基于混沌理论的微弱信号检测的dsp实现.pdf

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1、122 0 0 4 . 8专题论述TOPICAL DISCUSS基于混沌理论的微弱信号检测的D S P实现 武汉华中科技大学 李安 王殊摘 要关键词针对数字信号处理器( D S P ) 系统集成度高、速度快、功耗低、适合大量数据实时处理的特点，从应用的角度研究基于混沌理论的微弱信号检测原理；深入讨论其应用于 DSP的实用化，构建一个优化的以T M S 3 2 0 C 6 2 0 3为核心的真实系统，实时实现基于混沌方法的微弱信号检测。D S P 混沌理论 微弱信号检测引 言在实际的数据采集和信号处理系统中，由于信号的幅值较小，测量时又受到信号端、传输器件及变换器件等本身存在的本底噪声的影响，表

2、现出的总体效果是有用信号被大量的噪声和干扰所淹没。如何检测这种强噪声干扰情况下的微弱信号，是信号处理中的重要研究内容。许多科研工作者已提出了一些有效的处理方法，如基于高增益的宽带波束形成的微弱信号检测方法1及微弱信号的相干检测法2等，但都存在灵敏度不高或适应性不强的问题。混沌系统对小信号的敏感性及对噪声的强免疫力，使它在微弱信号检测中的应用潜力很大 3 , 4 。D S P以其高度的集成度，极快的处理速度，较低的功耗，能满足实时性的要求等在信号处理中占据了重要的地位。本文构建了一个优化的 D S P实验系统，把基于混沌理论的微弱信号检测真正应用于实际的系统中。实验表明，此系统能很好地实现微弱信

3、号的检测及其特性的测量，具有较高的精度和广泛的应用前景。1 基于混沌理论检测微弱信号的原理改进 D u f f i n g方程的具体形式为：()() += cos3fxxykyyxf l o a t t 1 , t 2 , t 1 1 , t 2 2 ;f o r ( i = 0 ; i 3 ; i + + ) t 1 = h * y i + x i ;t 1 1 = h * ( ( - k ) * y i + x i - p o w f ( x i , 3 ) + f * X f i + a * s i + Z s i ) + y i ;t 2 = h * t 1 1 + x i ;t 2

4、2 = y i + h * ( ( - k ) * t 1 1 + t 1 - p o w f ( t 1 , 3 ) + f * X f i + 1 + a * s i + 1 + Z s i + 1 ) ;x i + 1 = ( t 1 + t 2 ) / 2 ;y i + 1 = ( t 1 1 + t 2 2 ) / 2 ;相应的线性汇编程序见本刊网站 w w w . d p j . c o m . c n 。优化前，在 C C S上测得的 C程序段消耗时钟周期为3 9 7 6 3个，而优化后的线性汇编所消耗时钟周期为3 8 7 9个，效率显著提高。5 结果分析与结论设定系统参数使 P

5、C显示系统相轨迹是临界状态，然后依次加入外界输入信号。 加入纯噪声信号。当只有白噪声Zs并入系统时， 不论怎么调节 D u f f i n g阵子的参数 ，从时间图像上观测发现系统始终处于混沌状态，如图 3所示。可见噪声虽然强烈，但是吸引子仍能将相点束缚在轨道内。说明混沌系统对噪声具有强免疫力。 加入混有噪声的待测周期信号。 将 信 号randn)sin()(0+=tAty并入系统，A 、0分别为待测信号图2 信号处理算法流程开始=(1+0.03)判断有无 角频率为的信号求信号幅值求信号频率输出信 号幅值输出信 号频率是否继续？N结束NYY求YN过 零点的位置输出 NN1输出 MN2取平均后求

6、 信号频率求NN1等间隔 过零点的位置( a ) ( b )010002000300040005000600070008000900010000 时间t/s05- 5速度v/ms-1图3 混沌信号的时间图像 24242 0 0 4 . 8技术纵横TECHNOLOGY REVIEW巧妙地解决了信号 X C L K _ S h i f t相对于X C L K的相移问题。而且，经过这个相移以后的时钟信号，无论X B U S使能信号怎么在1 7 n s内发生变化，都可以保证在 X C L K _ S h i f t的第二个时钟周期采样到高有效信号。这样就确定了稳定的逻辑关系，为可靠稳定的设计奠定了基础

7、。4 使用 P L L 满足X B U S 的建立、保持时 间要求如图1中所示，F I F O中数据输出时需要满足一定的建立和保持时间( 图1中为时间5和时间 6 ) 。但是，时钟信号X C L K输入 F P G A的时候需要首先经过 I O B ( 输入输出模块) ，然后才能连接到锁相环部分进入全局时钟网络。采用同步输出的时候，输出数据也要经过 I O B才可以输出。I O B本身的延时就很容易导致无法确保正确的建立和保持时间，满足不了X B U S的要求，如图 5所示。为了解决这个问题，同样可以采用锁相环进行时钟相位偏移来弥补通过 I O B引起的时钟相位偏移。这样，数据端的输出只要相对

8、于经过偏移的时钟信号满足建立保持时间，那么，就可以满足原始时钟信号的要求(如图 5中虚线所示) 。XD31:0原始时钟经过IOB延时的时钟相对于延时以后的时钟来说，可以 满足建立保持时间的要求无法满足建立保持时间XD31:0经过锁相环 补偿的时钟图5 I O B 延迟和建立保持时间冲突示意幅值及角频率，取A = 0 . 0 0 5 ，0 = 6 0 0 . 5 r a d / s ，r a n d n 是均匀分布在( 1 ，1 ) 之间的均值为 0的白噪声。由于混沌系统对周期信号非常敏感，当 以公比0 . 0 3增大到0 附近，即rad/s03.5971=和s /rad94.6142=时，从时

9、间图像上可以观测到有规律的阵发混沌现象，如图 4所示。根据系统阵发混沌运动的周期T ，可由T2求微弱信号的角频率。求得微弱信号角频率为 6 0 1 .7 3 7 r a d / s ， 与实际值6 0 0 . 5 r a d / s 相比， 误差非常小，精度比较高。这证明了，运用此D S P系统可以较好地检测出微弱信号及其相关特性，具有广泛的应用前景。参考文献1 Y a n g Y i x i n ， S u n C h a o . D e t e c t i o n o f w e a k s i g n a l sb a s e d o n h i g h g a i n w i d e

10、- b a n d b e a m f o r m e r C . O c e a n s 0 2M T S / I E E E , 2 0 0 2 ( 1 ) : 3 7 9 3 8 22 纪铁军, 任丽军, 等. 不用同步信号的相干平均弱信号检测法 J . 哈尔滨理工大学学报, 2 0 0 2 , 3 ( 7 ) : 4 5 4 73 张淑清, 吴月娥, 等. 混沌理论微弱信号检测方法的可行性分析 J . 测控技术, 2 0 0 2 , 7 ( 2 1 ) : 5 3 5 44 W a n g G u a n g y u ， H e S a i l i n g . A Q u a n t

11、i t a t i v e S t u d yo n D e t e c t i o n a n d E s t i m a t i o n o f W e a k S i g n a l s b y U s i n g C h a o t i c D u f f i n gO s c i l l a t o r s J . C i r c u i t s a n d S y s t e m , I E E E T r a n s a c t i o n s , 2 0 0 3 , 7 ( 5 0 ) :9 4 5 9 5 3李安：硕士，主要研究方向微弱信号检测、处理与传输，混沌与分形理论，数

12、字信号处理器设计与应用。（收稿日期：2 0 0 4 - 0 3 - 3 1 ）130100020003000400050006000700080009000 10000 时间t/s05- 5速度v/ms-1( a )rad/s03.5971=时的时间图像( b )s/rad94.6142=时的时间图像图4 阵发混沌的时间图像050010001500200025003000 3500400045005000 时间t/s05- 5速度v/ms-15 结 论通过合理的使用 F P G A内部的锁相环，本文在不改 动原有逻辑设计和代码的情况下，巧妙地解决了高速 D S P扩展总线X B U S与F I

13、 F O的接口问题。为系统和逻辑 设计解决了可能遇到的几个难点，为进一步的研究和开 发提供了一种解决问题的新方法和思路。参考文献1T e x a s I n s t r u m e n t s . T M S 3 2 0 C 6 2 0 4 F i x e d - P o i n t D i g i t a lS i g n a l P o r c e s s o r , 2 0 0 12A l t e r a C o L T D . C y c l o n e D a t a S h e e t ， w w w . a l t e r a . c o m3X i l i n x C o L T D . S P A R T A N 2 D a t a S h e e t ， w w w . x i l i n x . c o m（收稿日期：2 0 0 4 - 0 3 - 1 7 ）