基于图像声纳的数字信号处理算法FPGA实现

论文摘要

利用高频段的声波,成像声纳可以在几百米的距离内以更为直观的图像方式对水下目标进行成像,进而完成探测,追踪,识别并建立数据库等工作。目前已被广泛应用于水下目标探测等诸多领域,发挥着日益重要的作用。具有高分辨率,实时成像等特点的成像声纳系统,要求其处理器能够以高速度高精度处理大量的实时数据。本文选用具有强大并行处理能力的现场可编程门阵列(FPGA)为核心处理器,就成像声纳系统的部分数字处理处理环节进行了研究。首先,研究了成像声纳系统中的前期数字信号预处理常用到的FIR(有限长脉冲响应)滤波与复下变频算法的结构并将其在FPGA内实现。FIR滤波器可以根据系统接收的是宽带还是窄带信号而灵活的设置滤波器的截止频率等参数,使所需信号通过。同时还可以通过增加其阶数来获得较陡的过渡带,从而降低对前期模拟滤波器过渡带的要求,进一步提高滤波器的性能。复下变频将实信号转变为单边带的复信号,在后期用快速傅立叶变换(FFT)做波束形成时,可以避免因实信号的双边带频谱带来的目标模糊。其次,进一步研究了实现波束形成的常用算法—快速傅立叶变换(FFT),设计了串行级联和并行级联两种结构的FFT处理器。并分别就定点运算与块浮点运算方案做了速度,资源和逻辑复杂度的比较,同时针对蝶形运算的特点提出了一些优化和改进措施。实验证明并行级联结构FFT可以对四倍于其工作频率的输入数据完成FFT转换,大大提高了其处理速度。最后,完成了1Gbit容量的DDR2 sdram芯片控制器的框架开发,为成像声纳进行大批量的数据缓存处理做了前期探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外发展现状和发展趋势
• 1.3 论文研究内容
• 第2章 FIR滤波与复下变频算法的FPGA实现
• 2.1 FIR数字滤波与复下变频运算的背景及其意义
• 2.2 FIR滤波器算法
• 2.2.1 线性相位FIR滤波器的原理
• 2.2.2 线性相位FIR滤波器阶数的确定与系数的生成
• 2.2.3 FIR数字滤波器基本结构
• 2.2.4 FIR数字滤波器在FPGA上的实现及误差分析
• 2.3 复下变频算法
• 2.3.1 复下变频算法理论的分析
• 2.3.2 复下变频算法在FPGA上的实现及误差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 FFT算法的研究及其在FPGA上的实现
• 3.1 FFT算法在成像声纳系统中的作用
• 3.2 快速傅里叶变换算法理论研究
• 3.2.1 FFT算法原理
• 3.2.2 基四FFT算法
• 3.2.3 几种基算法复杂度的比较
• 3.3 基四FFT算法的实现结构与速度、精度优化方案
• 3.3.1 处理器实现结构浅析
• 3.3.2 处理器速度优化方案
• 3.3.3 处理器精度优化方案
• 3.4 FFT处理器的FPGA设计及实现
• 3.4.1 存储单元设计
• 3.4.2 地址生成及控制单元设计
• 3.4.3 蝶形运算单元设计
• 3.4.4 定点运算与块浮点运算的差别
• 3.5 仿真测试与性能分析
• 3.5.1 正弦信号的测试与分析
• 3.5.2 方波信号的测试
• 3.5.3 三角波信号的测试
• 3.5.4 直流信号的测试
• 3.5.5 正弦信号加白噪声的测试
• 3.6 并行级联结构FFT处理器四倍处理能力的验证及性能比较
• 3.7 本章小结
• 第4章 DDR2 SDRAM控制器的设计实现
• 4.1 SDRAM发展概述
• 4.2 DDR2 SDRAM控制器的设计与实现
• 4.2.1 系统框图
• 4.2.2 DDR2 SDRAM控制器的总体功能要求与主要指令
• 4.2.3 DDR2 SDRAM控制器的主要框架结构
• 4.2.4 时钟控制模块
• 4.2.5 复位与初始化模块
• 4.2.6 刷新请求产生模块
• 4.2.7 指令仲裁及控制模块
• 4.2.8 指令译码模块
• 4.2.9 数据通路模块
• 4.2.10 数据读写缓存FIFO
• 4.3 DDR2 SDRAM控制器的仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢