基于PYNQ 平臺(tái)的艦船輻射噪聲模擬*

佘黎煌，沈冰鑫，閆子軍，趙 強(qiáng)，趙一博，葛志毅

（東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110000）

引言

伴隨著水聲設(shè)備的高速發(fā)展，海上試驗(yàn)也變得愈加的頻繁，復(fù)雜，在測(cè)試水聲設(shè)備時(shí)，常常需要投入大量的人力、物力、財(cái)力。鑒于海試的缺點(diǎn)，使用模擬器技術(shù)進(jìn)行水下目標(biāo)的模擬即可減小實(shí)驗(yàn)成本，縮短水聲設(shè)備的研發(fā)周期。在分析了艦船輻射噪聲的聲學(xué)特性后，本文通過(guò)自適應(yīng)濾波方法，來(lái)得到艦船連續(xù)譜輻射噪聲，在知道了所需連續(xù)譜的幅頻響應(yīng)之后，即以此作為期望響應(yīng)，將高斯白噪聲通過(guò)該濾波器即可得到模擬連續(xù)譜噪聲數(shù)據(jù)，再加上已設(shè)置好的線譜后即可得到模擬的艦船輻射噪聲。

VIVADO HLS 平臺(tái)加PYNQ 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提出的算法，并優(yōu)化處理提高速度和資源利用率[1]。通過(guò)HLS 平臺(tái)生成IP 核后，使用VIVADO 工具，使用IP 核與其他器件連接生成Overlay，最終使用PYNQ 工具使用該Overlay，PYNQ 工具使用PYTHON 語(yǔ)言應(yīng)用到FPGA 的控制中，且其集成的Jupyter Notebooks 框架編譯工具具有很高的可視性[2]，基于上述優(yōu)點(diǎn)，使得算法的可行性得到較快的驗(yàn)證，并且方便了下一步算法與硬件之間的聯(lián)合調(diào)試生成實(shí)際的噪聲數(shù)據(jù)。

1 艦船輻射噪聲模擬算法

1.1 艦船輻射噪聲特性研究

艦船輻射噪聲的連續(xù)譜的主要來(lái)源為機(jī)械噪聲的弱連續(xù)譜噪聲和螺旋槳空化噪聲的強(qiáng)連續(xù)譜，規(guī)律為在高頻，它的譜級(jí)隨頻率大約按6db/oct 下降，在低頻隨頻率以大約6db/oct～12db/oct 增加，連續(xù)譜中有一個(gè)峰，這個(gè)峰值通常位于100Hz～1000Hz 范圍內(nèi)。假設(shè)航速在40kn以下，小于峰值頻率以6db/oct 上升，大于峰值頻率以-6db/oct 下降，于是連續(xù)譜的模型可以用以下的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行擬合[3]：

圖1 自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)流程圖

其中v 為艦船的航速，f0為峰值頻率，SLf是功率譜級(jí)，DT 表示艦船的噸位，SLs是100Hz 以上的總聲級(jí)，對(duì)于30000 噸以下、航速為8～24 節(jié)的艦船，其100Hz 以上的總聲源級(jí)可使用以下的經(jīng)驗(yàn)公式表示[3]：

由以上的經(jīng)驗(yàn)公式，即可得出艦船輻射噪聲連續(xù)譜的功率譜，且速度、噸位均可設(shè)定。

1.2 艦船輻射噪聲建模

要得到連續(xù)譜的特性形狀的功率譜，使用到了基于LMS 算法的自適應(yīng)濾波方法，首先通過(guò)使用上面對(duì)艦船輻射噪聲特性分析得到的數(shù)學(xué)公式對(duì)艦船輻射噪聲進(jìn)行建模，建模的結(jié)果作為自適應(yīng)濾波的期望響應(yīng)，然后以高斯白噪聲作為輸入信號(hào)，進(jìn)行自適應(yīng)濾波，最終就可得到艦船噪聲的連續(xù)譜噪聲。

自適應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示[5]。

輸入端為M個(gè)的頻率為f1，f2...fm的正弦波信號(hào)，其式為：

偽濾波器的輸出即為所期望得到的響應(yīng)，其式子相應(yīng)得為：

其中fi，ai即為所期望的濾波器在特定頻率fi上的增益，θi即為特定頻率上的相移。ci為正常數(shù)，是對(duì)頻率分量fi的代價(jià)因子，有時(shí)希望在某些頻率上要求更嚴(yán)格時(shí)，就可以ci適當(dāng)?shù)拇蟆ＴO(shè)置ci為1，fi間的間隔取50Hz，頻率范圍為50-3000Hz，ai即為fi對(duì)應(yīng)到艦船輻射噪聲建模結(jié)果的取值，這樣即可得到了期望響應(yīng)。輸入的xi則直接輸入高斯白噪聲即可。

具體使用LMS 算法進(jìn)行自適應(yīng)濾波的流程如下：

（1）濾波：y（n）=W（n）XT（n）

（2）誤差計(jì)算：e（n）=d（n）-y（n）=d（n）-WT（n）X（n）

（3）更新濾波器系數(shù)：W（n+1）=W（n）+2μe（n）X（n）

將上面的流程迭代（M-L）次，M 為輸入信號(hào)X（n）的長(zhǎng)度，L 為濾波器的階數(shù)，濾波結(jié)果y（n）也就得到了。

2 VIVADO HLS 上實(shí)現(xiàn)并加速算法

2.1 在VIVADO HLS 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)算法

HLS 工具所支持的語(yǔ)言為C++語(yǔ)言，因此還需要將MATLAB 中實(shí)現(xiàn)的算法轉(zhuǎn)換為C++代碼，注意在轉(zhuǎn)換之后還需要更改一些HLS 不支持的地方，如函數(shù)形參和函數(shù)返回值不能使用指針，若使用指針的話在綜合的時(shí)候會(huì)報(bào)錯(cuò)。

此外因?yàn)榭紤]到之后需要使用AXI4-Stream 接口連接到DMA 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，因此需要在頂層函數(shù)中加入接口的定義語(yǔ)句：

并且因?yàn)檩斎氲母咚拱自肼晹?shù)據(jù)為浮點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過(guò)測(cè)試浮點(diǎn)數(shù)無(wú)法在搭建的Overlay 中進(jìn)行傳輸，因此，需要做一個(gè)將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)為定點(diǎn)數(shù)的操作，即IP 核的輸入輸出都為整型，是一個(gè)Q15 定點(diǎn)數(shù)，IP 核中得到輸入后，在將定點(diǎn)數(shù)化為小數(shù)，再進(jìn)行原來(lái)預(yù)定的處理，處理完后濾波的結(jié)果，因?yàn)橐彩歉↑c(diǎn)數(shù)，因此需要再做一個(gè)浮點(diǎn)轉(zhuǎn)定點(diǎn)的操作，將數(shù)據(jù)再傳輸出去，這樣就可以實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)的傳輸了。

2.2 優(yōu)化加速算法

HLS 中的優(yōu)化方法有許多，文中選擇了for 循環(huán)的Pipelining the loop 優(yōu)化，即對(duì)for 循環(huán)的流水線的優(yōu)化，Pipelining 優(yōu)化方法，主要是對(duì)for 循環(huán)的一個(gè)優(yōu)化方法。未進(jìn)行Pipelining 優(yōu)化之前，循環(huán)是按照一個(gè)時(shí)間的順序去運(yùn)行的，只有上一個(gè)循環(huán)的操作執(zhí)行完了，才開(kāi)始下一個(gè)操作，使用了Pipelining 之后原本順序執(zhí)行的循環(huán)，具有了一定的并行性，下一次的for 循環(huán)，不需要等到之前的操作結(jié)束，就開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)操作，由此可以看到原本需要9個(gè)周期才能執(zhí)行完三次循環(huán)，但使用了Pipelining之后就只需要五個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成三次for 循環(huán)了。由此可見(jiàn)Pipelining 可以提升for 循環(huán)的運(yùn)行速度，從而可以提升算法的運(yùn)行速度，并充分利用了FPGA 的并行運(yùn)行的特點(diǎn)。完成優(yōu)化加速后，就可以導(dǎo)出算法的IP 核。

圖2 艦船輻射噪聲理想連續(xù)譜

圖3 仿真艦船輻射噪聲功率譜圖

3 模擬仿真結(jié)果

3.1 艦船輻射噪聲模擬算法

設(shè)置航速為20 節(jié)，噸位為5000 噸，在MATLAB 中進(jìn)行仿真，所得結(jié)果如圖2、圖3 所示。

由圖2、圖3 的比較發(fā)現(xiàn)通過(guò)LMS 算法對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，所得到的信號(hào)的頻譜形狀與理想連續(xù)譜是非常相似的，因此可以知道使用LMS 算法可以較好的實(shí)現(xiàn)艦船輻射噪聲的模擬。

3.2 使用VIVADO HLS 加速結(jié)果

圖4 中soulution1 為沒(méi)使用Pipelining 時(shí)的運(yùn)行結(jié)果，solution2 為使用了Pipelining 后的結(jié)果，可以很明顯的觀察出使用Pipelining 指令之后，程序的運(yùn)行時(shí)間大大降低了，時(shí)間大概僅為未使用Pipelining 的35%。由此可見(jiàn)并行加速運(yùn)算的強(qiáng)悍。

圖4 HLS 優(yōu)化加速結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)艦船輻射噪聲的特性進(jìn)行分析后，使用基于LMS 算法的自適應(yīng)濾波的方法來(lái)得到艦船的輻射噪聲是可行，且多個(gè)參數(shù)可進(jìn)行設(shè)置。模擬艦船噪聲算法設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)之前的測(cè)試結(jié)果，可知結(jié)合HLS 及PYNQ 平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)算法是可行的，且使得FPGA 的開(kāi)發(fā)難度降低，縮短開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期，同時(shí)也能夠?qū)σ獙?shí)現(xiàn)的算法進(jìn)行一定的優(yōu)化加速。