PCI EXPRESS体系结构导读 PDF
PCI+EXPRESS体系结构导读，王齐，我下载合为一本，希望对你有帮助。PCI Express体系结构导读王齐编著★机械工业出版社本书讲述了与Pc及 PCI Express总线相关的最为基础的内容,并介绍了一些必要的、与PCI总线相关的处理器体系结构知识,这也是本书的重点所在。深入理解处理器体系结构是理解PCI与 PCI Express总线的重要基础。读者通过对本书的学习,可超越PCI与 PCI Express总线自身的内容,理解在一个通用处理器系统中局部总线的设计思路与实现方法,从而理解其他处理器系统使用的局部总线。本书适用于希望多了解一些硬件的软件工程师,以及希望多了解一些软件的硬件工程师,也可供电子工程和计算机类的研究生自学参考。图书在版编目(CIP)数据PCI Express体系结构导读/王齐编著.一北京:机械工业出版社,2010.3lBN978-7-111-29822-9.①P…Ⅱ.①王…Ⅲ.愚线一结构Ⅳ.①TP35中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第028735号机械工业出版社(北京市百万庄大街2号邮政编码1007)责任编辑:车忱责任印制:洪汉军三河市宏达印刷有限公司印刷2010年3月第1版·第1次印刷l84mmx260mm·28.5印张·704T子0O0I-3500册标准书号:ISRN9787-1129829定价;5500元凡购本书,如有缺页、倒页、脱页,由本社发行部调换电话服务网络服务社服务中心:(010)8861066销售一部:(00)6326294门户网:址:/wmok.m销售二部:(010)88379649教材网:htp:∥www.amped.com读者服务部:(O10)6899821封面无防伪标均为盗版序PCI Express总线是新一代的O局部总线标准,是取代PCI总线的革命性总线架构PCI总线曾经是PC体系结构发展史上的一个里程碑,但是随着技术的不断发展,新涌现出的一些外部设备对传输速度和带宽有更高的要求,如千兆和万兆以太网、4Gb/8Gb的 FiberChannel和高速显示设备等。同时有些外部设备对总线的服务质量还有更严格的要求。PCI总线在设计之初并没有考虑这些因素,因此并不能完全满足这些外部设备的需要。PCI Express总线正是在这种背景下应运而生的。在2001年的春季英特尔开发者论坛上,英特尔公布了取代PCI总线的第三代L0技术,当时被称为“3GIO”。经 PCI-SIG审核,于202年7月正式公布了第一版规范,并更名为 PCI Express。从2004年开始, PCI Express总线逐渐全面取代PCI和ACP总线,成为新的局部总线工业标准。与PCI总线的共享并行架构不同, PCI Express总线使用高速串行传送方式,能够支持更高的频率,连接的设备不再像PCI总线那样共享总线带宽。除此之外 PCI Express总线还引人了一些新特性,如流量控制机制、服务质量管理、热插拔支持、数据完整性和新型错误处理机制等。而且 PCI Expres总线在系统软件级与PCI总线保持兼容,最大程度上降低了系统软件从原有的PCI总线体系结构移植到 PCI Expres总线体系结构的难度。目前关于 PCI Express总线规范的文献和书籍已有多种,但多集中在介绍规范本身。对于广大的开发者来说,能够从处理器系统的角度了解 PCI Express总线功能,无疑更有实用价值。无论是系统外部设备的开发、驱动程序的编写,还是其他系统软件的开发,处理器系统始终处于核心位置。本书正是从处理器系统的视角来讲述 PCI Express总线的体系结构,较为细致地介绍了如何使用FPGA实现一个基于PCle总线的外部设备,以及基于Linx系统的 PCI/PCI Express总线驱动程序和设备驱动程序。本书对于 PCI Express总线相关的软硬件开发人员具有很高的参考价值。PCI Express总线规范仍在不断发展。总的来说, PCI Express总线规范提出的最新技术概念往往在英特尔的x86处理器系统和外部设备中最先出现。本书的作者王齐先生,目前工作于英特尔开源技术研究中心,对处理器体系结构和Lmx系统核心技术均有深入研究,相信本书的读者能够从他的经验分享中获益。杨继国英特尔开源技术中心Ⅲ前言PCⅠI与 PCI Express(PCle)总线在处理器系统中得到了大规模应用。 PCISIG也制定了系列PCI与 PCI Express总线相关的规范,这些规范所涉及的内容庞杂广泛。对于已经理解了PCI与 PCI Express总线的工程师,这些规范便于他们进一步获得必要的细节知识。对于刚刚接触PCI与 PCI Express总线的工程师,这些规范性的文档并不适合阅读。在阅读这些规范时,工程师还需要具备一些与体系结构相关的基础知识,这恰是规范并不涉及的内容。对于多数工程师,规范文档适于查阅,而不便于学习。本书将以处理器体系结构为主线介绍 PCI Express总线的组成,以便读者进一步理解PcIExpress总线协议。本书并不是关于PCI和 PCI Express总线的百科全书,因为读者完全可以通过阅读PCI和 PCI Express总线规范获得细节信息。本书侧重的是PCI和 PCI Express总线中与处理器体系结构相关的内容。本书不会对PCI总线的相关规范进行简单重复,部分内容并不在PCI总线规范定义的范围内,例如HOST主桥和RC。PCI总线规范并没有规定处理器厂商如何实现HOST主桥和RC,不同的处理器厂商实现的HOST主桥和RC有较大差异,而这些内容正是本书所讨论的重点。此外本书还讲述了一些在PCI总线规范中提及,但是容易被忽略的一些重要概念。本书共由三篇组成。第Ⅰ篇(第1~3章)介绍PCI总线的基础知识。第Ⅱ篇(第413章)介绍 PCI Express总线的相关概念。第Ⅱ篇的內容以第Ⅰ篇为基础。从系统软件的角度来看, PCI Express总线向前兼容PCI总线,理解 PCI Express总线必须建立在深刻理解PCI总线的基础之上。读者需要按照顺序阅读这两篇。第1章主要说明PCl总线涉及的一些基本知识。有些知识稍显过时,但是在PC总线中出现的一些数据传送方式,如 Posted、Nn- Posted和 Split数据传送方式,依然非常重要,也是读者需要掌握的。第2章重点介绍PCI桥。PCI桥是PCI及 PCI Express体系结构的精华所在,本章还使用了一定篇幅介绍了非透明桥。非透明桥不是PCI总线定义的标准桥片,但是在处理器系统之间的互联中得到了广泛的应用。第3章详细阐述PCI总线的数据传送方式,与 Cache相关的内容和预读机制是本章的重点。目前pC与 PCI Express对预读机制的支持并不理想。但是在可以预见的将来, PCI EXpres总线将充分使用智能预读机制进一步提高总线的利用率。第4章是 PCI Express篇的综述。第5章以 Intel的笔记本平台 Montevina为例说明RC的各个组成模块。实际上RC这个概念,只有在x86处理器平台中才真正存在。其他处理器系统中,并不存在严格意义上的RC。第6、7章分别介绍 PCI Express总线的事务层、数据链路层和物理层。物理层是PCIExpress总线的真正核心,也是中国工程师最没有机会接触的内容。这也是我们这一代工程师的遗憾与无奈。第8章简要说明了 PCI Express总线的链路训练与电源管理。第9章主要讨论的是通用流量控制的管理方法与策略。 PCI Express总线的流量控制机Ⅳ制仍需完善,其中不等长的报文长度也是限制 PCI Express总线流量控制进一步提高的重要因素。第10章重点介绍MS和MSI-X中断机制。MS中断机制在PCI总线中率先提出,但是在PCⅠ Express总线中也得到大规模普及。目前x86架构多使用MSIX中断机制,而在许多嵌入式处理器中仍然使用MSI中断机制。第11章的篇幅很短,重点介绍PCI和 PCI Express总线中的序。有志于学习处理器体系结构的工程师务必掌握这部分内容。在处理器体系结构中有关 Cache和数据传送序的内容非常复杂,掌握这些内容也是系统工程师进阶所必须的。第12章讲述了笔者的一个实际设计—Capc卡,简单介绍了 Linux设备驱动程序的实现过程,并对 PCI Express总线的延时与带宽进行了简要分析。第13章介绍PCI总线与虚拟化相关的一些内容。虚拟化技术已崭露头角,与虚拟化相关的一系列内容将对处理器体系结构产生深远的影响。目前虚拟化技术已经在x86和 PowerPC处理器中得到了广泛的应用第Ⅲ篇以Linx系统为实例说明PCI总线在处理器系统中的使用方法,也许有许多读者对这一篇有着浓厚的兴趣。Iinx无疑是一个非常优秀的操作系统。但是需要提醒系统工程师,lix系统仅是一个完全开源的操作系统。对于有志于学习处理器体系结构的工程师,学习 Linux系统是必要的,但是仅靠学习 Linux系统并不足够。通常说来,理解处理器体系结构至少需要了解两三种处理器,并了解它们在不同处理器上的实现。尺有所短,寸有所长。不同的处理器和操作系统所应用的领域并不完全相同。也是因为这个原因,本书以 PowerPC和x86处理器为基础对PCI和 PCI Express总线进行说明。本书在写作过程中得到了我的同事和在处理器及操作系统行业奋战多年的朋友们的帮助。在Linx系统中许多与处理器和PCI总线相关的模块,都有着他们的辛勤付出。刘建国和郭超宏先生审阅了本书的第Ⅰ篇。马明辉先生审阅了本书的第Ⅱ篇。张巍、余珂与刘劲松先生审阅了第13章。吴晓川、王勇、丁建峰、李力与吴强先生共同审阅了全书。本书第12章中出现的 Capric和 Cornus卡由郭冠军和高健协助完成。看着他们通过对PCI Express总线理解的逐渐深入,最终设计出一个具有较高性能的 Cornus卡,备感欣慰。此外杨强浩先生也参与了 Capric和 Cornus卡的原始设计与方案制定,在此对他及他的团队在这个过程中给予的帮助表示感谢,我们也一道通过这两块卡的制作进一步领略了 PCI EX-press总线的技术之美。个优秀的协议,从制定到广大技术人员理解其精妙之处,再到协议应用到一个个优秀产品中,需要更多的人参与、投人、实践,这也是编写此书最大的动力源泉。本书的完成与我的妻子范淑琴的激励直接相关, Capricornus也是她的星座。还需要感谢本书的编辑车忱与策划时静,正是他们的努力使得本书提前问世。对本书尚留疑问的读者,可通过我的邮箱sailing.w@gmail.com与我联系。最后希望这本书对您有所帮助。作者目录序前言第丨篇PC|体系结构概述第1章PC|总线的基本知识3第2章PC|总线的桥与配置……281.1PCI总线的组成结构………52.1存储器域与PCI总线域…281.1.1HOsT主桥2.1.ICPU域、DRAM域与存储器域…291.1.2PCI总线…………72.1.2PCI总线域…301.1.3PCI设备…………1.3处理器域1.1.4HOST处理器82.2HOST主桥…………321.1.5PCI总线的负载…2.2.1PCI设备配置空间的访间机制……331.2PCI总线的信号定义曹重量自道2.2.2存储器域地址空间到PCI总线1.2.I地址和数据信号中看语面“,·域地址空间的转换1.2.2接口控制信号……02.2.3PCI总线域地址空间到存储器123仲裁信号……………12域地址空间的转换…………371.2.4中断请求等其他信号····:122.2.4x86处理器的HOST主桥………401.3PCI总线的存储器读写总线事务…132.3PCI桥与PCI设备的配置空间…421.3.1PCI总线事务的时序…142.3.1PI桥………………………421.3.2 Posted和Non- Posted传送方式………52.3.2 PCI Agent设备的配置空间………441.3.3HOST处理器访问PCI设备162.3.3PCI桥的配置空间501.3.4PCI设备读写主存储器……82.4PCI总线的配置…………531.3.5 Delayed传送方式……24.1Type01h和 Type 00h配置请求1.4PCI总线的中断机制…22.42PCI总线配置请求的转换原则…551.4.1中断信号与中断控制器的连接2.4.3PCI总线树Bus号的初始化…关系………………………………212.4.4PCI总线 Device号的分配……591.4.2中断信号与PCI总线的连接2.5非透明PCI桥关系……2225.1 Intel21555中的配置寄存器…621.4.3中断请求的同步………………23252通过非透明桥片进行数据传递…631.5PCI-X总线简介…吾量由……252.6小结651.5.1 Split总线事务…25第3章PC总线的数据交换甲·看当血61.5.2总线传送协议………263.1PCI设备BAR空间的初始化……6653基于数据块的突发传送…3.1.1存储器地址与PCI总线地址1.6小结27的转换3.1.2PCI设备BAR寄存器和PCI桥空间进行DMA读写……………8Base、 Limit寄存器的初始化3.3.4PCI设备进行DMA写时发生3.2PCI设备的数据传递69Cache命中………………………823.2.1PCI设备的正向译码与负向3.3.5DMA写时发生 Cache命中译码………………………………69的优化………85322处理器到PC设备的数据传送…713.4预读机制……863.2.3PCI设备的DMA操作……………723.4.1指令预读3.24PCI桥的 Combining、 Merging34.2数据预读···89和 Collapsing中··自串暮暮福品品画733.4.3软件预读…93.3与 Cache相关的PCI总线事务…74344硬件预读……933.3.1 Cache一致性的基本概念…3.4.5PCI总线的预读机制…………943.3.2PCI设备对不可 Cache的存储器3.5小结··即自甲要普有当布普面首由a…98空间进行DMA读写3.3.3PCI设备对可 Cache的存储器第‖篇Pc| Express体系结构概述第4章PCe总线概述5.1.1 EPBAR寄存器……1444.1PCIe总线的基础知识…………lO51.2 MCHBAR寄存器………………1444.1.1端到端的数据传递……………0n5.I.3其他寄存器…………l444.1.2PCle总线使用的信号…1035.2 Montevina平台的存储器空间的4.1.3Pcle总线的层次结构…07组成结构………………,1454.1.4Pcle链路的扩展…I085.2.1 Legacy地址空间…………l474.1.5PCIe设备的初始化…………Il052.2DRAM域474.2PCe体系结构的组成部件……25.2.3存储器域…144.2.1基于PC架构的处理器系统…25.3存储器域的PCI总线地址4.2.2RC的组成结构………………1l7间……………………………504.2.3 Switch解着喜+「中··鲁曲曲「85.3.1PCI设备使用的地址空间………1504.24VC和端口仲裁……1205.3.2FCIe总线的配置空间………………5l425 PCle-to-PCLPCI-X桥片………1225.4小结·::···中.d;=·".:7544.3PCIe设备的扩展配置空间…123第6章PCe总线的事务层…7554.3.1 Power Management Capability6.1TLP的格式155结构l246.1.1通用TP头的Fmt字段和Ty4.3.2 PCI Express Capability结构127字段………………………1564.3.3 PCI Express Extended Capabilities6.1.2TC字段…………………………l58结构…………………l36.1.3Amr字段……………………………1594.4小结l396.1.4通用TLP头中的其他字段160第5章 Montevina的MCH和|CH…1406.2TLP的路由……1615.1PCI总线0的Deve0设备……,1416.2.1基于地址的路由Ⅶ6.2.2基于ID的路由8.1.3 Receiver detect识别逻辑2176.2.3隐式路由……暴音前自mm1668.2 LTSSM状态机…2I86.3存储器、LO和配置读写8.2.1 Detect状态…………220请求TIP……………….1678.22 Polling状态…………………22l6.3.1存储器读写请求TLP…………1688.2.3 Configuration状态………2236.3.2完成报文……………………1728.2.4 Recovery状态22863.3配置读写请求mP……………1741748.2.5 LTSSM的其他状态……2316.34消息请求报文………………758.3PCle总线的 ASPM……………2326.3.5PCIe总线的原子操作……1778.3.1与电源管理相关的链路状态…23263.6 TLP Processing Hint∴……………i788.3.2D0状态…………………………2336.4TLP中与数据负载相关的8.3.3I0状态………………234参数………………………1818.3.4Ll状态…2356.4.1 Max_Payload_Size参数………·l88.3.5L2状态…2366.4.2 Max_ Read_ Request_Siz参数…l828.4 PCI PM机制……4日#······世23764.3RCB参数……………………838.4.1PCle设备的 D-State…………2376.5小结8.4.2D- State的状态迁移238第7章PCe总线的数据链路层与8.5小结………………………………240物理层·普自·自:.吾.“:a日平;.千画185第9章流量控制··自自·着暮;品吾.“中24l7.l数据链路层的组成结构………1859I流量控制的基本原理………2427.1.1数据链路层的状态…………1869.1.1Rate- Based流量控制………………2437.L.2事务层如何处理DL_Down和9.1.2 Credit- Based流量控制244状态1899.2 Credit- Based机制使用的算法…2467.1.3DILP的格式……………8992.1N23算法和N123+算法2497,2ACK/NAK协议………………1919.2.2N23算法……25072.I发送端如何使用ACK/NAK9.2.3流量控制机制的缓冲管理……252协议1929.3PCle总线的流量控制2547.2.2接收端如何使用ACK/NAK9.3.lPCe总线流量控制的缓存协议…………………………l95管理25572.3数据链路层发送报文的顺序……19993.2 Current节点的 Credit…2577.3物理层简介…9.3.3VC的初始化……………2597.3.,1PCle链路的差分信号…………20093.4PCIe设备如何使用FCP…26l7.3.2物理层的组成结构…………2049.4小结………………,2627.3.38/10b编码与解码…………206第10章MS和MS|X中断机制2637.4小结………………21010.1 MSI MSI-X Capability结构…263第8章PCe总线的链路训练与电源10.1.1 MSI Capability结构………264管理……………………………2l10.1.2MsL- X Capability结构………2668. 1 PCle链路训练简介……2/10.2 PowerPC处理器如何处理8.1.1链路训练使用的字符序列……213MSI中断请求……………2688.1.2 Electrical Idle状态-u+aiua,21610.2.1MSI中断机制使用的寄存器270Ⅷ
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水声信号处理基础.pdf
水声信号处理基础内!提本书从统计糖点御述信她理的骞狸论。第一幸概述水产僧号处理的棋型及发展櫶況。第二、三章介绍信号分析、緞性系统和随机过程,是全书的基础部分。第四章到第六章紋迷信号统计处理的一般理论,包括最传线性滤、信号的统计检测和佔计理论初步。最后三章偏重于声纳十的信早处理间题一混喻干下的信号处理、相关接收阵和自适应处理技术。本书可作为水声工程专业有关信号处理户面的教材,或从事这方面研究工作的人员的参考书,也可作为雷,逍信专业在信号统计处题方面射参考书水声营号处理锅我璟陆根游轴萨“管B萨出新华带店北京魔行所发行各地新华书店楚督防工业出版社印倒厂印装78X10924/19张11/4403千字1981年9月第一叔981年9月第一孜印刷印敦:0,00一20肝篮→号15034-2175定价:180元前言木书是按教材的受求端写,以基袖知识和一般理论为主,但也惹虑了水的一些殊的要求。近十年来信号处理技术发展很快,理论上新月异,应用领域上不断扩大,通信、雷达,地震、控制,测量……都离不开信号处理。声纳往往在强干抗背景下工作,信号处飓技术的地位显得相当重耍。因此,这门课是水声工程专业重要主课之五十年代初期以维纳滤波为代表的最佳线性滤被得到迅速发展,五十年代后期,将统计决策理论应用到通信、控制中来,出现了信号检测理论,共十年代估计理论迅速发展,检测理论有点相形失色。卡曼滤波继承发展了维纳滤波,在估计理论中找到了自己的坚实理论基础。在过去教学中,曾一度突出了检测理论,现在看来不一定合。现我们仍旧把最生线性滤波列为专门的一章,但是加进了卡曼滤波的新内容。检测论也是专门的章,没有作更深入的分析,好在内已出版了这方面的专门著作。近来估计理论发展很快,内容很多,这本数材不可能全部包括进来。我们用了一章篇掘介绍估计理论初步,介绍了参量估计,也介绍了非参量佐计。为了学好最伟线性滤波,检测理论,估计理论,打好基础是必要的。尽管前面的课程已经学过信号分析和概率论,我们还是用了两章篇幅研究有规信号分析和随机信号分析,第一从教学角度来看适当重复是必要的;第二重复也不是简单的重复,而是向更深入方向发展,向离数的,多维的向发展,这种发展对后面分析是完全必要的混响干扰背景是水声信号处理的特殊问题,在第七章中作了专门的介绍,但是该章讨论的模糊度函数,信道的滤波器模型……对于水声以外的其他领域也是有用的。用基阵按收和发射信号也是声纳的特点,指关接收阵提高了被动声纳的性能,第八掌中对于这厅面闯题作了较详细的分析。承声信道复杂多变,加之,数字技术的发展,促使自适应技术应用到水声领域中,提高了声纳的性能,第九章中对自适应作了初步的介绍。在分析中要用到许多数学丁具,如积分方程,差分方程,矩阵……,我们认为不应回遍这些工具,但是在本教材中北不宜系统地全面地介绍这些工具,我们力图用一些简单易懂的例子使读者初步掌揸这些工具。木书申稿时,南京工学院水声工程教研组的黄建人、姚治国和周刚临三同志提出了许多宝贵意见,特表示感谢。由于我们的水平有限,错误一定很多,请读者批评指正。编者且录第一聋引论會會會曾會1伽會會身t會■血司■會自·自·會會5.}随机参量信号的检测…………1441.1基本的声纳系统的模型■面司唱■要85.4序列检测5612水声信号处理的发展概况………!习题會■山『■PP酽d普■■1■■b;b画4·4I§1.3主要符号表示………4第六章估计理论初步…………162第二章信号的解析表示和线性系统……5§6.16计的木慨念6§2.1,信号和信号分析……§6.2则叶斯估计……………,………l§2.2谱函数的性展…,…6.3递归线性最小方為佔计§2.线性系统■■q■■■口司■■司口6.4功率谱估计……§2.4釆样定理…………习题…………中“9s2.5离散线性系统4,35第七章混响干扰下的信号处理……202习题……………………………477,1模粉度效看1自中即■■:第三章随机过程…_q号看■唱■§7.2混疃的純计特…………………"235§3.1概率和随机变量9§P3混响于扰下的信号处理3.3随机变量的函数5了习§3.3期螺……第八章相关接收阵33,4随机过程6588.1引言…………225§3.5随机过程的功率…分8.2平方累积阵分析…晶中h2E5§36高斯随机过程■bd备A8§83乘积阵分析……………230习題………………………“…………7s8.4有板性处理的基阵公析………2?第四章最佳线性滤渡…………………y2§8.5最大信噪比滤欲阵的分忻…………2b4.1最佳线性滤波的标准………$_2习题………………………………24§4.2匹配滤戏器的分枥…93第九草岩适应处理技术…"245E43匹配滤波器的实现…………0惡9,1水声信道的滤波器模型84.4继纳滤波……………………19.2自适应概念和MS适应逐算…24684.5卡曼滤波初步……!59,3自遞应波束形成器……习恶…曾曾會P■224§9.4自逅应滤被…第五章信号的统计检测习题…………269§5.1惭述……………)6录有关的儿个矩阵公式n··"‘2§52高斯噪声背景下确知信号§1儿个有关的矩阵求逆公式…………*的检测+-+jFs2矩阵做分7第一章引论§1,1基本的声纳系统的模型声纳系统按用途来分有许多型号,但它的工作方式不外乎主动式和被动式两种,如图1-1-所声波故射体主动式声纳由发射机发射已舶信号,发射积目标通过换能器转换成声波信号,经月标反射后成回波,经过渐水中各式各样的散射⊥式/怀回效+散射回液(响体散射形成混响接收机不但接收到回波接收机和混响,而且还会接收到环境噪声,通常射哗产发声目标包括海洋噪声和本舰噪声。回波是信号境噪声信号其余都是干扰。在简单的检测模型中,回被动式波信号是完仝确知的,它和发射波形图1-1-1甚本的声纳系鸵模型样,只不过是时闻上平移了一下。但实际情况要复杂得多,于目标的运动,会引起多普泐( Doppler)频移,由于目标不是一个点,多径传揹,回波在时间轴上被犷展,波形和发射波形可態会大不相同,此外由于介质的随机性,也会造成回波信号的起伏。在主动声纳中,混响往往是主要的干扰。混响也是由发射信号产生的,它的许多方而的特件和阿波极为相似,使得抗混响相当闲难。本噪芦也是一种亚重的干扰:在本舰高速诺动时,更是如此。但是它是一个宽带信号,回波是一个窄带信号,可以利用功率谱的亲异来风分它们被动声纳是根据日标辐射的声液来检测目标的。这辐射的声波可能是目标上的声纳发射的声波,也可能是目标运动时辐射出的舰船噪声,也可能是目标引起的其它声音。目标辐射出的觑船噪声的功率漕和本舰噪声的功率都是宽带的,从功率谱上区分它们有一定的困难。但是本舰噪声和日标舰噪声在空间相关性上是不同的。可以利用空间相关性上的差异来区分它们。声纳系统的模型反映了声纳、介质和目标三者的关系。介质和目标的特性是我们无法控制的,而声纳,它的发射方式与接收方式是我们可以合理地选择的。使得它最佳地和介质、目标的特件匹配。早期的声纳系统,它的发射方式、接收方式是不变的,而介质和目标的特性却是因时、因地而异的,这就不可能实现最住地匹配。必须改变这种不变的发射方式、接牧方式,要根据当时当的介质、目标的特鉎,自动地调整发射方式、接收方式,以运到最住地匹配。这便是所谓的直适应技术。§1.2水声信号处理的发展概况市纳从它的诞生到现在有了很大的发展和变化。特别是近二十多年,更是如此。声纳的变化和水声信号处理的发展是一致的,或者说水声信号处理每出现一个新技术,都导致声纳的一次大变化。五十年代以前的声纳,发射波形是比较简单的,是一个正弦填充的方波,接收机采用窄带滤波。脉冲压缩我术的出现,导致脉冲压缩声纳逃出现,发射波形釆用线性调掘脉沖,戌者伪随机编码。在接收机中相应地出现了信号处理器(如 DELTIC系统等〕草题的声纳是利用换能器的自然方向性,用机械旋转的方法实现波束的旋转。随着换能器的越来越大、越来越笨重,机槭旋转越来越困难。利用相控阵孜术之后,可以用电的力法形成波束的旋转;还可以用电照方法同时形成多个波束,出现了多液束阵。利用信号有干扰的空间相关性的差别,将信号处理技术应用于基阵,出现了相关接收阵。由于铵收到的信号和干扰变化范围很大,给信号处埋带来困难,便出现了动态范压缩和归一化技术目前,自适应技术及各式各样的数字处理技术迣入了声纳领域。图1-2-1是目前的典型声纳发射机方框图。信号发生器的输出可具有多种形式(模拟的或数字的,正弦填充脉裨或线性调频脉冲,或几种信号同时共用),这取决了所考虑的系统的具体要求。信号发生器的犏出送到波束形成器矩阵去,波束形成器矩阵的用途是对信号进行适当的加权和延迟,以使发射阵产生所要求的声束图,将声能聚集到所要求的空间中去。程序器的用途是使多路或顺序发射同步。程序器信号束发生器形成矩臂发射阵图⊥-2-4声纳发射机户框图图1-2-2是目前的典型声纳接收机方框图。它比发射机复杂。这是由于在发射时信噪比是无限大的(或接近无限大),而在接收时,在大多数有实际意义的情况下,信噪比是小于1的。接收基阵和波束形成矩阵对应于发射机中发射基辉和波束形成矩阵。这两个基阵通常是共用的。但是波卓形成兔阵是有差别的,在发射机中,为了使发射能量最大,波東形成航阵具有最小的幅度加权。在接收机里,则使用幅度加权,抑制旁瓣或增大方向性指数。在发射机中用相控发射,在接收棚中采用自适应波束形成处理。程序器判决设舒一接收F态范信号形成矩阵和归处理器显示器昕觉指示网1-2-2声接收机了框图动态范围压缩和归一化(DRCN)与信号处理器具有共同的任务:对接收的信息进如工,以便适当地将其显示在视觉显示器或听党显示器上,或送给判决设备(可能是一个缴字计算机)。程序器是用来达到同步和自适应的。本课程的任务是介绍信号处理的基本理论及其实现方案。1.3主要符号表示x(t),f(t),g(:)等表示实信号x(扌)∫2(f),ga(t)等表示复数解析信号F()或ⅹ(的)表示实信号X(#)的频谱函数F(①)或X2(①)表示复数解析信号xa(4)的频函数Rx(℃)或R2x()或R(T)表示信号x(t)的自相关函数R2(τ)或R12(T)表示信号x(:)和y(t)的互相关函数H()表示时不变线性系统的频半响应函数h(T)表承时不变线性系统的冲激响应函数H(,t)表示时变线性系统的频率响应函数h(,T)表示时变线性系统的冲激响定函数xn}表示实信号序列Y(z)表示{x》}的z变换hn)表示线性系统刈单仕釆样序列("-k)的晌应h(n)表示线性位移不夾系统对单位采祥序列8(”)的响应正(z)裁示a(B)的之变换尸(A)表示事件A的粥率P(A.B)表不事牛丹出现条供下,惠件A出现的条件率F(a)或F(x)表示随机变量x的概率分布函数p()或P()表小陡机变量x的概率密度函数F()或F(x|y)表示条件概率分布函数Fx(妖}或F(K)衣爪随机向量X的慨率分布咝爨p()或户(x)表示随机向量X的概率密度区数px(夕(XY)表示随机向量的条件概率密度函数E〔x会具表示随机变量x的微学期望或统计平均E(x°)裘示随机变量x的n阶愿点矩E〔(x-μ)“)表示随机变量x的阶中心矩Mx(s)=Ee〕表示随机变量x的特征函数E(X)仝μx裴示数学期望或统计平均中x全FXX表示均方矩阵Vk≌EX-)(X-)2〕表示方差矩阵z(β)会E(XY-)或xy表条件均值vx()会E[(x-x)(X-x)Y=月或4y表示条件方差矩阵Mk(s)表示特征函数x(t,》或x(t)表示一维随机过程样本函数X(t,k或X(!)表示n雏随机过程样本函数EX(t,)!表示X(t,)的均值中x(t)表示X〔f,)的均方矩阵V2(t?表示X(t,k)方差矩阵φx(1,t:)表示X〔e)的相关矩阵vx(t1,f2)表示K(t,四)的协方差矩阵S(o)表示x(f:①)的功率谱第二章信号的解析表示和线性系统§2,1信号和信号分析信号信息传输系统的任务在于向接收者传輸消息。声纳是一种信息传输系统,它所传输的消息是目标的有无,日标的运动要素(距离、方向、形度……),目标的性质等。消息本身往往不便于传输,要將消忘放在某…个便于传输的物理量屮,这种带有消息的物理量叫做信号。在主动声纳中,回波的行无表示目标的有无,回波出现的方向,苌示目标的方向,回波出现的时刻反映了目标的距离,回波中多卜勒频偏反映了目标的相对速度,回波的频谱结构反映了目杯的类型。因此主动声纳中回波是信号。类似跑,日标的辐射噪声是被动声纳的信号。凡是妨碍接收者接收信号的物理量都是干扰。本翹噪声、混响、海洋噪声都是声纳的干扰。应当说明,干桄也带有消总,只不过是接收者不需要的消息。因此同一个勒理量对于这个接收者是信号,对于那一个接收者可能就是干扰。钶如编队航行时,甲觎主动声纳引起的日标回波是乙舰主动声纳的干扰,它会严重妨碍乙舰主动声纳的工作。再如对一个搜索潜艇的芦纳兵而言,本舰噪声是干扰,对一个测量本舰噪声的工作人员而言,本舰噪声是信号。由此可见,信号和干扰的差别仪仪在于接枚者是否需要。因此,研究信号的方法和工具,也适用于干扰。第二章、第三章介绍的内容既适用于信号也适用于干扰。信号的时域分析我们将信号用时间纟的函数表示,记作x(4)。如果时间连续地取值,信号叫做连续时间信号。如果时间f离散地取值,信号叫离散时间信号。在声纳系统中常见的信号有:1.脉冲信号矩形脉冲「A0≤f≤Tx(t)0其余的r它有两个参数A和TA称做脉御幅度,T称倣脉冲班度钟形脉冲x(t)=A·e(2-1-2)它也有两个叁数A和α:A称做脉冲幅虔。它是κ〔扌)的最大值。a反映了脉冲度。钟
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