一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置制造方法及图纸

技术编号:14837076 阅读:102 留言:0更新日期:2017-03-17 04:19
一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,涉及水声工程技术领域,具体涉及一种水声参数估计装置。为了解决在设计对水声单频脉冲信号进行检测需求的水声设备时需要重新设计制作PCB并依据所选择的硬件进行相应语言的编程调试的问题。本发明专利技术的FPGA用于完成单频脉冲检测和参数估计,FLASH存储器连接到FPGA,E2PROM存储器连接到FPGA,A/D采样接口分别通过8组A/D转换器连接到FPGA,I/O输入输出接口通过I/O输入输出保护电路连接到FPGA;PC机通过配置电缆连接DB9插接件,FPGA也连接有DB9插接件;FPGA通过DB9插接件的相互连接,实现与PC机的通信;供电接口通过供电模块进行供电。本发明专利技术可根据不同工况条件下对单频脉冲检测的需求设置相应的AD转换通道数量、采样率和检测参数等,具有低功耗、体积小巧和便于安插的特点,本发明专利技术适用于水声定位和水声通信技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水声工程
,具体涉及一种水声参数估计装置。
技术介绍
无论海洋的开发与利用,还是军事的安全与对抗,都离不开一个最基本的问题,那就是“如何确定自身或其他目标的位置”。针对这一问题,各国研究人员早在15世纪就开始了漫长而曲折的探索,人们发现在各种能量形式中,声波在海洋中具有最佳的远距离传播性能,声波逐渐成为海洋中信息传播的主要载体,声学定位导航技术也成为水下目标定位和导航的有力工具。然而,不论采取何种水声定位方法,参数估计精度都是影响系统精度的决定性因素。就单频信号而言,其参数估计方法已经较为成熟,具备在有多途干扰的复杂水声信道中进行参数估计的能力。然而,随着嵌入式技术的发展,硬件平台也在逐渐更新换代,这就必然涉及到算法移植的问题。从水声设备的开发现状来看,每次的硬件升级都会重新设计制作PCB,并依据所选择的硬件进行相应语言的编程调试,这样做既拉长了开发周期,也容易在移植过程中引入其他问题。并且现有的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置一般都是基于DSP实现的,DSP适合串行算法,而多处理器系统是非常昂贵的,而且只适合粗粒度的并行运算。所以针对传统DSP进行开发而言,面临着性能、功耗和面市时间的挑战,很大程度上限制了水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置的开发。
技术实现思路
本专利技术为了解决在设计对水声单频脉冲信号进行检测需求的水声设备时需要重新设计制作PCB并依据所选择的硬件进行相应语言的编程调试的问题,专利技术一款基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,可根据不同工况条件下对单频脉冲检测的需求设置相应的AD转换通道数量、采样率和检测参数等,该装置具有低功耗、体积小巧和便于安插的特点,可广泛应用于水声定位和水声遥控通信等设备。一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,包括:FPGA(Field-ProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)、8组A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter,模数转换器)、B2B接插件、E2PROM存储器(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,带电可擦写可编程只读存储器)、供电模块、FLASH存储器、DB9插接件(D型数据接口连接器);B2B接插件包括I/O输入输出接口、A/D采样接口、供电接口;A/D采样接口分别连接8组A/D转换器到FPGA;FLASH存储器连接到FPGA,用于参数存储;E2PROM存储器连接到FPGA,用于程序存储;PC机通过配置电缆连接DB9插接件,FPGA也连接有DB9插接件;FPGA通过DB9插接件的相互连接,实现与PC机的通信;I/O输入输出接口通过I/O输入输出保护电路连接到FPGA;供电接口通过供电模块分别连接到FPGA、8组A/D转换器、E2PROM存储器、FLASH存储器和DB9插接件,分别为FPGA、8组A/D转换器、E2PROM、FLASH存储器供电;所述的FPGA用于水声信道中单频脉冲检测和参数估计;包括:初始化单元,用于系统的初始化设置,保证系统处于能正常工作的状态;通信控制单元,用于与PC机或者外部处理器进行数据交换,具体包括:解析PC机通过串口下达的指令,控制FLASH读写单元、A/D采集控制单元和信号处理单元,对I/O控制单元进行参数设置、模数转换、数据计算和存储,对参数估计结果进行编码和回传以及进行帧信号的检测和转发;A/D采集控制单元,用于发出A/D工作时钟和帧信号,接收各路A/D转换器的输出数据,并将各路数据分别写入本单元内的采样数据缓存区以备信号处理单元使用;A/D采集控制单元受通信控制单元的管理,能够改变采集通道数量和采样率,能够单独设置各A/D通道的工作参数;FLASH读写单元,用于存储PC机下达的参数配置信息,主要包括:采样率、A/D通道及对应的检测通道数量,预置信号特征和检测阈值;信号处理单元,用于水声信号的检测和参数估计;I/O控制单元,用于实时检测是否有帧信号,并在需要时转发帧信号。优选地,信号处理单元进行水声信号的检测和参数估计过程包括以下步骤:信号处理单元接收A/D转换器输出的脉冲信号(含有噪声的数字信号),对脉冲信号逐点进行Notch滤波处理,并同时对脉冲信号进行噪声估计、直流偏置估计;对Notch滤波处理后的脉冲信号进行取包络处理,并计算瞬时频率方差,同时计算脉冲信号的幅度门限;对取包络处理后的脉冲信号的有效脉冲数量、脉宽、时延、瞬时相位、权值和包络行估计,同时进行包络检波器与鉴宽器联合判决,当脉冲信号包络前沿开始超过幅度门限,且连续采样点同时超过幅度门限(根据实际的信号情况而定有多少个连续的采样点超过幅度门限),脉冲信号包络后沿在一定采样时间范围内低于幅度门限,并且脉冲信号的瞬时频率方差低于设定的瞬时频率方差门限值,则判定此信号为有效的脉冲信号;其中包络前沿对应幅度为前沿能量门限,后沿对应幅度称为后沿能量检测门限,连续采样点个数为鉴宽器宽度门限。优选地,所述的信号处理单元是采用滑动窗的方式计算脉冲信号的瞬时频率方差的。由于脉冲信号的瞬时频率方差较小,而噪声和串漏的方差较大,故通过计算信号的瞬时频率方差,来辅助包络检波器和检宽器进行信号检测。优选地,所述的噪声估计和直流偏置的估计均采用一阶递归算法。优选地,所述的Notch滤波采用LMS算法进行迭代。Notch滤波即利用某种自适应算法对脉冲信号进行逐点数字滤波,对采用LMS算法的Notch滤波过程而言,首先需要预存两个正交的参考信号,设立两个变量来存储权值,其次还需要确定一个计算的步长;整个滤波过程在LMS算法的迭代公式指导下进行,滤波器的输出在经过一段时间后达到稳定(整个估计过程须经过一段学习时间才能达到稳态);滤波的同时,利用不断变化的两个权值计算信号的包络。优选地,所述装置在设置有8组A/D转换器的基础上,还设有若干扩展用A/D转换器;所述B2B接插件在设置有A/D采样接口的基础上,还设有若干扩展A/D采样接口;所述的若干扩展A/D采样接口通过若干扩展用A/D转换器连接到FPGA;同时,供电接口通过供电模块为所述若干扩展用A/D转换器供电。优选地,所述的配置电缆内嵌RS232电平转换芯片;当FPGA通过DB9插接件的相互连接实现与PC机的通信时,供电接口通过供电模块对RS232电平转换芯片供电。优选地,所述的A/D转换器的模数转换芯片为AnalogDevices公司的AD7980。其最高采样率为1MSPS,支持SPI接口协议。本专利技术中FPGA控制A/D采样的电路就是利用SPI接口实现的。优选地,所述的FLASH存储器芯片为SST公司生产的39VF1601。其容量为16Mbit,且仅需3.3V电压便能够正常工作。用户仅需控制写使能信号、片选信号和输出使能信号三根信号线,便能完成写入或擦除FLASH数据的操作。在向FLASH写入一个16bit数据之前,必须在指定的地址中顺序的写入三个数据。同样,在擦除FLASH中的数据之前,也必须在指定的地址中顺序地写入六个数据,以防止误删除操作。优选地,所述B2B接插件还包括外部处理器接口,所述FPGA连接本文档来自技高网...
一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置

【技术保护点】
一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,其特征在于,包括:FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、B2B接插件(6)、E2PROM存储器(3)、供电模块(4)、FLASH存储器(5)、DB9插接件(9);B2B接插件(6)包括I/O输入输出接口(610)、A/D采样接口(602)、供电接口(604)、A/D采样接口(602)分别通过8组A/D转换器(2)连接到FPGA(1);FLASH存储器(5)连接到FPGA(1),用于参数存储;E2PROM存储器(3)连接到FPGA(1),用于程序存储;PC机(7)通过配置电缆(8)连接DB9插接件(9),FPGA(1)也连接有DB9插接件(9);FPGA(1)通过DB9插接件的相互连接,实现与PC机(7)的通信;I/O输入输出接口(610)通过I/O输入输出保护电路(10)连接到FPGA(1);供电接口(604)通过供电模块(4)分别连接到FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、E2PROM存储器(3)、FLASH存储器(5)和DB9插接件(9),分别为FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、E2PROM(3)、FLASH存储器(5)供电;所述的FPGA(1)用于水声信道中单频脉冲检测和的参数估计;包括初始化单元,用于系统的初始化设置,保证系统处于能正常工作的状态;通信控制单元,用于与PC机或者外部处理器进行数据交换,具体包括:解析PC机通过串口下达的指令,控制FLASH读写单元、A/D采集控制单元和信号处理单元,对I/O控制单元进行参数设置、模数转换、数据计算和存储,对参数估计结果进行编码和回传以及进行帧信号的检测和转发;A/D采集控制单元,用于发出A/D工作时钟和帧信号,接收各路A/D转换器的输出数据,并将各路数据分别写入本单元内以备信号处理单元使用;A/D采集控制单元受通信控制单元的管理,能够改变采集通道数量和采样率,能够单独设置各A/D通道的工作参数;FLASH读写单元,用于存储PC机下达的参数配置信息,主要包括:采样率、A/D通道及对应的检测通道数量,预置信号特征和检测阈值;信号处理单元,用于水声信号的检测和参数估计;I/O控制单元,用于实时检测是否有帧信号,并转发帧信号。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,其特征在于,包括:FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、B2B接插件(6)、E2PROM存储器(3)、供电模块(4)、FLASH存储器(5)、DB9插接件(9);B2B接插件(6)包括I/O输入输出接口(610)、A/D采样接口(602)、供电接口(604)、A/D采样接口(602)分别通过8组A/D转换器(2)连接到FPGA(1);FLASH存储器(5)连接到FPGA(1),用于参数存储;E2PROM存储器(3)连接到FPGA(1),用于程序存储;PC机(7)通过配置电缆(8)连接DB9插接件(9),FPGA(1)也连接有DB9插接件(9);FPGA(1)通过DB9插接件的相互连接,实现与PC机(7)的通信;I/O输入输出接口(610)通过I/O输入输出保护电路(10)连接到FPGA(1);供电接口(604)通过供电模块(4)分别连接到FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、E2PROM存储器(3)、FLASH存储器(5)和DB9插接件(9),分别为FPGA(1)、8组A/D转换器(2)、E2PROM(3)、FLASH存储器(5)供电;所述的FPGA(1)用于水声信道中单频脉冲检测和的参数估计;包括初始化单元,用于系统的初始化设置,保证系统处于能正常工作的状态;通信控制单元,用于与PC机或者外部处理器进行数据交换,具体包括:解析PC机通过串口下达的指令,控制FLASH读写单元、A/D采集控制单元和信号处理单元,对I/O控制单元进行参数设置、模数转换、数据计算和存储,对参数估计结果进行编码和回传以及进行帧信号的检测和转发;A/D采集控制单元,用于发出A/D工作时钟和帧信号,接收各路A/D转换器的输出数据,并将各路数据分别写入本单元内以备信号处理单元使用;A/D采集控制单元受通信控制单元的管理,能够改变采集通道数量和采样率,能够单独设置各A/D通道的工作参数;FLASH读写单元,用于存储PC机下达的参数配置信息,主要包括:采样率、A/D通道及对应的检测通道数量,预置信号特征和检测阈值;信号处理单元,用于水声信号的检测和参数估计;I/O控制单元,用于实时检测是否有帧信号,并转发帧信号。2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的水声信道中单频脉冲检测和参数估计的装置,其特征在于,信号处理单元进行水声信号的检测和参数估计过程包括以下步骤:信号处理单元接收A/D转换器输出的脉冲信号,对脉冲信号逐点进行Notch滤波处理,并同时对脉冲信号进行噪声估计、直流偏置估计;对Notch滤波处理后的脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员:张光普付进孙海涛邹男梁国龙渠畅赵安琪郑策綦俊峰赵磊
申请(专利权)人:哈尔滨工程大学
类型:发明
国别省市:黑龙江;23

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