網(wǎng)絡(luò)化和構(gòu)建的立體系統(tǒng)將是未來聲吶的發(fā)展趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和元器件技術(shù)的發(fā)展, 一種稱之為“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)” 的新型模式正在悄然興起。傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分。a /d數(shù)據(jù)同步采集是將整個網(wǎng)絡(luò)中的傳感器信號由模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字, 這種轉(zhuǎn)換應(yīng)使各個通道數(shù)據(jù)的相位一致性在一定的誤差范圍內(nèi)。論文的研究工作立足于上述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng), 研究了多通道信號異采樣率同步數(shù)據(jù)采集的問題。
1 引言
多通道信號數(shù)據(jù)同時采集是現(xiàn)代聲吶的基本特征。隨著潛艇技術(shù)的發(fā)展, 其噪聲越來越低,要提高聲吶對潛艇的檢測能力, 必然要求提高聲吶的性能來獲得更高的空間增益, 則是提高聲吶性能的有效手段之一。根據(jù)文獻(xiàn)[1] , 空間增益
gs = 10 lg n
式中: n 為一個基陣的陣元數(shù)目。
因此, 現(xiàn)代聲吶的陣元數(shù)目, 已經(jīng)從幾十發(fā)展到幾百,甚至上千個通道。由于聲吶波束成形算法的要求,這些通道的數(shù)據(jù)采集都要同步進(jìn)行, 通道之間的相位誤差必須限定在一定范圍內(nèi)。
網(wǎng)絡(luò)化和構(gòu)建的立體系統(tǒng)將是未來聲吶的發(fā)展趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和元器件技術(shù)的發(fā)展,一種稱之為“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)” 的新型模式正在悄然興起。所謂網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn), 是通過戰(zhàn)場各個單元的網(wǎng)絡(luò)化,把信息優(yōu)勢變?yōu)閮?yōu)勢, 使各分散配置的共同感知戰(zhàn)場態(tài)勢,協(xié)調(diào)行動, 從而發(fā)揮效能的模式。
一部艇上裝備著多部聲吶,其中可能有拖曳陣、艦首陣等,這些聲吶接收到的信號經(jīng)過a /d轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號,經(jīng)過某種數(shù)據(jù)融合, 接入到寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中; 一部具有強(qiáng)大信號處理能力的功能可重構(gòu)信號處理平臺從寬帶網(wǎng)絡(luò)中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行計算, 并將計算結(jié)果送至聲吶顯示控制系統(tǒng)。連接在系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)存儲設(shè)備也從寬帶網(wǎng)絡(luò)中獲取數(shù)據(jù), 并將它們實時記錄下來。同時, 聲吶數(shù)據(jù)也可以
送至網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備, 如艦艇上的通信系統(tǒng)、指控系統(tǒng)等, 通過網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié), 構(gòu)成了一個立體的網(wǎng)絡(luò)(圖1)。
網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)利用強(qiáng)大的計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò), 將分布在廣闊區(qū)域內(nèi)的各種傳感器, 指揮中心和各種系統(tǒng)合成為一個統(tǒng)一高效的大系統(tǒng), 實現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢和信息的共享。
傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)的最基礎(chǔ)部分[2 ]。a /d數(shù)據(jù)同步采集包括的主要內(nèi)容是將整個網(wǎng)絡(luò)中的傳感器信號由模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字, 這種轉(zhuǎn)換應(yīng)使各個通道數(shù)據(jù)的相位一致性在一定的誤差范圍內(nèi)。本文的研究工作立足于上述網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng), 研究了多通道信號異采樣率同步數(shù)據(jù)采集的問題, 并提出了一種解決方案。
圖1 艦艇上網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)
2 多通道異采樣率信號同步采集系統(tǒng)模型
在網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)中,各種型號的聲吶協(xié)同工作,而不同型號的聲吶用途不一, 參數(shù)也各異, 就整個大系統(tǒng)而言,是一個多通道組成的以不同采樣率進(jìn)行工作的系統(tǒng)。
圖2 多通道異采樣率系統(tǒng)模型
圖2是一個多通道異采樣率的系統(tǒng)模型。圖中的多路傳感器是由多種聲吶組成的傳感器陣列, 它們可能會有不同的特性, 實現(xiàn)不同的功能, 滿足不同的需求。傳感器的信號送至多通道a /d信號采集卡, 信號采集卡在統(tǒng)一時鐘控制下, 根據(jù)各自的需求對系統(tǒng)統(tǒng)一時鐘進(jìn)行時鐘變換, 以滿足自己的采樣率需求。信號經(jīng)過a /d采集卡后變成數(shù)字信
號送至數(shù)據(jù)傳輸模塊, 經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后傳送至千兆以太網(wǎng)交換機(jī), 由此,專用的信號處理設(shè)備就可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取所需要的數(shù)據(jù), 再根據(jù)規(guī)定的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。
這種模型的優(yōu)勢在于:
( 1) 可以方便各聲吶子系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)和控制信息。
( 2) 可以對多部聲吶系統(tǒng)進(jìn)行集中處理。
( 3) 可以對電子設(shè)備互為備份系統(tǒng)冗余性強(qiáng)。
( 4) 支持系統(tǒng)功能動態(tài)重構(gòu)和性能升級。
( 5) 減少系統(tǒng)的連線數(shù)量提高系統(tǒng)可靠性。
3 多通道異采樣率同步采集系統(tǒng)的解決方案
在多通道相同采樣率下同步采集的系統(tǒng)中, 一般是采用“硬同步” 的方式, 即在系統(tǒng)中設(shè)定一塊主a /d卡, 由它向系統(tǒng)中其余的從a /d卡提供采樣時鐘。參考這一解決方案, 那么, 在多通道異采樣率同步采集的系統(tǒng)中, 可以有以下幾種解決方案。
3. 1 可供選擇的方案分析
圍繞多通道不同采樣率數(shù)據(jù)同步采集的思想, 有以下幾種方案可供選擇:
( 1) 同步采集, 數(shù)字濾波, 降采樣這種解決方案的步驟如圖3所示。其過程基于多通道相同采樣率信號同步采集的思想, 是對原始信號以“主-從” 方式進(jìn)行同步采集,然后對需要降低采樣率的通道進(jìn)行數(shù)字濾波, 最后對濾波后的信號進(jìn)行降采樣。
圖3 多通道異采樣率同步采集解決方案一
中間有一個環(huán)節(jié)是數(shù)字濾波所必須的。為什么需要降采樣的通道在降采樣之前需要對其進(jìn)行濾波? 因為該通道是以高采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的, 在采樣后的信號里可能會混雜了其它高頻的信號, 這些信號如果未經(jīng)濾波就進(jìn)行降采樣的話, 就會在信號里混入某種可能并不存在的信號成分。
( 2) 模擬濾波, 同步采集, 降采樣這種解決方案的步驟如圖4所示。其思想跟( 1) 方案中的思想類似, 不同之處在于將同步采集環(huán)節(jié)和濾波環(huán)節(jié)互換了一下,將原來的數(shù)字濾波改用硬件電路來實現(xiàn); 在模擬濾波后, 再對濾波后的模擬信號以“主- 從” 方式進(jìn)行同步采集, 同步采集后, 對獲得的數(shù)字信號直接進(jìn)行降采樣。
圖4 多通道異采樣率同步采集解決方案二
( 3) 利用同一時鐘驅(qū)動, 設(shè)置不同的采樣率進(jìn)行采樣這種解決方案的步驟如圖5所示。這種方案的思想跟前兩種方案有很大的不同。首先,它借鑒了多通道相同采樣率信號同步采集的思想, 也是采用“主- 從” 的工作方式, 一般是將主卡設(shè)置為高采樣率的卡, 主卡將采樣時鐘送給系統(tǒng)其余的a /d卡, 需要以低采樣率進(jìn)行采樣的a /d卡在接收到主卡的時鐘后,在fpga里對時鐘進(jìn)行分頻處理,來滿足自身的采樣需求。
3. 2 三種采樣方案的比較
種方案的特點(diǎn)是實現(xiàn)比較容易, 數(shù)字信號的相位一致性好,缺點(diǎn)是需要專門的dsp來實現(xiàn)濾波算法,在系統(tǒng)通道數(shù)量較多和采樣率較大的情況下, 需要比較多的硬件資源來完成。
圖5 多通道異采樣率同步采集解決方案三
第二種方案的特點(diǎn)是增加硬件電路代替數(shù)字濾波環(huán)節(jié)來完成濾波過程。這樣做的好處是對數(shù)字電路部分的dsp運(yùn)算能力要求大為降低, 也不再需要設(shè)計濾波算法; 缺點(diǎn)是增加了硬件成本, 從而增加了系統(tǒng)的體積和重量,并且效果沒有數(shù)字濾波的效果好。
第三種方案不需要額外的濾波環(huán)節(jié), 因為a /d采樣芯片會自動地進(jìn)行這個過程。在該方案中采用的是δa/d轉(zhuǎn)換芯片[5] , 能根據(jù)采樣率設(shè)置系統(tǒng)a/d轉(zhuǎn)換的截止頻率。
這種方案的特點(diǎn)是實現(xiàn)的思想簡單直接, 既不像方案( 1) 需要專門的dsp來進(jìn)行數(shù)字濾波, 也不像方案( 2) 需要專門的硬件來實現(xiàn)模擬信號濾波, 它僅需要在fpga的邏輯里進(jìn)行一些特殊處理, 即可實現(xiàn)在同一系統(tǒng)中的同一時鐘下以不同的采樣率進(jìn)行同步信號采集。這種方案既能降低硬件成本, 不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。
4 多通道在同一時鐘信號下分頻采集
如上述方案三, 在一個多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,如果某些不同的通道需要以不同的采樣率進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集的時候, 使用主從結(jié)構(gòu), 系統(tǒng)中各個通道在主a /d卡時鐘的驅(qū)動下, 再根據(jù)各自的采樣率需要進(jìn)行分頻處理,不失為多通道異采樣率同步采集系統(tǒng)的一種不錯的解決方案。
4. 1 a /d數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)和工作原理
要實現(xiàn)一個系統(tǒng)中的所有a /d數(shù)據(jù)采集卡在同一時鐘驅(qū)動下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 那么在這個系統(tǒng)中的所有a/d數(shù)據(jù)采集卡必須采用“主- 從” 結(jié)構(gòu)設(shè)計。作為主卡的a/d數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生時鐘信號, 給包括自身在內(nèi)的系統(tǒng)中的所有a /d數(shù)據(jù)采集卡使用。這樣, a /d數(shù)據(jù)采集卡上有如下設(shè)計:
· 跳線裝置, 設(shè)置該a /d數(shù)據(jù)采集卡是工作在主模式還是從模式;
· 在a /d數(shù)據(jù)采集卡上需要有時鐘輸入輸出接口;
· 有可編程的邏輯器件如fpga對時鐘進(jìn)行控制;
· 更進(jìn)一步的有dsp進(jìn)行數(shù)據(jù)流的控制和傳輸。
圖6 a /d數(shù)據(jù)采集板結(jié)構(gòu)圖
多塊a/d數(shù)據(jù)采集卡組成系統(tǒng)的工作原理是這樣的:
將處于中間位置的a /d數(shù)據(jù)采集卡通過跳線設(shè)置為主卡, 其余的a/d數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置為從卡;
用同步線(時鐘和控制連線) 將系統(tǒng)中所有a /d數(shù)據(jù)采集卡連接起來;
對需要以不同采樣率進(jìn)行采樣的a /d數(shù)據(jù)采集卡的邏輯芯片中(一般是fpga) , 加入相應(yīng)的分頻邏輯;
在驅(qū)動控制程序里進(jìn)行對數(shù)據(jù)同步采樣進(jìn)行控制。
4. 2 同步控制
a /d數(shù)據(jù)采集卡上的dsp用于對數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行控制和對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。a/d芯片采樣率的設(shè)置、a /d數(shù)據(jù)采集卡上的增益控制都是通過運(yùn)行在dsp上的程序來完成的, 見圖6。
系統(tǒng)中的每塊a /d數(shù)據(jù)采集卡通過加載驅(qū)動程序來運(yùn)行。對于系統(tǒng)而言, 由于系統(tǒng)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的, 而數(shù)據(jù)又是在時鐘的驅(qū)動下獲得的。所以, 系統(tǒng)先加載從a /d數(shù)據(jù)采集卡的程序, 讓從a /d數(shù)據(jù)采集卡處于就緒狀態(tài)后, 再加載主a /d數(shù)據(jù)采集卡的程序, 此時, 主a /d數(shù)據(jù)采集卡同時給自身和系統(tǒng)中的其余從a/d數(shù)據(jù)采集卡提供時鐘, 整個系統(tǒng)就可以進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集了。
然而, 僅僅這樣還是不夠的。根據(jù)文獻(xiàn)[5] , a /d采樣芯片在開始正常工作前需要有一個校正的過程, 并且在不同的采樣率下其校正時間并不一致。這樣就會造成不同采樣率下不同的通道采樣數(shù)據(jù)無法對齊, 從而對通道間的相位一致性問題帶來嚴(yán)重的影響。
所以, 在系統(tǒng)的同步控制中要加入統(tǒng)一的開中斷信號,在所有的a/d數(shù)據(jù)采集卡都校正完畢進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)采集了之后, 由主a /d數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出開中斷指令, 這樣才能達(dá)到系統(tǒng)中所有的a /d數(shù)據(jù)采集卡同步采集。
此外, 由于不同的通道采樣率不一致, 在δe采樣芯片中對信號的截止頻率也會不一樣, 換言之, 就是在a /d芯片中的低通濾波器參數(shù)不一致, 這樣就不可避免的造成不同的采樣率通道的有不同的相移。因此,應(yīng)該將采樣率高的那些通道中的數(shù)據(jù)右移一段位置, 來保證所有通道的數(shù)據(jù)對齊。
5 試驗結(jié)論和進(jìn)一步研究
5. 1 試驗結(jié)論
上述研究成果已經(jīng)成功地應(yīng)用在某聲吶系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由65個通道組成, 同時有100 k hz和50 k hz兩種不同的采樣率。試驗結(jié)果表明, 當(dāng)信號頻率在100 hz以上時, 系統(tǒng)各個通道之間( 100 k hz和50 k hz采樣率的通道之間) 的相位誤差在0. 6°以內(nèi), 在50h z時, 其相位誤差約為1°。如表1所示。
表1 通道間相位一致性測試
5. 2 進(jìn)一步研究的問題
( 1) 低頻相移問題
如表1中所示, 當(dāng)信號頻率在10～ 100 hz之間時, 100k hz采樣頻率的信號相對于50 khz采樣頻率的信號相位有比較明顯的偏移, 具體表現(xiàn)為:
從圖7中不同正弦波下各個通道的波形圖比較中可以看到, 在10 hz下, 通道間的相位有比較明顯的偏移, 圖8是其中10 hz波形圖的局部放大圖,可以更清楚的看到各通道間的相位偏移。
( 2) 采樣率不一致而導(dǎo)致的相移問題
如前所述, 由于不同的通道采樣率a /d芯片中的低通濾波器參數(shù)不一致, 這樣就不可避免的造成不同的采樣率通道的有不同的相移。因此,在實際系統(tǒng)中將采樣率高的那些通道中的數(shù)據(jù)右移一段位置, 來保證所有通道的數(shù)據(jù)對齊。
在目前的系統(tǒng)中, 數(shù)據(jù)右移的個數(shù)是根據(jù)實際系統(tǒng)的情況來確定的, 是一個特例。要在理論上找到一種通用的方法, 還需要對δe采樣芯片的低通濾器進(jìn)行建立分析模型,并對該模型進(jìn)行深入的分析, 來得到理論上的支持。
6 結(jié)論
本文研究了多通道異采樣率信號的同步采集問題。首先介紹了多通道異采樣率信號同步采集的背景和應(yīng)用模型; 然后在多通道相同采樣率信號同步采集的基礎(chǔ)上,提出幾種在多通道異采樣率下信號同步采集的解決方案, 并對這些方案從理論上和實現(xiàn)上進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和比較; 討論了其中一種方案, 并給出了相應(yīng)的試驗結(jié)論; 最后就本文的研究課題“多通道異采樣率信號同步采集”的問題提出進(jìn)一步待研究的問題。
圖7 不同頻率正弦波下各通道波形圖
圖8 10 hz正弦波各通道采樣的局部放大圖
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