✅ 一、总体处理链路（FPGA 典型结构）
下视多波束与前视不同，其数据链路一般是 单发多收 ，经 动态聚焦（TDBF） 生成多条波束，再做检测或体成像。
完整 FPGA 处理流程：
ADC → 下变频(DDC) → CIC/抽取 → 匹配滤波(MF) → 动态聚焦(TDBF)
→ 形成 M 条波束（M=48/96/256）→ 包络/功率检测
→ 多普勒/图像增强(可选) → 数据压缩 → 以太网/PCIE 输出✅ 二、各级功能说明（FPGA 工程版）
1）ADC 接收与均衡
-
采样频率：2--50 MHz（取决于换能器中心频率）
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通道数：典型 32/48/64/96/128
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FPGA 首先完成：
- 通道校准（IQ/幅相）
- TGC（时域增益补偿）
- DC offset 滤除、数字增益调整
资源消耗： 少量 DSP48 + LUT。
2）下变频 DDC（NCO + 混频 + CIC）
将中频(如 300 kHz--1.5 MHz) 转为基带 IQ。
模块结构：
NCO → Mixer(I/Q) → CIC → Halfband/抽取 FIR工程关键点：
- NCO 用 DDS Compiler（1 DSP48）
- CIC 第一级抽取 8--64 倍
- 第二级 FIR 抽取到最终采样率（如 50 kSPS）
优化：
- 32 通道以上 → 使用 共享 NCO + 时分复用混频结构
- CIC 位宽增长要在 32--36bit 处截断，节省资源
3）匹配滤波（Analog MF 或 LFM MF）
通常对 LFM 或 CW 做 MF，实现距离像构建。
两种方式：
A. FIR IP 核实现 MF
- 长度：300--2000 tap
- 方式：转置结构（1 sample / clk）
- 优化：用 对称系数 、复数 FIR 合并乘法器。
B. FFT/Overlap-Save 实现 MF（强烈推荐）
- RT 系统常用 1024/2048 点 FFT
- 时频域处理资源更低
工程选择：
- 通道 N > 64 时，FFT MF 资源最优。
4）动态聚焦（TDBF）/ 动态时延补偿
这是多波束声呐最关键的 FPGA 算法。
动态聚焦原理
对每个接收通道，根据声速、深度和时刻计算：
Delay(ch, t) = sqrt( D(t)^2 + (ch*d)^2 ) / c再对每个方向 θ 求和：
Beam(θ, t) = Σ [ W(ch)* x_ch( t - Delay(θ,ch,t) ) ]★ FPGA 上的实际实现方式
A. LUT 预存时延表
常用：
- 深度 0--300 m
- 每个采样点存 8--14bit 时延（索引）
FPGA 中做：
RAM 读延时索引 → 多通道 FIFO 对齐 → 加窗 → 求和B. 分段线性时延逼近（节约 RAM）
Delay = A*t + B每 128 点拟合一段，大幅减少 BRAM。
资源消耗（参考 64 通道系统）
| 模块 | DSP | BRAM | LUT |
|---|---|---|---|
| 延时 FIFO | 0 | 64 | 少量 |
| 权重 + 加权求和 | 64--128 | <10 | 适中 |
| 控制逻辑 | 0 | 0 | 中等 |
5）多波束形成（Azimuth Beamforming）
一般形成：
- 48/96/128 beams
- 角度覆盖：±60° 或 ±120°
方式：
A. 全数字加权叠加（最精确）
beam_i = Σ x_ch * w_i,chB. FFT Beamforming（更高效）
对阵列通道直接作 64 点 FFT 得 64 beams。
适用： 均匀线阵（常用于下视多波束）
资源：轻量，DSP 资源较少。
6）包络检测 / 功率计算
对每个波束 signal(t) 进行：
Envelope = sqrt(I^2 + Q^2)
Power = I^2 + Q^2优化：
- 使用 CORDIC 实现 sqrt
- 或直接输出功率更节省硬件（不做 sqrt）
7）图像增强（可选）
- TVG（距离补偿）
- Log 压缩（用 LUT）
- 滤波器（3×3/5×5）
8）数据压缩与输出
常见输出速率：
- 千兆以太网（UDP）
- 10G/PCIE（若图像速率 > 10Hz）
压缩方式：
- 8bit 动态压缩
- 数据裁剪（远距离去除空白）
✅ 三、FPGA 整体架构（示意图）
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ADC(64ch) ───►│ 通道校准 │───┐
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│ DDC │ (CIC+FIR)
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│ 匹配滤波 │（FFT-MF）
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│ 动态聚焦 │(TDBF)
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│ 多波束BF │(FFT/加权求和)
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│ 包络/功率 │
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│ 图像处理 │
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│ 数据输出 │ (UDP/PCIE)
└─────────────┘✅ 四、你在做 FPGA 时应特别关注的关键点
1. 通道越多，资源按 N×logN 增长，不是 N²
- 因此 FFT-MF 和 FFT-Beamforming 强烈推荐。
2. TDBF 时延管理是整个设计的核心
- 是否用 LUT？需要多少 RAM？
- 线性逼近能节省多少资源？
- 是否需要每条 beam 独立 FIFO？
3. 输出带宽必须提前规划
下视多波束图像通常：
- 行频：10--30 Hz
- 数据量：可达 50--300 Mbps
必须从一开始规划 1G/10G 以太网。