。
    收集化和构建全方位的平面作战体系将是将来声呐的成长趋向。跟着收集手艺和元器件手艺的成长,一种称之为“收集合间战” 的新型作战形式正在悄悄鼓起。所谓收集合间战, 是经由进程疆场各个作战单位的收集化,把信息上风变为作战上风, 使各分离设置装备摆设的队伍配合感知疆场态势,调和步履, 从而阐扬最大作战效力的作战形式。
    一部艇上装备着多部声呐,此中能够有拖曳阵、舰首阵等,这些声呐领受到的旌旗灯号颠末A /D转换后成为数字旌旗灯号,颠末某种数据融会, 接入到宽带收集体系中; 一部具备壮大旌旗灯号处置能力的功效可重构旌旗灯号处置平台从宽带收集合取得数据并停止计较, 并将计较功效送至声呐显现节制体系。毗连在体系中的高速数据存储装备也从宽带收集合取得数据, 并将它们及时记实上去。同时, 声呐数据也能够
送至收集合的别的装备, 如舰艇上的通讯体系、控告体系等, 经由进程收集的联络, 构成了一个全方位平面的作战收集(图1)。
    收集合间战体系操纵壮大的计较机信息收集, 将散布在广漠地区内的各类传感器, 批示中心和各类兵器体系分解为一个同一高效的大体系, 完成疆场态势和信息的同享。
    传感器收集是全部收集合间战体系的最根本部分[2 ]。A /D数据同步收罗包含的首要内容是将全部收集合的传感器旌旗灯号由摹拟转换为数字, 这类转换应使各个通道数据的相位分歧性在必然的偏差规模内。本文的研讨任务安身于上述收集合间战体系, 研讨了多通道旌旗灯号异采样率同步数据收罗的题目, 并提出了一种处置计划。

图1 舰艇上收集合间战体系

2 多通道异采样率旌旗灯号同步收罗体系模子
 在收集合间战体系中,各类型号的声呐协同任务,而差别型号的声呐用处不一, 参数也各别, 就全部大体系而言,是一个多通道构成的以差别采样率停止任务的体系。

                        图2 多通道异采样率体系模子
    图2是一个多通道异采样率的体系模子。图中的多路传感器是由多种声呐构成的传感器阵列, 它们能够会有差别的特点, 完成差别的功效, 知足差别的须要。传感器的旌旗灯号送至多通道A /D旌旗灯号收罗卡, 旌旗灯号收罗卡在同一时钟节制下, 按照各自的须要对体体系一时钟停止时钟变更, 以知足本身的采样率须要。旌旗灯号颠末A /D收罗卡后变成数字信
号送至数据传输模块, 颠末数据融会后传递至千兆以太网交换机, 由此,公用的旌旗灯号处置装备就能够从收集上取得所须要的数据, 再按照划定的算法对数据停止响应的处置。
    这类模子的上风在于:
( 1) 能够便利各声呐子体系同享数据和节制信息。
( 2) 能够对多部声呐体系停止集合处置。
( 3) 能够对电子装备互为备份体系冗余性强。
( 4) 撑持体系功效静态重构和机能进级。
( 5) 削减体系的连线数目进步体系靠得住性。

3 多通道异采样率同步收罗体系的处置计划
 
  在多通道不异采样率下同步收罗的体系中, 普通是接纳“硬同步” 的体例, 即在体系中设定一块主A /D卡, 由它向体系中其他的从A /D卡供给采样时钟。参考这一处置计划, 那末, 在多通道异采样率同步收罗的体系中, 能够有以下几种处置计划。

3. 1 可供挑选的计划阐发
    环绕多通道差别采样率数据同步收罗的思惟, 有以下几种计划可供挑选:
( 1) 同步收罗, 数字滤波, 降采样这类处置计划的步骤如图3所示。其进程基于多通道不异采样率旌旗灯号同步收罗的思惟, 是对原始旌旗灯号以“主-从” 体例停止同步收罗,而后对须要下降采样率的通道停止数字滤波, 最初对滤波后的旌旗灯号停止降采样。

                    图3 多通道异采样率同步收罗处置计划一
    中心有一个关键是数字滤波所必须的。为甚么须要降采样的通道在降采样之前须要对其停止滤波? 因为该通道是以高采样率停止数据收罗的, 在采样后的旌旗灯号里能够会稠浊了别的高频的旌旗灯号, 这些旌旗灯号若是未经滤波就停止降采样的话, 就会在旌旗灯号里混入某种能够并不存在的旌旗灯号成份。
( 2) 摹拟滤波, 同步收罗, 降采样这类处置计划的步骤如图4所示。其思惟跟( 1) 计划中的思惟近似, 差别的地方在于将同步收罗关键和滤波关键交换了一下,将本来的数字滤波改用硬件电路来完成; 在摹拟滤波后, 再对滤波后的摹拟旌旗灯号以“主- 从” 体例停止同步收罗, 同步收罗后, 对取得的数字旌旗灯号间接停止降采样。

                 图4 多通道异采样率同步收罗处置计划二
( 3) 操纵同一时钟驱动, 设置差别的采样率停止采样这类处置计划的步骤如图5所示。这类计划的思惟跟前两种计划有很大的差别。起首,它鉴戒了多通道不异采样率旌旗灯号同步收罗的思惟, 也是接纳“主- 从” 的任务体例, 普通是将主卡设置为高采样率的卡, 主卡将采样时钟送给体系其他的A /D卡, 须要以低采样率停止采样的A /D卡在领受到主卡的时钟后,在FPGA里对时钟停止分频处置,来知足本身的采样须要。

3. 2 三种采样计划的比拟
 
    第一种计划的特色是完成比拟轻易, 数字旌旗灯号的相位分歧性好,错误谬误是须要特地的DSP来完成滤波算法,在体系通道数目较多和采样率较大的环境下, 须要比拟多的硬件资本来完成。

            图5 多通道异采样率同步收罗处置计划三
    第二种计划的特色是增添硬件电路取代数字滤波关键来完成滤波进程。如许做的益处是对数字电路部分的DSP运算能力请求大为下降, 也不再须要设想滤波算法; 错误谬误是增添了硬件本钱, 从而增添了体系的体积和分量,并且成果不数字滤波的成果好。
    第三种计划不须要额定的滤波关键, 因为A /D采样芯片会主动地停止这个进程。在该计划中接纳的是Δ΢A/D转换芯片[5] , 能按照采样率设置体系A/D转换的停止频次。
    这类计划的特色是完成的思惟简略间接, 既不像计划( 1) 须要特地的DSP来停止数字滤波, 也不像计划( 2) 须要特地的硬件来完成摹拟旌旗灯号滤波, 它仅须要在FPGA的逻辑里停止一些特别处置, 便可完成在同一体系中的同一时钟下以差别的采样率停止同步旌旗灯号收罗。这类计划既能下降硬件本钱, 不增添体系的庞杂性。

4 多通道在同一时钟旌旗灯号下分频收罗
    如上述计划三, 在一个多通道数据收罗体系中,若是某些差别的通道须要以差别的采样率停止同步数据收罗的时辰, 利用主从布局, 体系中各个通道在主A /D卡时钟的驱动下, 再按照各自的采样率须要停止分频处置,不失为多通道异采样率同步收罗体系的一种不错的处置计划。

4. 1 A /D数据收罗卡的布局和任务道理
    要完成一个体系中的一切A /D数据收罗卡在同一时钟驱动下停止数据收罗, 那末在这个体系中的一切A/D数据收罗卡必须接纳“主- 从” 布局设想。作为主卡的A/D数据收罗卡发生时钟旌旗灯号, 给包含本身在内的体系中的一切A /D数据收罗卡利用。如许, A /D数据收罗卡上有以下设想:
· 跳线装配, 设置该A /D数据收罗卡是任务在主形式仍是从形式;
· 在A /D数据收罗卡上须要有时钟输入输入接口;
· 有可编程的逻辑器件如FPGA对时钟停止节制;
· 更进一步的有DSP停止数据流的节制和传输。

                          图6 A /D数据收罗板布局图
    多块A/D数据收罗卡构成体系的任务道理是如许的:
    将处于中心地位的A /D数据收罗卡经由进程跳线设置为主卡, 其他的A/D数据收罗卡设置为从卡;
    用同步线(时钟和节制连线) 将体系中一切A /D数据收罗卡毗连起来;
    对须要以差别采样率停止采样的A /D数据收罗卡的逻辑芯片中(普通是FPGA) , 插手响应的分频逻辑;
    在驱动节制法式里停止对数据同步采样停止节制。

4. 2 同步节制
 
    A /D数据收罗卡上的DSP用于对数据收罗进程停止节制和对所收罗的数据停止缓冲。A/D芯片采样率的设置、A /D数据收罗卡上的增益节制都是经由进程运转在DSP上的法式来完成的, 见图6。
    体系中的每块A /D数据收罗卡经由进程加载驱动法式来运转。对体系而言, 因为体系是数据驱动的, 而数据又是在时钟的驱动下取得的。以是, 体系先加载从A /D数据收罗卡的法式, 让从A /D数据收罗卡处于停当状况后, 再加载主A /D数据收罗卡的法式, 此时, 主A /D数据收罗卡同时给本身和体系中的其他从A/D数据收罗卡供给时钟, 全部体系就能够停止同步数据收罗了。
    但是, 仅仅如许仍是不够的。按照文献[5] , A /D采样芯片在起头一般任务前须要有一个校订的进程, 并且在差别的采样率下其校订时候并不分歧。如许就会形成差别采样率下差别的通道采样数据没法对齐, 从而对通道间的相位分歧性题目带来严峻的影响。
    以是, 在体系的同步节制中要插手同一的开间断旌旗灯号,在一切的A/D数据收罗卡都校订终了停止一般的数据收罗了以后, 由主A /D数据收罗卡收回开间断指令, 如许能力到达体系中一切的A /D数据收罗卡完整同步收罗。
    另外, 因为差别的通道采样率不分歧, 在ΔE采样芯片中对旌旗灯号的停止频次也会不一样, 换言之, 便是在A /D芯片中的低通滤波器参数不分歧, 如许就不可防止的形成差别的采样率通道的有差别的相移。是以,应当将采样率高的那些通道中的数据右移一段地位, 来保障一切通道的数据对齐。

5 实验论断和进一步研讨

5. 1 实验论断
 
    上述研讨功效已胜利地操纵在某声呐体系中。该体系由65个通道构成, 同时有100 k Hz和50 k Hz两种差别的采样率。实验功效标明, 当旌旗灯号频次在100 Hz以上时, 体系各个通道之间( 100 k Hz和50 k Hz采样率的通道之间) 的相位偏差在0. 6°之内, 在50H z时, 其相位偏差约为1°。如表1所示。
                             表1 通道间相位分歧性测试


5. 2 进一步研讨的题目

( 1) 低频相移题目
    如表1中所示, 当旌旗灯号频次在10~ 100 Hz之间时, 100k Hz采样频次的旌旗灯号绝对50 kHz采样频次的旌旗灯号相位有比拟较着的偏移, 具体表现为:
    从图7中差别正弦波下各个通道的波形图比拟中能够看到, 在10 Hz下, 通道间的相位有比拟较着的偏移, 图8是此中10 Hz波形图的部分缩小图,能够更清晰的看到各通道间的相位偏移。
( 2) 采样率不分歧而致使的相移题目
    如前所述, 因为差别的通道采样率A /D芯片中的低通滤波器参数不分歧, 如许就不可防止的形成差别的采样率通道的有差别的相移。是以,在现实体系中将采样率高的那些通道中的数据右移一段地位, 来保障一切通道的数据对齐。
    在今朝的体系中, 数据右移的个数是按照现实体系的环境来肯定的, 是一个惯例。要在现实上找到一种通用的方式, 还须要对ΔE采样芯片的低通滤器停止成立阐发模子,并对该模子停止深切的阐发, 来获得现实上的撑持。

6 论断
    本文研讨了多通道异采样率旌旗灯号的同步收罗题目。起起首容了多通道异采样率旌旗灯号同步收罗的背景和操纵模子; 而后在多通道不异采样率旌旗灯号同步收罗的根本上,提出几种在多通道异采样率下旌旗灯号同步收罗的处置计划, 并对这些计划从现实上和完成上停止了较为具体的阐发和比拟; 会商了此中一种计划, 并给出了响应的实验论断; 最初就本文的研讨课题“多通道异采样率旌旗灯号同步收罗”的题目提出进一步待研讨的题目。

             图7 差别频次正弦波下各通道波形图

          图8 10 Hz正弦波各通道采样的部分缩小图

参考文献
 
[1 ]  李启虎. 声呐旌旗灯号处置引论(第二版) . 北京: 陆地出书社, 2000.
[2 ]  John Wal rod. Senso r Netw orks f or Netw ork-Centi rc Warf are Netw ork Cent ric Warfare Con ference. October 30- 31, 2000.
[3 ]  Int eractiv e Circui t s and Sys t ems Ltd. Netw orks-Cen t ric Sen sor Data Acpuisi ti on. AN-SN-1. w w w. i cs-ltd. com.
[4 ]  Rodger H Hosking. Cri ti cal Techniques f or High Speed A /D Converters in Real-Tim e Sys tems. Fi rs t Editi on, w w w . pen tek. com.
[5 ]  Asah i Kas ei Mi cros yst em s Co. Ltd. AK5393 Enh anced Dual Bi t ΔE 96kHz 24- Bi t ADC.

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