Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 基于多ＤＳＰ并行处理的声探测系统设计 张德，周印龙，高鹏，黄嵘 （中国电子科技集团公司第三研究所，北京１０００１５） 摘要：介绍了一种基于ＸＣ２Ｖ６０００的以多片ＴＭＳ３２０Ｃ６７１１Ｄ一１６７为处理芯片的声探测系统。利用 ＦＰＧＡ、ＤＳＰ等器件实现外围硬件电路设计、逻辑控制、通信接口功能，重点阐述了以多片ＤＳＰ为核心 的声目标定向识别软件设计。最终完成目标探测识别的算法处理，实现声源定位识别功能。 关键词：ＴＭＳ３２０Ｃ６７１１Ｄ一１６７；多ＤＳＰ；目标定向；目标识别 中图分类号：ＴＢ５２＋９ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８—７９９８（２０ｌ０）１２－００３２－０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ－ＤＳＰ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｏｕｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ＺＨＡＮＧ Ｄｅ，ＺＨＯＵ Ｙｉｎ Ｌｏｎｇ，ＧＡＯ Ｐｅｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｒｏｎｇ （Ｔｈｅ Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＸＣ２Ｖ６０００，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ＤＳＰ． Ｈｏｗ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｍｕｌｔｉ—ＤＳＰ ｉｓ ｃｏｒｅ ｏｆ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｏｆｔ ｄｅｓｉｇｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ｓｏｕｒｃｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＴＭＳ３２０Ｃ６７１ １Ｄ－１６７；ｍｕｌｔｉ－ＤＳＰ；ｔａｒｇｅｔ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ；ｔａｒｇｅｔ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ 声探测技术用声传感器阵列接收各种军事目标运 的电子技术，提出一种以多片ＴＭＳ３２０Ｃ６７１１Ｄ ＤＳＰ为信 动所产生的特征声信号，运用阵列信号处理、信号识别、 号处理单元，用ＦＰＧＡ实现各ＤＳＰ的ＥＭＩＦ接口总线互 信息融合等技术，确定目标的位置、航迹、类型。声探测 联，从而构成松耦合级、可再编程的多ＤＳＰ并行处理模 技术具有被动探测、不受电磁干扰、能够全天候工作、成 式，实现了一种具有高实时性、良好的扩展性和容量可 本较低等突出优点，特别是在夜间、雾天及能见度不良、 变等特点的多ＤＳＰ声探测系统。 通视度较差的情况或者复杂电磁环境下，是战场信息感 １系统设计 知不可缺少的重要手段之一。 系统由前端声传感器基阵和声探测系统两大部分 并行ＤＳＰ处理的目的是采用多个处理单元（ＤＳＰ）同 构成。 时对任务处理以减少任务的执行时间。多ＤＳＰ并行处理 声传感器基阵是由若干个传声器组成的阵列，利用 系统设计的核心是实现多ＤＳＰ之间的统筹协调、任务分 传声器阵列接收目标辐射噪声（如直升机飞行时旋翼扰 配、数据交换、信号处理及通信控制。 动空气引起的噪声和发动机自身辐射的噪声信号）。 因此，应用高性能ＤＳＰ作为数据实时处理单元，借 声探测系统由模拟电路、数字电路和控制电路组成。 助多ＤＳＰ并行处理技术实现实时性强、精度高、动态范 模拟电路完成对传声器阵列送来的微弱信号的放大、调 围大和高数据吞吐量的大规模并行处理系统，既打破了 理、均衡，并将预处理后的信号送至后端电路处理。数字 单处理器性能提升空间的限制，又大大增强了系统的兼 电路实现对目标声信号的采集、定向算法、识别算法、增 容性和在线升级能力，为声探测系统的研制提供了强大 益控制、电路逻辑控制以及外部接口功能。控制电路由电 的技术支持。 源管理和人机界面组成。图１为系统构成图。 ＴＭＳ３２０Ｃ６７ｘ是ＴＩ公司Ｃ６０００上具有最高性能的浮 ２硬件设计 点ＤＳＰ，具有第二代的超长指令字（Ｖｕｗ）结构。本文基 ２．１模拟电路 于国内外１３益发展的声探测技术研究成果和先进成熟 根据声目标信号的特征及探测对信号拾取和处理 ３２ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ 《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１２期 Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＤＳＰ，实现信号的预处理、增益控制、外界通信、数据关 联等工作；另一片作为目标识别ＤＳＰ，完成已定向目标 的类型识别功能。其余５片，完成主ＤＳＰ分配的目标频 点的信号处理及定向。每片ＤＳＰ具有独立的程序、数据 空间。数字电路设计模块图如图３所示。 ２．３控制电路 控制电路主要实现电源管理、人机界面功能。 图１系统构成图 电源管理主要完成对模拟和数字电路的电源分配、 的要求，传声器及相应各通道间应具有较好的低频响应 滤波处理以及控制。 特性，而且相位一致性必须很好。 人机界面完成对目标的重要信息的显示（目标方位、 为保证各个模拟信号通道的电路一致性，特别是放大 目标类型、批次）、参数的设置（编号、传输方式、测试）及检 滤波电路部分，在设计中采用了厚膜电路技术实现。通过 测功能。 对放大滤波电路的深入分析，确定影响电路相位的各种因 控制电路以Ｃ８０５１Ｆ０２０单片机为核心器件。其功能 素和关键的阻容元件的允许误差范围，将其应用到厚膜电 框图如图４所示。 路的设计中，并筛选阻容器件，以控制系统的稳定性。 最终通过对前端模拟电路的二次集成方法来确保 ＭＣＵ 产品的一致性，更好地保证传声器相位一致性，提高探 通 测精度。模拟电路功能组成如图２所示。 图４目标探测分系统值守电路板功能框图 ３软件设计 声探测系统软件完成对数字化声信号采集、模拟电 路放大电路的增益动态实时调整、系统参数的初始化配 图２模拟电路功能框图 置，核心是实现声目标信号的高速实时处理后的定向、墅 ２．２数字电路 识别功能。软件分为两大部分，即目标定向软件和目标 数字信号处理采用基于ＦＰＧＡ的多ＤＳＰ并行处理模 识别软件。软件构成如图５所示。 式，增强处理能力和实时性。ＦＰＧＡ实现类似ＡＤ ＤＳＰ的 ３．１目标定向软件设计 ＬＩＮＫ ＰＯＲＴ功能，形成了分布式松耦合系统；完成数字 诸如直升机、坦克等目标，其辐射噪声是一种宽带 电路的逻辑控制功能、外部通信接口协议（ＲＳ２３２、ＦＳＫ、 信号，能量主要集中在５００ Ｈｚ以下的低频段。由于其在 并行通信等）、ＤＳＰ之间的波形数据采集存储、交换以及 结构上具有周期转动机制（螺旋桨、发动机等），声信号 相互间的通信。 的功率谱具有鲜明特征：主要是由离散谱叠加在连续谱 用于实现高速数字信号处理的ＤＳＰ，一片作为主 上组成的，存在稳定的基频和较强的线谱，且线谱间具 增益控制 匝圊 叵 园 匦亟 目标定向 ＤＳＰ４ 眦 ｃｚｖ６ｏｏｏ … 主ＤＳＰ 接口电路 Ｒ￥２３２／ＲＳ４２２ 目标定 目标定向ｌ旧标定 ＤＳＰ２ ＤＳＰ３ ｌ ｌ ＤＳＰ５ 有线传输 ｌ ＦＩＡＳＨ ｌ ｌ ＦＩＡＳＨ ｌ ｌ ＦＬＡＳＨ Ｉ ｌ ＳＤＲＡＭ ｌ ｌ ＳＤＲＡＭ ｌ ｌ ＳＤＲＡＭ Ｉ 图３数字电路设计模块图 《电子技术应用》２０１０年第３６卷 第１２期 ３３ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ～ 获取主ＤＳＰ转发的阵列信号数据和目标信号频点１ ｌ获取声目标信号频点提取Ｉ 阵列信号 图５声探测系统软件构成 外部终端 Ｎ 有明显的谐波关系。 目标定向软件完成了对单个或多个声目标的远距 Ｉ目标频点滤波Ｉ 离声学被动定向。软件利用目标的宽谱和多谐波特性， 采用了多频段、多频点模式的窄带子空问类高分辨阵列 信号处理方法，并结合时域累积置信度方法和数据处理 后的关联和跟踪滤波，较好地实现了对相互靠近的多个 声目标的有效跟踪。 目标定向软件由１个主ＤＳＰ和５个从ＤＳＰ完成。主从 ＤＳＰ之间通过ＦＰＧＡ构建数据交换通道，完成并行处理。 ３．１．１主ＤＳＰ软件设计 主ＤＳＰ实现了目标频点检测和定向跟踪。目标频点 检测是在目标信号的宽谱和多谐波特征基础上的目标 频点提取。在频点检测中，设计了合适的检验统计量与 准则，并且通过大量外场实验验证，获得了理想的恒虚 警似然比门限。 定向跟踪完成了对目标频点的管理，实现了对各个 从ＤＳＰ的频点目标定向结果的关联与融合处理及伪目 标的消除，同时采用角度和角速度的二维信息跟踪方 法，实现对复杂噪声条件下目标的稳定跟踪。 主ＤＳＰ软件流程如图６所示。 ３．１．２从ＤＳＰ软件设计 从ＤＳＰ的目标定向特征是根据获取的频点信息，针 对性地对目标信号在指定频点上进行检测，采用ＭＵＳＩＣ 方 的 亏 ●一 与 频 ｆ阵列信号采集Ｉ 蜜 并 ｌ声目标信号频点提取ｌ 处 目 流 一 ３． 阵列数据、频点数据分发至从Ｄ Ｉ 用 获取各个从ＤＳＰ目标方位、类型 各 Ｉ 统 ｌ目标方位的关联、跟踪平滑ｌ Ｉ 厶 口 ｌ声目标结果输出Ｉ 征 比 环境下的目标类型。软 图６主ＤＳＰ软件流程图 ３４ 欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｃｏｍ Ｉ计算目标方位Ｉ幸 Ｉ ｌ目标方位上传主ＤＳＰｌ 图７目标定向软件流程图 件采用了包括特征参数提取及其筛选、分类器训练和识 别等方法。 波束形成是一种空域滤波器，能无失真地接收感兴 趣方位或区域内的目标噪声信号，同时抑制其他方位获 取区域内的干扰及噪声，能显著提高目标信号的信噪 比，改善探测方向的灵敏度。考虑到本设计针对的目标 噪声特性和后续处理要求，波束形成器设计为宽带的， 频带范围覆盖３～５个倍频程，在全空间形成多个相互叠 加的固定波束，通过目标方位估计结果选择对应波束输 出进行直升机特征参数提取。 针对系统对实时性要求较高且硬件资源优化的要 求，功率谱估计采用改进的平均周期图法估算其功率 谱，获得目标辐射噪声大类区分。功率谱估计方法包括 参数法和非参数法。 目标特征提取是通过对各种诸如直升机、坦克等声 目标信号的多次分析，从时、频二维抽取典型特征量，如 幅度、周期等，作为对信号判断与识别的依据，结合各种 参数的数学统计特征和模式可分性进行反复的算法仿 真，优选出一些最有效、最有代表性的特征参数。主要方 法有时频分析、小波变换、短时傅立叶变换等。 人工神经网络分类算法由输入层节点、输出层节 点、隐层节点组成。对于输入信号，要先向前传播到隐节 点，经过作用函数后，再把隐节点的输出信息传播到输 出节点，最后给出输出结果。算法的学习过程由正向传 播和反向传播组成。在正向传播过程中，输入信息从输 入层经隐单元层逐层处理，并传向输出层，每一层神经 元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不 能得到期望的输出，则转入反向传播，将误差信号沿原 来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，使得 误差信号最小。与传统计算机技术相比，人工神经网络 《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１２期 Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 计算机具有处理速度快、容错性好、抗干扰性好、自组织 性好（能自动找出规律）等优点。 谐波集检测方法的特征是：对提取的所有线谱频率 向量，逐个选择目标主频范围内的频率及其谐波集合， 寻找能量最强的一组作为主谐波集合。在剩余的频率向 量和谐波向量中，对照目标类型模板，寻找能量最强的 一●～ ｌ获取主ＤＳＰ转发的阵列信号数据和目标信号频点。 Ｎ 组为次谐波集合，最终实现声目标的主次谐波集检 测。目标识别软件流程如图８所示。 ４系统验证 声探测系统设计完成后，经过大量的试验测试可 知，各类指标满足要求，具有较强的实用性。 ｌ目标功率谱估计ｌ Ｉ Ｉ提取目标特征ｌ 中 声探测系统利用多ＤＳＰ并行处理方式，解决大容量 数据的实时处理和目标辐射噪声的宽带处理问题。利用 一ｌ神经元网络学习Ｉ 种创新的方法，综合运用多手段、多技术和宽带处理 方法，实现了对低空和超低空声目标的微弱辐射噪声信 号提取、远距离预警探测和Ｅ１标识别。 参考文献 【１】ＴＭＳ３２０Ｃ６７１ １Ｄ ｆｌｏａｔｉｎｇ—ｐｏｉｎｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（Ｒｅｖ．Ｂ） ［Ｍ］．ＵＳＡ：ＴＩ，２００６． ‘舌票羹耋嫠 的ＪＪ Ｉ 基于神经元网络的 非目标类型识别 Ｌ—— 多帧融合处理卜÷———＿ｊ 【２］Ｖｉｒｔｅｘ－ＩＩ ｐｌａｔｆｏｒｍ ＦＰＧＡｓ：ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｄａｔａ ｓｈｅｅｔ（ｖ３．５）［Ｍ］． ＵＳＡ：Ｘｉｌｉｎｘ，２００７． ｌ目标类型输出Ｉ 【３］张贤达．现代信号处理（第二版）［Ｍ］．北京：清华大学出 版社，２００２． 图８目标识别过程图 ［４】边肇祺．模式识别（第二版）Ｉｎ］．北京：清华大学出版社， ２０００． 设计、信号处理。 周印龙，１９８１年生，男，工程师，主要研究方向：水声及 （收稿日期：２０１０—０６—１７） 空气声信号处理。 高鹏，１９８０年生，男，工程师，主要研究方向：高速电路 设计。 作者简介： 张德，１９７６年生，男，工程师，主要研究方向：高速电路 （上接第３ｌ页） ｂｕｓ．ＯＨ：ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌｌ Ｃｏｍｐａｎｙ．Ｉｎｅ．１９９７． 好的性能，即ＥＤＦ算法比ＲＭ算法可以承受更多的负 【２］ＬＩＵ Ｃ Ｌ，ＬＡＹＬＡＮＤ Ｊ Ｗ．Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ— 载。但是当系统过载时，ＥＤＦ算法截止期错失率急剧上 升，性能下降很快，而ＲＭ算法则相对稳定，到一定程度 时ＥＤＦ算法性能低于ＲＭ算法性能。混合调度算法性能 曲线介于ＲＭ算法与ＥＤＦ算法之间，在一定的负载范围 内，同样能够实时调度任务，而且可以承受的负载范围 ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｉｎ ａ ｈａｒｄ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣＭ，１９７３，２０（１）． 【３】ＢＵＴＦＡＺＺＯ Ｇ．Ｒａｔｅ ｍｏｎｏｔｏｎｉｃ ＶＳ．ＥＤＦ：ｊｕｄｇｍｅｎｔ ｄａｙ［Ｊ】． Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００５，２９（３）：５—２６． 【４】叶明，罗克露，陈慧．单调比率（ＲＭ）调度算法及应用【Ｊ】． 计算机应用，２００５，２５（４）． 比ＲＭ范围大；当负载增加时，这种算法性能比ＥＤＦ算 法性能下降慢，表现出很好的稳定性。 本文基于ＲＭ与ＥＤＦ调度算法，提出了一种基于阔 ［５】王辉．改进了的ＲＭ与ＥＤＦ以及两者的混合调度算法【Ｄ］ 吉林：吉林大学，２ｏｏ４． （收稿日期：２０１０—０６—２８） 值６的混合调度算法。这种算法可以根据需要调节阈值 ６，制定符合需要的算法性能。当６取较小值时，混合调度 作者简介： 黄仁，男，１９６２年生，副教授，硕士生导师，主要研究方 向：嵌入式应用技术、模式识别与知识工程等。 李建章，男，１９８３年生，硕士研究生，主要研究方向：嵌 入式应用技术、实时操作系统。 算法侧重于ＲＭ算法性能；当 取较大值时，混合调度算 法侧重于ＥＤＦ算法性能。实验表明，在实际应用中，使用 混合调度算法比单独使用ＲＭ或ＥＤＦ调度算法具有更好 的灵活性，能够根据需要产生理想的调度性能。 参考文献 【１］ＫＲＩＳＨＮＡ Ｃ Ｍ，ＳＨＩＮ Ｇ Ｋ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｍ】．Ｃｏｌｕｍ一 程平，男，１９７８年生，博士，主要研究方向：可信软件需 求管理、可信软件构造与演化。 ３５ 《电子技术应用》２０１０年第３６卷第１２期