FPGA在实时声呐定向系统中的应用

　　1 引言

　　在实时声呐信号和语音信号处理中，常常需要使用几个通用的DSP处理器件才能达到实时处理的目的。但是在很多情况下，例如，在手持系统、水下系统等应用中，系统的功耗是有限的，这就限制了通用DSP器件的使用。一个可选择的方案是使用FPGA进行声呐信号处理。FPGA在信号处理速度、功耗方面都比通用的DSP器件更具有优势。

　　在本系统中，采用的是利用FPGA实现语音信号或者声呐信号定位。在声呐定位的算法中，常用的方法有基于子空间的方法(例如MUSIC)、基于空间或然性技术、到达时间差估计TDOA方法等，其中，到达时间延迟估计方法是最常用的方法，本文即采用这种方法。TDOA估计最常用的方法是广义互相关(GCC)方法，本文采用了CORDIC实现傅里叶变换后的谱分量的幅值和相角的计算，使用GCC估计声源的方向。

　　2 系统设计

　　本系统中实现的是两路传感信号的处理，这是一个最简化的结构。实际中可以采用多个传感器构成的传感阵列进行阵列信号处理，以达到更精确估计声源方向的目的。

　　2.1 GCC算法

　　设两个传感器的输入信号为s1(t)和s2(t)，信号中包含了噪声、回声、以及侍估的有用信号。用GCC方法进行时延估计的方框图如图1所示。

　　除运算和超越函数等的计算。

　　设向量[x0、y0]^T, 旋转角度θ后，结果为向量[xn、yn]^T，它可以用下式表示

　　稍作变换则有：

　　在CORDIC算法中，旋转是采用迭代的方法实现的，每一步迭代旋转一个预定的角度αi，引入旋转方向参数后，可以得到经过n步迭代后的旋转角度：

　　当tanai=2^-1，i=0,1,2,...,n⁻¹时，则旋转后的坐标xi+1、yi+1和每一步旋转的角度zi+1可以分列写成

　　经过n(n→)步旋转后，得到：

　　当初始条件为x0=1, y0=0,z0=θ时，则有：

　　其中Kn为一常数。

　　这样就可以利用迭代计算同时计算出 è 的正弦、余弦函数值了。

　　实际上，根据该原理，通过设置不同的边界值，不仅仅可以求出正弦、余弦函数，还可以计算旋转角度、矢量幅度、极坐标与直角坐标之间的转换等。我们采用 CORDIC 算法实现从傅里叶变换后谱的实部和虚部表示到幅度、相角表示的转换。

　　3 FPGA 实现

　　一般的声呐应用系统中，需要一个传感器阵列才能准确地在三维空间中确定目标方向。本系统只用两个传感器，故只能确定声源方向在三维空间的一个双曲面上，如果将多个传感器对组成一个系统，这样通过多个双曲面相交，可以在三维空间中准确定位出声源的方向。但是，当声源和两个传感器在同一个平面上时，就可以确定方向。系统实现框图如图2所示。