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声纳水下接收处理模块研制

作　者: 杨正山
导　师: 周建江
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 蛙人探测高速声纳信号解调波束形成抽取滤波器分时复用 FPGA
分类号: U666.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 93次
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内容摘要

近年来,随着蛙人成为各国海军中一支重要力量,蛙人的探测和防御显得尤为重要。声纳是实现水下目标定位、识别和跟踪等任务的重要设备,因此蛙人探测声纳是一个重要的研究方向。根据模块中各单元功能的不同,本文中所设计的模块可分为A/D转换单元、信号处理单元、光纤收发单元和控制单元。A/D转换单元利用采样保持放大器,通过分时复用A/D芯片,实现了以6个A/D芯片完成48通道模拟信号同时采样的功能,各通道采样率为400KHz。系统核心的信号处理单元由3片同步工作的FPGA组成,控制A/D转换过程,接收48通道采样数据,并对数据进行解调和20:1抽取滤波,最后利用时间延迟法形成32波束;FPGA中以分时复用乘法器的设计完美地解决了FIR滤波器和波束形成加权叠加运算所需资源量问题,并使FPGA的高速性能得到充分发挥。作为声纳水下设备与干端设备联系的通道,光纤收发单元实时地将波束数据上传至干端显控台,并接收干端发出的命令。控制单元通过光纤收发单元接收各种控制命令,控制声纳水下发射分机、模拟开关阵列、信号调理板及信号处理单元协同工作。经过将声纳水下接收处理模块与系统联调,模块各单元均达到设计要求,声纳水下设备和干端设备作为整体运行稳定可靠。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-17
  1.1 课题研究背景  13
  1.2 国内外研究现状  13-14
  1.3 声纳信号处理的发展  14-16
  1.4 本文研究内容  16-17
第二章模块设计基本原理  17-22
  2.1 信号解调  17-18
  2.2 信号抽取  18-19
  2.3 波束形成  19-21
  2.4 小结  21-22
第三章声纳水下接收处理模块总体设计  22-28
  3.1 模块基本结构  22-23
  3.2 模块设计与仿真  23-26
    3.2.1 48 通道采样设计  23-24
    3.2.2 抽取滤波器设计  24-26
    3.2.3 标准信号源仿真  26
  3.3 小结  26-28
第四章模块硬件设计  28-53
  4.1 FPGA 概述  28-29
  4.2 信号处理单元  29-36
    4.2.1 FIR 滤波器  29-31
    4.2.2 波束形成加权叠加运算  31-32
    4.2.3 信号处理单元功能结构  32-33
    4.2.4 Xilinx Virtex-II Pro 系列FPGA  33-36
  4.3 A/D 转换单元  36-43
    4.3.1 主要器件选择  36-40
    4.3.2 A/D 转换单元实现  40-43
  4.4 控制单元  43-44
    4.4.1 Xilinx XC9500 系列CPLD  43-44
    4.4.2 控制单元硬件连接  44
  4.5 数据收发单元  44-50
    4.5.1 光纤收发器  44-45
    4.5.2 HOTLink 收发器  45-48
    4.5.3 FIFO 存储器  48-49
    4.5.4 收发通道连接  49-50
  4.6 时钟发生器  50-51
  4.7 PCB 设计  51-52
  4.8 小结  52-53
第五章模块软件设计  53-77
  5.1 FPGA/CPLD 设计  53-55
    5.1.1 FPGA/CPLD 核心设计流程  53-54
    5.1.2 设计工具——Xilinx ISE  54
    5.1.3 IP 核  54-55
  5.2 FPGA 功能子模块连接  55-56
  5.3 A/D 转换过程设计  56-61
    5.2.1 8 通道信号A/D 转换控制  57-58
    5.2.2 采样数据选择  58-59
    5.2.3 采样数据存储  59-61
  5.4 数据串行解调设计  61-62
  5.5 抽取滤波器设计  62-68
    5.5.1 单通道8 系数乘法累加器  62-64
    5.5.2 乘法累加器25 通道复用  64-66
    5.5.3 滤波与抽取实现  66-68
  5.6 波束形成运算  68-71
  5.7 波束数据光纤发送过程  71-73
    5.7.1 波束数据存储  71-72
    5.7.2 光纤发送控制  72-73
  5.8 CPLD 逻辑控制  73-76
    5.8.1 输出接口  74
    5.8.2 AGC 数据输入接口  74-75
    5.8.3 光纤接收控制  75-76
  5.9 小结  76-77
第六章系统调试与分析  77-88
  6.1 在线逻辑分析仪CHIPSCOPE PRO  77
  6.2 模块硬件测试  77-78
  6.3 模块功能调试  78-85
    6.3.1 FPGA/CPLD 配置测试  78-79
    6.3.2 A/D 转换测试  79-81
    6.3.3 FIR 滤波器测试  81-82
    6.3.4 波束形成测试  82-84
    6.3.5 光纤收发通道测试  84-85
  6.4 系统联调  85-87
  6.5 小结  87-88
第七章总结与展望  88-89
参考文献  89-91
致谢  91-92
在学期间研究成果及发表的学术论文  92-93
附录  93-97

声纳水下接收处理模块研制

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