[發明專利]一種樹形拓撲機構多處理器聲納信號處理裝置及方法

有效

• 申請號: 201310086489.4
• 申請日: 2013-03-19
• 公開（公告）號: CN103217681A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 馬曉川;鄢社鋒;秦博;楊力;彭承彥
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01S7/52
• 分類號: G01S7/52
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;楊青

技術領域

本發明涉及聲納信號處理領域，具體涉及多處理器聲納信號處理機拓撲結構設計。

背景技術

數字處理機的拓撲結構決定了各處理器之間的數據共享和通訊復雜度，直接影響信號處理的實時性。聲納信號處理算法結構復雜、數據量大、實時性要求高，現有信號處理機結構尤其在實時性方面存在瓶頸。

作為多片系統，數字信號處理機的拓撲結構多使用多級緊耦合方式，通過共享高速的存儲器實現多個數字信號處理芯片之間的數據交換。在系統實時性要求嚴格的環境下，信號處理機使用多端口的存貯器方式進行連接和任務分配。

如圖1，各處理器之間進行點對點連接，任意兩片處理器之間使用專屬數據通道通信，使用多片數據貯存器作為數據的臨時存放空間。此結構硬件復雜、控制難度大、成本高，但數據交換效率高，實時性好。

聲納信號處理對實時性要求嚴格，同時典型的水聲信號處理算法包含降頻、FFT、寬帶波束形成、匹配濾波、背景歸一化等步驟為線性結構，適宜進行分段處理。基于以上特點，典型的聲納信號處理機使用由多端口的存貯器方式優化得到的級聯式拓撲結構，如圖2所示。

從數據接收間隔角度分析，以級聯結構對聲納信號處理算法的分割一定程度上改善了系統實時性。考慮計算總時長，如圖3，將算法流程分為n個模塊，模塊計算時間為t_i，與下一模塊通信時間t’_i。未分塊時信號處理總時長分塊后整個信號處理流程用時將增加通信時間

考慮接收新數據的周期，如圖4，未分塊時兩次讀取原始數據之間的時間間隔使用級聯的拓撲結構，兩次讀取新數據之間的時間間隔t=t₁。

優化后的級聯式拓撲結構中，前級的計算結果是后級計算的基礎，各計算單元之間需要通過通信進行中間結果的交換，各器件之間聯系緊密。所以級聯式拓撲結構存在以下缺陷：

1.實時性差

多處理器的級聯式拓撲結構和與之相對應的算法簡單分塊的實現方式，對實時性的改善存在諸多限制，表現為：

1)在讀入新的數據幀之前，后面每一級處理器都必須完成對前一幀數據的處理，否則整個系統必須處于等待狀態。

2)為縮短每級處理器運算時間而進行無限分級受限于處理器上運行的算法模塊本身的完整性要求和增加的硬件之間的通信時間。

3)聲納信號處理算法模塊多，通信數據量大，硬件的通信將成為影響實時性的重要因素，限制了級聯式拓撲結構對處理實時性的改善效果。

2.系統穩定性差

如圖5，在級聯結構中，前級處理器芯片（處理器0）的程序錯誤將直接影響后級的計算。整個流水結構中，任意芯片程序故障，系統都無法給出正確的結果。

3.系統靈活性差

級聯式拓撲結構在進行工作模式轉換時存在較大的困難。此時僅有兩種各存在明顯缺點的解決方案：

1)如圖6，同時中斷各級處理器芯片，更換各級處理器芯片服務程序。此時，系統對新的服務反應速度最快，但是前幾級處理器已經計算的中間結果需要全部廢棄，造成了計算資源的浪費；一定時間內無法獲得計算結果。

2)如圖7，異步控制處理器芯片。假設更換服務要求到達前已經開始處理的數據幀為標志幀，各級處理器在處理過標志幀后響應服務更改信號。已經開始處理的數據幀被繼續使用，服務響應的最長時間為處理器0的運算時間。但是，此種方法需要主控單元檢測各運算單元的算法完成情況，異步控制各運算單元的程序加載，控制復雜。

4.系統受硬件限制大。

級聯系統需要在各級間傳遞中間結果，這些通信數據量大。使用共享存儲器的方法進行傳遞時，明顯受到存儲器的讀寫速度限制。同時由于兩級處理單元共享外部存儲器的同一數據區域，需要同步兩級處理器防止同時進行讀寫操作，控制難度大。

5.系統軟件設計難度大。

為了克服系統處理效率低的缺點，在進行算法的模塊化分解時需要盡可能保證各處理器芯片上運行的算法所花費的時間相等，以此減少后級處理器的等待時間，提高效率。所以軟件設計過程中需要不斷測試硬件運行程序實際花費時間，由于沒有專業處理此種問題的工具，且需要反復嘗試，造成軟件調試周期長，困難大。同時，由于分塊的同時需要盡可能減少傳遞中間結果的數據量，需要綜合考慮硬件通信時間，又增加了軟件工程師的工作難度。

發明內容