相控阵声学多普勒计程仪的信号处理模块设计

　　相控阵声学多普勒计程仪(以下简称计程仪)是一种应用声学多普勒频移原理测量水下运载器相对于海底或参考海水层速度的仪器。本文所提的声学多普勒计程仪为我所主持研制的大深度、高精度的相控阵声学多普勒计程仪，要求海底跟踪深度500m以上，并且要在短时间内能快速计算水下运载器与海底相对速度并跟踪海底，因此信号处理数据量大而复杂。本文研制的以PowerPC G4处理器为核心的信号处理模块成功实现了计程仪的实时数据处理，从而快速实现海底跟踪功能，为大深度、高精度的相控阵声学多普勒计程仪的成功研制解决了关键技术。

　　信号处理模块是计程仪中的核心部分，承担着计程仪的信号处理及对外接口任务，主要完成对 4路正交接收信号的采样，海底回波信号的判别、提取以及水下运载器相对于海底运动速度的解算，同时完成发射、基带解调等信号的产生，并负责对外通讯和数据交换。本文主要介绍了自主研制的以PowerPC G4主处理器为核心的通用信号处理模块的基本结构特点和相关软硬件设计方法。由于采用了高性能的G4处理器，充分利用了VxWorks 嵌入式实时操作系统抢占式多任务的优点和性能，使得信号处理模块能够以最简单紧凑的设计完成较复杂的功能。

　　1 信号处理模块的基本结构

　　信号处理模块结构框图如图1所示。信号处理模块是一块由1片PowerPC G4和1片CPLD为核心组成的功能模块。PowerPC G4采用Motorola公司生产的PowerPC系列的MPC7410 RISC 微处理器。它具有以下特点：支持对称多处理器技术(SMP)，内核最高时钟达到500 MHz，包含多个运算处理单元，支持哈佛结构和指令流水线操作，具有SIMD特点，在一个时钟周期可执行8条指令;集成了128 bit AltiVec 执行单元，4 G FLOPS数据处理能力，能够快速地完成卷积、FIR 滤波器和FFT等数字信号处理算法。内部总线是MPX总线(32 位地址总线和64位数据总线)，100 MHz的外围设备总线速度，包含32 kbyte一级指令Cache 和数据Cache，支持最高2 Mbit的外部L2 CACHE，支持多种内存寻址的内存管理模式。高性能的矢量运算单元(AltiVec unit)有利于处理大批量的数据，可满足实时数字信号处理的要求。选用XILINX公司的CoolRunner-II 系列CPLD，具有较高的逻辑编程功能和低功耗特性，在本设计中主要用于系统的逻辑控制和中断控制，以及产生相应的信号输出等。

　　2 硬件设计

　　根据计程仪的信号处理要求，信号处理模块的硬件设计主要由数字信号处理电路、A/D转换电路、发射信号及基带解调信号等信号产生电路、数据存储电路、D/A转换电路、接口控制电路等几个部分组成。电路组成框图见图2。