多波束声呐 FPGA 信号处理链路介绍

✅ 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：

复制代码

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）
通道数：典型 32/48/64/96/128
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：

复制代码

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：

复制代码

Delay(ch, t) = sqrt( D(t)^2 + (ch*d)^2 ) / c

再对每个方向 θ 求和：

复制代码

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：

复制代码

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）

复制代码

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）

复制代码

beam_i = Σ x_ch * w_i,ch

B. 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：

复制代码

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）

复制代码

              ┌──────────┐
ADC(64ch) ───►│  通道校准 │───┐
              └──────────┘   │
                              ▼
                       ┌──────────┐
                       │   DDC    │ (CIC+FIR)
                       └──────────┘
                              ▼
                       ┌──────────┐
                       │ 匹配滤波 │（FFT-MF）
                       └──────────┘
                              ▼
                       ┌──────────┐
                       │  动态聚焦 │(TDBF)
                       └──────────┘
                              ▼
                       ┌──────────┐
                       │ 多波束BF │(FFT/加权求和)
                       └──────────┘
                              ▼
                       ┌──────────┐
                       │ 包络/功率 │
                       └──────────┘
                              ▼
                       ┌─────────────┐
                       │   图像处理   │
                       └─────────────┘
                              ▼
                       ┌─────────────┐
                       │  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。