【正文】 FT需要對(duì)原始自然序列進(jìn)行碼倒序排列；另一方面，由于是復(fù)數(shù)，蝶形運(yùn)算是復(fù)數(shù)運(yùn)算，需要多次查表相乘運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。另外，DSP控制器能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。有限脈沖濾波器僅取決于過去的輸入，而與過去的輸出無關(guān)。 FIR 濾波原理 FIR濾波器的差分方程和脈沖響應(yīng) (36) (37) 它包括M十1個(gè)脈沖函數(shù)，系數(shù)為權(quán)系數(shù)。窗函數(shù)的作用是從理想低通脈沖響應(yīng)的無限個(gè)采樣點(diǎn)中選取有限個(gè)采樣點(diǎn)，這個(gè)重要的步驟使脈沖響應(yīng)采樣值可實(shí)現(xiàn)為一個(gè)實(shí)際濾波器。哈明窗的旁瓣比直流幅度低41dB。在這兩者是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號(hào)處理過程的重要部分。圖41 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)框架圖Fig．41 Frame diagram of LDV如圖41所示，這是完整的激光多普測(cè)測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。波群檢測(cè)器是信號(hào)處理器的關(guān)鍵部分，它的任務(wù)是判斷有無波群信號(hào)出現(xiàn)，并估計(jì)信號(hào)頻率，通知采樣控制器選擇最佳的采樣頻率。4．1光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元 該系統(tǒng)的光學(xué)單元由光源、分光系統(tǒng)、收集系統(tǒng)幾部分組成。且差拍信號(hào)的振幅與參加差拍的兩束光的振幅乘積成正比，故提高光信號(hào)的強(qiáng)度，有利于提高信噪比并可簡(jiǎn)化信號(hào)處理。4．1．2分光系統(tǒng) 無論何種光路結(jié)構(gòu)，都須將一束光分成兩束，以保證兩束光的相干性。4．1．3光收集系統(tǒng) 光收集系統(tǒng)由三部分組成：透鏡、光電探測(cè)器、放大電路。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測(cè)器。激發(fā)產(chǎn)生的二次電子與空穴在電場(chǎng)下得到加速也可以碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)。 4．2數(shù)字信號(hào)處理隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理器在軍事、工業(yè)，生活中應(yīng)用的范圍越來越廣。用軟件啟動(dòng)AD采樣，并將采樣值放在一個(gè)數(shù)組中，直到采集到1024個(gè)數(shù)，停止采樣，然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理，最后進(jìn)行FFT交換，處理結(jié)果用液晶顯示出來，然后再啟動(dòng)采用，如此反復(fù)進(jìn)行。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是一種用來快速執(zhí)行信號(hào)處理算法的處理器，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。 大量的片內(nèi)存儲(chǔ)器使得信號(hào)處理算法能夠在片內(nèi)存儲(chǔ)器上高速運(yùn)行。 AD轉(zhuǎn)換 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)所采用的DSP為TMS320F2812，該處理器有內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，ADC模塊的功能包括：1． 12位ADC核，內(nèi)置雙采樣．保持器(S/H)。5． 16通道，多路選擇輸入。8． 16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(分別設(shè)置地址)保存轉(zhuǎn)換數(shù)值。12． EVA和EVB觸發(fā)器在雙序列發(fā)生器模式下，可以獨(dú)立運(yùn)行。最大采樣通道數(shù)為1。本系統(tǒng)AD采樣頻率為1666KHZ。 實(shí)數(shù)FFT計(jì)算分以下幾步：1. 把1024個(gè)采樣值打包封裝成為512個(gè)復(fù)數(shù)值，并進(jìn)行碼位反轉(zhuǎn)。5. 計(jì)算幅度的平方。這一步通過函數(shù)RFFT32 win來實(shí)現(xiàn)，可以選擇不同的窗函數(shù)。再根據(jù)多普勒速度公式： （410） 多普勒頻率計(jì)算出，是系統(tǒng)參數(shù)，已知，故可計(jì)算出運(yùn)動(dòng)的速度。顯示模塊由LED燈組成的點(diǎn)陣構(gòu)成，LED是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖43所示，由圖可見它由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示09，AF及小數(shù)點(diǎn)。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開的。超級(jí)灰度控制，具有10244096級(jí)灰度控制,色彩清晰逼真,立體感強(qiáng)。先進(jìn)的數(shù)字化視頻處理，技術(shù)分布式掃描，模塊化設(shè)計(jì)，恒流靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，超高亮純色象素，影像畫面清晰、沒有抖動(dòng)和重影現(xiàn)象。信號(hào)處理方面采用數(shù)字信號(hào)處理器。激光多普勒測(cè)速技術(shù)自60年代末出現(xiàn)以來，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的檢測(cè)手段。其中，光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元包括：光源，分光系統(tǒng)和光收集系統(tǒng)。例如：本系統(tǒng)的顯示模塊只能顯示所要求得的運(yùn)動(dòng)速度，不能顯示測(cè)量過程中的一些數(shù)字，例如FFT處理的結(jié)果；由于現(xiàn)在的測(cè)量只能夠測(cè)量出運(yùn)動(dòng)速度，而不能判斷物體的運(yùn)動(dòng)方向，下一步可以考慮采用聲光調(diào)制技術(shù)，做出可以分別運(yùn)動(dòng)方向的測(cè)速儀。本激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出所要測(cè)得的速度，而且測(cè)量精度較高，測(cè)量范圍較大；且本系統(tǒng)采樣了高速的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），因此能夠確保實(shí)時(shí)測(cè)量，而且系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單的顯示功能。主要包括激光多普勒測(cè)速的原理，激光多普勒信號(hào)的特性及其處理方法，最后詳細(xì)介紹了具體系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)。測(cè)量精度較高，測(cè)量速度范圍較大。該系統(tǒng)主要包括兩部分：光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元和數(shù)字信號(hào)處理單元。自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)具有自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能，可在不同亮度環(huán)境下獲得最佳播放效果。 將數(shù)字信號(hào)處理器處理信號(hào)的結(jié)果用LED顯示器顯示出來，方便觀看和調(diào)試。s pinLED顯示屏，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容；電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)將輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。 顯示模塊本激光多普勒系統(tǒng)采用LED數(shù)碼顯示器顯示。FFT變換結(jié)果，實(shí)數(shù)部分頻點(diǎn)為“0”對(duì)應(yīng)著宣流分量，而虛部所有頻點(diǎn)的值都為零，而實(shí)部中頻點(diǎn)為“512”對(duì)應(yīng)著奎斯特頻率。其中src是指向輸入序列數(shù)組的指針，dst是存儲(chǔ)位反轉(zhuǎn)后序列數(shù)組的指針，必須分配1024個(gè)存儲(chǔ)單元空間，size的大小為512。3. 512點(diǎn)基二的復(fù)數(shù)FFT計(jì)算。實(shí)數(shù)FFT要求1026個(gè)存儲(chǔ)單元來計(jì)算1024點(diǎn)FFT，和用復(fù)數(shù)FFT計(jì)算1024點(diǎn)，需要2048個(gè)存儲(chǔ)單元比較而言，效率高很多。由于對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT變換。 由于多普勒信號(hào)是一路，故選通16路中的其中一路。10． 靈活的中斷控制，允許中斷請(qǐng)求出現(xiàn)在每一個(gè)序列結(jié)束，或其他每一個(gè)序列結(jié)束。每個(gè)轉(zhuǎn)換可編程對(duì)1 6個(gè)輸入通道的中的任何一個(gè)進(jìn)行選擇。3． 模擬輸入：0V～3V。F2812外圍資源豐富，有多達(dá)1MB的存儲(chǔ)器，可編程等待狀態(tài)數(shù)，可編程讀／寫選通計(jì)數(shù)器，三個(gè)獨(dú)立的片選端；內(nèi)置雙采樣和保持的12位精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，80ns流水線轉(zhuǎn)換時(shí)間；支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率，具有片內(nèi)振蕩器和看門狗定時(shí)器模塊；128位的密鑰，保護(hù)Flash／OTP和L0／L1 SRAM，防止ROM的程序被盜；外部中斷擴(kuò)展(PIE)模塊，可支持96個(gè)外部中斷，當(dāng)前使用了45個(gè)外部中斷；低功耗模式和節(jié)能模式，支持空閑模式、等待模式、掛起模式，停止單個(gè)外圍模塊的時(shí)鐘；兩個(gè)事件管理器(每個(gè)事件管理器都含有兩個(gè)可編程定時(shí)器)，兩個(gè)通信接口模塊(SCIA和SCIB)，串行外設(shè)接口模塊(SPI)，緩沖串行口(MCBSP)，CAN控制器模塊等外設(shè)。該DSP采用圍繞8條總線的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，CPU經(jīng)過專門的硬件邏輯設(shè)計(jì)，指令的執(zhí)行采用流水線方式，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)使得F2812具有高度的并行性、實(shí)時(shí)性。為—般的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算所專門設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器的特點(diǎn)是，它們能夠?qū)崟r(shí)地完成其他處理器所不能完成的任務(wù)。 光電檢測(cè)器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大處理后出來的是模擬信號(hào)。APD的信號(hào)輸出電流Is=MP，這里(A／W)是雪崩光電二極管的固有率，M是增益，于所加的反向偏壓、pn節(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，是入射光頻率。當(dāng)APD在高反偏壓下工作時(shí)，勢(shì)壘中的電場(chǎng)很強(qiáng)，電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)得到很大的動(dòng)能。由于接受的光比較微弱，光電探測(cè)器采用雪崩二極管。偏振片使激光成為偏振光。輸出激光功率不高，相干性及方向性均很強(qiáng)，居各類激光器的首位。4．1．1光源多普勒測(cè)量系統(tǒng)對(duì)光源的要求較高?？删幊炭刂破髌鸬娇刂艫/D采樣器和波群檢測(cè)器的作用。圖中的APD為光電探測(cè)器，它是光收集系統(tǒng)的一部分，另外光收集系統(tǒng)還包括：透鏡和放大電路。 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)框架圖如圖41所示。濾波器項(xiàng)數(shù)為250，高通濾波器脈沖響應(yīng)為： (39) 本章小結(jié)本章主要介紹了信號(hào)處理方法和濾波處理。 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)采用的是哈明窗，下面介紹哈明窗：長度為N的哈明窗定義為： (38)其他處為零。一般來說，濾波器的滾將越陡峭，需要的系數(shù)也就越多，對(duì)于FIR濾波器，要得到滿意的性能，通常需要100至200個(gè)系數(shù)。根據(jù)激光多普勒測(cè)速信號(hào)的特點(diǎn)，求得的速度信號(hào)只和信號(hào)的輸入有關(guān)，而和過去的速度信號(hào)無關(guān)。 濾波處理由于得到的信號(hào)中含有低頻成分，這要求在進(jìn)行FFT變換之前，必須進(jìn)行濾波，將低頻信號(hào)濾掉。DSP控制器就是針對(duì)這些需求而設(shè)計(jì)，具有這樣的指令和運(yùn)算能力。這些數(shù)字都是上限，這是因?yàn)橐恍┬D(zhuǎn)因子的數(shù)值為1，可以跳過與這些旋轉(zhuǎn)因子的相乘。因此，這個(gè)8點(diǎn)FFT的總計(jì)算要求僅為8次復(fù)數(shù)乘法和24次復(fù)數(shù)加法。2點(diǎn)DFT是基2FFT算法中最小計(jì)算單元。此外，需要另外次乘加運(yùn)算。例如，一些旋轉(zhuǎn)因子的實(shí)部或虛部等于177。例如，將一個(gè)N點(diǎn)數(shù)據(jù)序列分為兩個(gè)點(diǎn)序列，并分別對(duì)這兩個(gè)序列執(zhí)行DFT，得到的復(fù)雜度為，而原來的N點(diǎn)DFT需要次運(yùn)算。實(shí)用的頻域處理器應(yīng)包括帶通預(yù)處理、頻率下混頻濾波器、高速A/D變換以及軟件或硬件數(shù)組處理器，以便于DFT的運(yùn)算。對(duì)于不同的信號(hào)，一個(gè)特定的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)往往不能都獲得滿意的效果。 表31幾種信號(hào)處理方法的比較Table31 Performance parison of the means of signal processing處理方法可否得到U(t)可否接收間斷信號(hào)從噪聲中提取信號(hào)能力典型精度/%可測(cè)最大頻率/MHZ頻率分析法否可好11000頻率跟蹤法可差好50計(jì)數(shù)法可可差200數(shù)字相關(guān)法可可很好100數(shù)字FFT法可可很好150 雖然在激光強(qiáng)度低，粒子直徑非常小或光收集裝置效率低時(shí)，在散射光強(qiáng)度和信噪比非常低的情況下，光子相關(guān)頻譜法比信號(hào)處理器更具有優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量大，精度低，且不能獲得瞬時(shí)速度，得到的只是平均速度。