华北电力大学
文献综述
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题目DSP水声·声呐·雷达方面的应用
课程名称 DSP系统设计
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专业班级：电子1102 学生姓名：管俊豪
学号：201003020203 成绩：
指导教师：尚秋峰日期： 2014.07.3
DSP在水声和声呐及雷达信号处理系统中的应用
一、基本概念：DSP简介——数字信号处理器（DSP）是一种具有特殊结构的微处理器，特别适合于数字信号处理运算。
它是当今发展最为迅速和前景最为可观的技术之一。
自从20世纪80年代第一片DSP芯片诞生至今。
其性能得到了极大的提高。
应用领域取得了不断的拓展。
日前它己经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电产品不可或缺的基础器件, 尤其在通信领域,数字信号处理器以其实时快速地实现各种数字信号处理算法的优点从而得到了广泛的应用。
随着超大规模集成电路技术（VLSI）的高速发展。
DSP的性价比也在不断提高。
二、学科发展状况
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
20世纪60年代以来，随着信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。
在过去的二十多年时间里，数字信号处理技术已经在通信、实时信号处理、安全保密、图像处理等领域得到了极为广泛的应用。
三、该领域所应用DSP芯片
TMS320VC5416、TMS320DM642、TMS320C5402型号的DSP处理器，采用流水线结构，集成度高、扩展性好、处理功能强、功耗低具有强大的运算能力、高度的并行性和广
泛的应用性，特别适合数字信号处理，完全可以对数据进行实时处理，且其功耗低、
价格适中。
综合看来TMS320C5000，TMS3320C6000系列在此应用范围内应用较广。
四、典型应用方案
1、DSP在雷达信号处理中的应用
FFT是雷达信号处理的重要工具。
DSP内部的硬件乘法器、地址产生器（反转寻址）和多处理内核，保证DSP在相同条件下，完成FFT算法的速度比通用微处理器要快2到3个数量级。
因此，在雷达信号处理器中，大量采用DSP完成FFT/IFFT，以实现信号的时-频域转换、回波频谱分析、频域数字脉冲压缩等。
FIR滤波器是雷达信号处理中常用设计之一。
在动目标指示（MTI）或动目标检测（MTD）中，采用FIR滤波器可以滤除杂波干扰，提高信杂比，而通过恒虚警处理（CFAR）完成目标的检测。
在机载多普勒雷达中，为了抑制地杂波的干扰，采用了复杂的自适应滤波器组。
在阵列信号处理以及波束形成中，进行数据校正及加权系数计算和控制，均需要大量的复数运算。
这些复数加权滤波器、多普勒滤波器组或者矩阵运算都是复信号的乘法累加运算，可根据不同算法的需要，采用DSP进行灵活编程实现。
数据重采样主要是为了得到雷达回波数据局部细节信息，实现数据校正或者配准。
例如在SAR图像处理中，距离徙动校正中的多点插值算法和InSAR进行图像配准之前进行8倍像素细化，均可采用DSP完成一维和二维的插值运算。
DSP在参数估计方面也得到了广泛应用。
典型的应用实例是SAR成像处理中的最大对比度算法。
最大对比度算法是一种优秀的多普勒调频斜率估计方法，它通过对方位向数据的重复脉冲压缩，最后通过计算对比度，得到最优的普勒调频斜率。
其中，采用DSP 完成大量的FFT、IFFT和复数乘法，实现实时的参数估计。
此外，DSP可以利用其存储器管理和计算能力，分析杂波强度、面积、杂波的多普勒频率、起伏分量以及地杂波等，建立杂波图，完成雷达回波的统计分析、信息保存及存储器控制等任务，最终实现CFAR处理。
由此可见，DSP在雷达信号处理器设计中具有很大的灵活性和适用范围，它不仅增强了信号处理的速度和能力，大大提高了信号处理系统的性能指标，而且适合多功能可编程并行处理和阵列处理，满足高速并行处理的要求。
基于DSP的雷达信号处理系统结构设计
现代雷达信号处理系统是典型的实时并行处理系统，采用模块化设计，多种模块构成一个通用硬件平台，根据软件雷达的思想，通过改变算法和软件，使其适应不同的工作环境和任务需要。
由于多DSP处理模块具有运算密集、体积小、实时性好以及处理时间可严格预测等特点，通常可作为系统的核心模块。
例如我国最新研制的 WRSP1（Weather Radar Signal Processor 1）全功能天气雷达信号处理器，由三类标准模块构成，采用了多DSP并行方式，通过软件编程能够实时完成当今天气雷达信号多普勒处理的PPP（脉冲对）、 FFT等五种算法，与我国原有系统相比较，具有高集成、高精度、高度灵活、高稳定、高成像质量和低成本等特点。
另外同一种DSP处理模块采用不同的结构进行组合，也会直接影响系统的工作效率、适应性等技术指标。
国内某大学研制了大存储容量4 DSP通用高速信号处理板，并采用多种不同结构应用于SAR实时成像处理器研制中。
图1（a）采用并行处理方式，处理模块中的多个DSP组成一个独立处理单元，运行相同的成像处理程序，负责一景图像的处理。
系统的多个模块完成多景图像的处理，是典型的单指令流多数据流（SIMD）结构。
该结构可以适应大多数SAR成像算法。
图1（b）采用总体串行、局部并行的布局，对于距离脉压，采用串行处理，提高处理速度；对于方位向处理，采用并行处理，完成参数估计和方位向脉压，是典型的多指令流多数据流（MIMD）。
MIMD结构处理效率高，但是系统结构和算法流程存在相当程度的耦合，算法适应性不如前者。
2、DSP在水声跳频通信中的应用
水声信道是一种极其复杂的时空频变信道．在进行水声通信中．必须克服强多途和大起伏等干扰．抗干扰能力强、隐蔽性好的跳频通信技术应用于水声通信领域．具有独特的优势，是近年来高稳健性水声通信技术研究中的一个热点．本段内容构建了一种基于DSP硬件平台的实时水声跳频通信系统，给出了系统编解码技术的实现方法．发射的
帧信号由粗同步信号、细同步信号、时延信号和m序列生成的跳频信号组成，采用补零FFT的方法进行解码，提高了鉴频分辨率．通过实验室水池实验，验证了所设计系统在低信噪比条件下的可行性和稳定性．由于m序列生成的跳频图案隐蔽性强，该系统也可用于水声保密通信．
跳频通信是扩频通信中的一种重要方式．扩频通信是将待传输的信息数据用伪随机码编码调制，将其频谱扩展后再发送到信道进行传输，在接收端采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原信号信息．水声跳频通信系统的原理框图如图1所示．在发射端先将信息数字化，变成两位的数字信息流，经过信源编码、信道编码，然后经过FSK调制，调制器选两个频率中的一个，得到的FSK信号送入混频器，在混频器中与m序列发生器输出的m序列(即跳频图案)控制DDS合成的频率混频，即可产生跳频信号(FSK—FH 信号)．FSK—FH信号通过功率放大后，经由发射换能器发送到水声信道中．在接收端，接收到的信号经过前置滤波放大后，送人混频器，混频器中有一个同样的“跳频图案”，并保持它与所接收的信号同步．这样，用此“跳频图案”的输出和所接收信号混频，就可以把发射端引入的“跳频图案”去掉(解跳)，即可得到FSK信号，再调用信号处理相关算法做解调、解码，恢复原始发送信息．
3、DSP在声呐信号处理中的应用
早期的声呐发射机的信号控制系统，主要由中央处理器-单片机、信号发生器、波束形成器组成，线路设计中使用数字门电路和模拟电路等众多分立器件构成，信号产
生和波束形成方式相对固定。
而利用DSP 高速信号处理芯片构造数字信号源，将“控制”、“信号产生”和“波束形成”紧密结合，产生可编程的实时的多种信号形式、信
号延时，提高了波束形成的相位控制精度。
同时，利用PWM(脉宽调制)信号产生原理，结合有效的控制算法，可以实时控制发射功率，完成多路单频、线性调频、双曲调频
和伪随机序列信号的发射。
基于DSP 的脉宽调制发射技术，利用功能强大的高速信号处理器，可以实现多种PWM控制方案。
该系统具有工作频带宽，信号形式灵活可变，结构紧凑，体积小，可靠性高等诸多优点，可以实现复杂的控制算法，应用前景广泛，可以应用于多通道的声呐发射系统和民用超声技术领域。
基于 DSP 的脉宽调制发射技术，利用功能强大的高速信号处理器，可以实现多种PWM控制方案。
该系统具有工作频带宽，信号形式灵活可变，结构紧凑，体积小，可靠性高等诸多优点，可以实现复杂的控制算法，应用前景广泛，可以应用于多通道的声呐发射系统和民用超声技术领域。
五、参考文献
[1] 于真，基于PCI总线多DSP通用信号处理卡实现[学位论文],2006.
[2]钱诚，基于DSP的雷达信号参数估计的准实时处理方法研究[学位论文]2008.
[3] 张宝宜，基于DSP的被动声纳信号检测技术应用研究[学位论文],2007.
[4] 李智,基于DSP的水声信号采集系统研究[学位论文],2011.
[5] 齐精兵，李雷，DSP技术在雷达信号处理的应用探究[期刊论文],2013.
[6] 苏涛,赵峰,卢刚, 高速DSP 新技术在雷达信号处理中的应用[期刊论文],2005.
[7]朱子平，雷达信号处理中通用DSP的设计[期刊论文]2002.
[8]李明,高性能雷达信号处理系统设计与实现[期刊论文],2011.。