基于PXI总线的水声目标回波模拟模块的设计

目标回波模拟是通过计算机系统对水声信号进行建模，然后在计算机或其它设备上实时模拟水声目标回波并输入至信号处理器，以达到检测信号处理单元功能、性能的目的。PXI总线是PCI 在仪器领域的扩展，它将Compact PCI 规范定义的PCI 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。目前，PXI 总线在测控领域得到了越来越多的应用。

本文介绍了自行设计研制的宽带回波模拟器，可模拟4 路水下目标回波，且各目标的方位、速度、强度、距离等参数在计算机的控制下实时可控，为多参数回波模拟水池实验系统提供一套功能强、实时性好、使用方便的通用宽带回波模拟模块。

1 宽带水声目标回波模型

目前声呐的发射信号大量采用宽带信号，传统的窄带回波模型已经难以适应回波仿真的要求，必须使用宽带回波模拟进行分析。主动自导工作时，由发射机向目标发出声波u(t)，经目标反射后形成回波s(t)。回波s(t)携带着有关目标的所有信息，是检测和参数估计的全部依据。由于目标的运动，发射波形与接收波形的宽度是不同的，存在时间压缩效应。若目标做匀速运动，速度为v，海水中声速为c，则宽带目标回波模型如下：

由宽带回波模型可见，回波与发射波相比，有几点变化：

① 振幅衰减，对慢起伏点目标，其时间包络为瑞利分布的随机变量。

② 时延，回波相比发射波延迟0 τ 。

③ 时间尺度 s，使得时间包络产生伸缩，即时宽和幅宽受到压缩或扩展。

2 系统需求与设计结构

2.1 系统需求

为了满足宽带回波模拟的需要，回波模拟模块应具有以下功能：

① 具有更大的动态范围以模拟不同距离的目标回波;

② 能够精确地模拟目标回波的强度、时延和脉冲伸缩;

③ 能够精确地测量并记录输入、输出信号的各项参数。

在对以上功能进行仔细分析后，确定回波模拟器应满足以下参数：

① 目标强度：0~80dB(可设定)，0.375dB 档;

② 回波时延：0~3 秒，误差不大于0.5%;

③ 模拟运动速度：-30~+30kn;

④ 脉冲展宽可设定;

回波模拟器将接收到的脉冲信号通过 AD 转换保存在FIFO 中，发射时再从FIFO 里取出数据进行DA。这种方式很好地保存了接收信号的信息，同时DA 输出时钟逐Hz 可调，能实现对回波进行脉冲展宽。经过数字衰减后输出，衰减程控可调，可用于形成回波包络。

2.2 系统结构

在某检测设备的研制过程中，研制了基于 PXI 总线的回波模拟模块，该模块能对发射信号进行高速采集，在精确延迟后，提供模拟回波，可利用声对接阵对声纳进行陆上测试。系统结构框图如图 1 所示：

图 1 回波模拟模块结构框图

回波模拟模块包括模拟输入、数据采集、数据存储、数据回放、DDS 方波产生器、PXI接口六部分。系统结构如图1 所示。其核心部分是AD 转换、DA 输出、PCI 接口及FIFO的实现。模拟输入部分由运放直流耦合放大电路组成，主要功能是向后级电路提供可靠的模拟信号。系统中的AD 转换器采用Analog Device 公司生产的AD9709。采样时钟由高精度DDS 芯片AD9850提供，并由CPLD 进行控制，最高采样频率可达40MHz，并可实现逐Hz可调。数据缓存采用异步FIFO，系统选用两片512K×9 的IDT72V2113，通过深度扩展，实现1M×9 的FIFO。数据D/A 采用Burr-Brown 公司的ADS831 芯片。FIFO 的读写时钟、状态控制、AD 控制、DA 控制以及DDS 频率控制均由CPLD 实现。

在采集波形存取中，采用了FIFO 存储发射信号，主控模块通过读写地址产生电路对波形存取的过程进行控制。时钟产生模块为读写地址产生电路提供独立的读、写FIFO 时钟，通过读、写FIFO 时钟的频率差来实现回波信号的伸缩设置。FIFO 存储器的读、写时钟由数字频率合成器(DDS)AD9851 产生，它受主控模块的控制，产生设定频率的方波信号，用于产生AD 采集、FIFO 读写、DA 回放芯片的时钟信号。

3 模块软件实现

回波模拟模块使用 PXI 总线，可用于PXI 总线计算机中。PXI 总线规范是NI 公司于1997 年发布的[3,4,5]。PXI 这种新型模块化仪器系统是在PCI总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。它通过增加用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线来满足试验和测量用户的要求。

目前 PXI 总线平台下以Windows2000、Windwos XP 为主，需要编写Windows WDM 驱动程序。该模块的驱动程序主要对接口芯片S5920 进行编程。模块软件包括驱动程序、应用程序，同时为了与NI 公司的LabView 软件兼容，还编写了与LabView 软件的接口程序。

3.1 WDM 驱