諸國(guó)磊，王英民，曾 浩

（1西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安 710072；2海軍裝備研究院，北京100161）

0 引言

聲自導(dǎo)系統(tǒng)是現(xiàn)代魚(yú)雷最基本也是最核心的部件，直接決定魚(yú)雷的總體性能和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)［1］。聲自導(dǎo)系統(tǒng)由于其復(fù)雜程度和對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，往往采用大規(guī)模的DSP芯片陣列來(lái)進(jìn)行自導(dǎo)信號(hào)處理，體積和功耗都較大。為了減小系統(tǒng)的體積，減少系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)小型化，利用最新FPGA片上的上億的門(mén)電路資源將整個(gè)信號(hào)處理部分在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)提供了一種新的思路［2］。

文中，在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通過(guò)片上網(wǎng)絡(luò)連結(jié)的片上多處理器系統(tǒng)，并將魚(yú)雷自導(dǎo)任務(wù)合理的劃分為適合多處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多個(gè)子任務(wù)后，將所有的子任務(wù)映射在片上系統(tǒng)的多個(gè)微處理器上控制其協(xié)調(diào)工作。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，為自導(dǎo)系統(tǒng)的小型化實(shí)現(xiàn)提供了一種可行的實(shí)現(xiàn)方式。

1 魚(yú)雷自導(dǎo)系統(tǒng)概述

自導(dǎo)系統(tǒng)把基陣接收到的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)之后，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理過(guò)程，最終得到需要的目標(biāo)參數(shù)信息。這一系列處理包括窄帶信號(hào)預(yù)處理、時(shí)域采樣、空間處理波束形成等，最終進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)［1］，處理流程如圖1所示，圖中虛線部分是關(guān)注的數(shù)字信號(hào)處理部分，將在片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

圖1 自導(dǎo)任務(wù)處理流程

1.1 時(shí)域信號(hào)處理模塊

時(shí)域信號(hào)處理部分負(fù)責(zé)將前端預(yù)處理模塊傳來(lái)的經(jīng)過(guò)數(shù)字化采集的信號(hào)進(jìn)行降采樣處理，將數(shù)字信號(hào)通過(guò)正交解調(diào)、低通濾波后對(duì)信號(hào)再次進(jìn)行采樣，降低數(shù)據(jù)量。

1.2 波束形成模塊

波束形成模塊完成自導(dǎo)系統(tǒng)中波束形成處理，將陣元信號(hào)進(jìn)行加權(quán)空間處理，形成所需的多路波束域信號(hào)。

1.3 信號(hào)檢測(cè)參數(shù)估計(jì)模塊

信號(hào)檢測(cè)處理實(shí)現(xiàn)基本的目標(biāo)檢測(cè)功能，確定目標(biāo)是否存在。參數(shù)估計(jì)實(shí)現(xiàn)自導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)向、測(cè)距、測(cè)速等定位算法。

2 片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)Xilinx公司的EDK工具來(lái)完成的，并且在Xilinx提供的Virtex－II Pr o開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，表1給出了整個(gè)系統(tǒng)的配置。圖2給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它是一個(gè)固定結(jié)構(gòu)的2×3的2維mesh結(jié)構(gòu)，每個(gè)處理單元（PE）通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口（NI）與相應(yīng)的一個(gè)路由器（R）相連。

圖2 片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 處理單元（PE）

處理單元是利用Xilinx公司的軟核處理器Micr oblaze來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在這里采用同樣的IP核來(lái)作為處理單元，可以用相同的網(wǎng)絡(luò)接口將這些微處理器連接到路由器上；相同的微處理器為程序的映射也提供了方便。在本系統(tǒng)中，一共實(shí)例化了6個(gè)Micr oblaze微處理器。

表1 系統(tǒng)配置

2.2 路由器（R）

路由器是網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)的核心部分。片上網(wǎng)絡(luò)采用蟲(chóng)洞路由交換技術(shù)［3］，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)路由器的延時(shí)很短，可以高效的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。路由器的主要幾個(gè)組成部分見(jiàn)圖3的原理結(jié)構(gòu)框圖，每個(gè)功能單元的功能介紹如下。

2.2.1 控制單元

控制單元對(duì)多路到達(dá)的數(shù)據(jù)包中的路徑選擇和優(yōu)先級(jí)信息進(jìn)行解碼。路徑選擇信息決定數(shù)據(jù)包從哪個(gè)出口傳出。當(dāng)多路數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)路由器并競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)出口時(shí)，控制單元會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包頭中優(yōu)先級(jí)的高低對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，優(yōu)先級(jí)別高的數(shù)據(jù)先通過(guò)路由器被送往目標(biāo)出口，較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包將被存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的緩沖器中。

圖3 路由器結(jié)構(gòu)框圖

2.2.2 緩沖器單元

緩沖器單元負(fù)責(zé)對(duì)參與競(jìng)爭(zhēng)的低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以防止數(shù)據(jù)包的丟失，以便參與下一次的競(jìng)爭(zhēng)。緩沖器單元中的FIFO利用片上的Block Ram資源實(shí)現(xiàn)。

2.2.3 多路選擇單元

多路選擇單元根據(jù)控制單元給出的路徑選擇信息，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定出口。根據(jù)在片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的不同位置，分別設(shè)計(jì)了有3、4、5個(gè)出口的路由器。表2中給出了三種路由器的能量及資源的使用情況。

表2 路由節(jié)點(diǎn)資源使用及能量損耗

2.3 網(wǎng)絡(luò)接口（NI）

2.3.1 路由轉(zhuǎn)換與處理單元之間的接口

網(wǎng)絡(luò)接口（NI）是在PLB總線基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在網(wǎng)絡(luò)接口中有輸入和輸出緩存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理單元和路由器之間數(shù)據(jù)的緩沖匹配，由于處理單元和底層路由器的時(shí)鐘頻率差異較大，所以從處理單元到路由器的數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀取需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)進(jìn)行速率的匹配。

2.3.2 路由與路由之間的接口

路由與路由之間是通過(guò)并行線路直接連接的，數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)應(yīng)的路由之間的接口連線傳輸。

3 魚(yú)雷自導(dǎo)任務(wù)在片上系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

在基于FPGA平臺(tái)的片上網(wǎng)絡(luò)多處理器系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理任務(wù)。首先要根據(jù)任務(wù)的運(yùn)算量進(jìn)行任務(wù)劃分，然后要根據(jù)片上系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)任務(wù)進(jìn)行映射［4－5］，以達(dá)到最好的運(yùn)行效率，具體任務(wù)準(zhǔn)備和映射過(guò)程如下。

3.1 任務(wù)準(zhǔn)備

自導(dǎo)處理任務(wù)在進(jìn)行映射前首先需要被適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行劃分，對(duì)于這個(gè)特定任務(wù)采用了手動(dòng)劃分，在這里主要考慮任務(wù)的復(fù)雜程度將任務(wù)劃分為6個(gè)子任務(wù)模塊T1～T6如圖4所示。

任務(wù)T1接收2n路陣元數(shù)據(jù)并拆分各n路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到任務(wù)T2、T3，因?yàn)楹罄m(xù)的低通濾波降采樣任務(wù)運(yùn)算量較大，所以需要拆分為兩個(gè)任務(wù)進(jìn)行處理；T2、T3分別將各自的n路數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波降采樣；任務(wù)T4將T2、T3處理完成后的2n路數(shù)據(jù)進(jìn)行水平和垂直疊加形成水平和垂直各m路數(shù)據(jù)；任務(wù)T5對(duì)水平和垂直的m路數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成處理，分別形成p、q路波束；任務(wù)T6對(duì)波束形成后的波束域進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)。

圖4 自導(dǎo)處理任務(wù)劃分

3.2 任務(wù)映射

綜合考慮處理器陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將劃分好的任務(wù)進(jìn)行了映射，對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系如圖5所示，任務(wù)T1～T4分別映射在處理單元PE1～PE4上，T5映射在PE6上，T6映射在PE5上。數(shù)據(jù)流向如圖中箭頭所示。

圖5 任務(wù)映射關(guān)系

4 結(jié)果與討論

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，給出理想狀態(tài)的2n路陣元數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行自導(dǎo)信號(hào)處理。圖6給出了波束形成后觀測(cè)到的一個(gè)方向上的波束形成結(jié)果，由于是正前方來(lái)的信號(hào)，所以正前方波束幅度最大。

表3給出了對(duì)一組方位的檢測(cè)結(jié)果，可以看到由于是理想數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果誤差較小。

圖6 波束形成輸出

表3 方位檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試，可以看到系統(tǒng)很好的完成了自導(dǎo)信號(hào)處理檢測(cè)等任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中，在一個(gè)FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)片上網(wǎng)絡(luò)多處理系統(tǒng)，將魚(yú)雷自導(dǎo)信號(hào)處理算法在這個(gè)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。在FPGA上實(shí)現(xiàn)的片上多處理系統(tǒng)平臺(tái)還可以進(jìn)一步的改進(jìn)，根據(jù)任務(wù)的情況采用不同的IP核，例如對(duì)復(fù)雜處理的處理單元實(shí)例化DSP處理單元以提高運(yùn)算速度，當(dāng)然這會(huì)改變通用架構(gòu)，需要針對(duì)性設(shè)計(jì)路由及接口單元。

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