XCTD剖面儀數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈志成，于曉山，尼建軍，李永軍，陳雷

（1.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300401；2.海軍司令部航海保證部，天津300042；3.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112；4.天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

XCTD剖面儀數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈志成1，于曉山1，尼建軍2，李永軍3，陳雷4

（1.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300401；2.海軍司令部航海保證部，天津300042；3.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112；4.天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

針對(duì)XCTD(投棄式溫鹽深)剖面儀數(shù)據(jù)傳輸速率低、可靠性差的缺點(diǎn)，提出基于曼徹斯特編碼的基帶傳輸技術(shù)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，著重討論了基于FPGA的曼徹斯特編碼器、位定時(shí)提取電路和自動(dòng)增益控制電路的設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)試表明，編碼后的系統(tǒng)不僅可以使用基帶信號(hào)直接傳輸，而且能夠滿足系統(tǒng)的通信速率要求。

XCTD；曼徹斯特碼；自動(dòng)增益控制；全數(shù)字鎖相環(huán)

1 引言

XCTD是投棄式（Expendable）電導(dǎo)率（Conductivity）、溫度（Temperature）深度（Depth）剖面儀的簡(jiǎn)稱，是國(guó)外近年研制并得到快速發(fā)展的一種先進(jìn)的海洋測(cè)量設(shè)備。在海洋科學(xué)研究、海洋經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)等諸多方面都有非常重要的意義。XCTD由投棄式測(cè)量探頭、傳輸導(dǎo)線、數(shù)據(jù)接收裝置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件四部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XCTD剖面儀結(jié)構(gòu)

XCTD測(cè)量探頭為一次性使用，由位于甲板上的發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后探頭中的溫度、電導(dǎo)率傳感器即開始測(cè)量，隨著測(cè)量探頭在水中的下沉（速度約3～5 m/s），探頭內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)完成溫度和電導(dǎo)率的采集、處理，并以數(shù)字信號(hào)形式通過(guò)直徑為0.1 mm的傳輸線同步傳輸?shù)酱辖邮昭b置。探頭入水的同時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件開始計(jì)算探頭入水深度，并對(duì)溫度、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的對(duì)應(yīng)、平滑、平均、滯后修正等處理，實(shí)時(shí)獲取溫鹽深剖面數(shù)據(jù)，繪制溫鹽剖面曲線[1]。可見，系統(tǒng)水下探頭與測(cè)量船上數(shù)據(jù)接收板之間的數(shù)據(jù)傳輸性能的優(yōu)劣至關(guān)重要，數(shù)據(jù)傳輸電路是船用投棄式溫鹽深剖面儀的重要組成部分。

系統(tǒng)有線信道是3 000 m長(zhǎng)、直徑約0.1 mm的兩條漆包線，繞成兩個(gè)線軸分別安裝在水下探頭和船上發(fā)射裝置內(nèi)部。由于線徑很細(xì)，當(dāng)探頭下落時(shí)，線軸能夠自由展開，而不影響到探頭的下降速度。針對(duì)這種特殊的信道，傳統(tǒng)方法采用頻帶傳輸技術(shù)，系統(tǒng)由分立元器件和小規(guī)模集成電路構(gòu)成，因而信息速率低，且靈活性差。本文提出一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA的基帶傳輸系統(tǒng)，可以提高信息傳輸速率，并具有很大的靈活性和實(shí)用性。

2 信道和方案分析

在靜態(tài)條件下測(cè)量傳輸線開路電感246 mH，開路電容66.4 nF，短路電阻13.7 kΩ。隨著線圈的展開，這些分布電容和等效電感會(huì)發(fā)生很大變化。在線軸未展開的情況下，輸入峰峰值為5 V的正弦波，信道的幅頻響應(yīng)特性如圖2所示。試驗(yàn)證明，該有線信道在頻率大于150 Hz以后，隨著信號(hào)頻率的提高，信號(hào)幅度將迅速衰減，此通信信道是典型的帶限和非線性變參信道，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸非常不利。

圖2 信道的幅頻特性

水下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)是單極性的非歸零碼（NRZ），直接傳輸不僅會(huì)造成嚴(yán)重的波型畸變以致無(wú)法接收，而且信號(hào)頻譜中不含有定時(shí)分量，使位時(shí)鐘恢復(fù)困難。頻帶傳輸是一種常用的數(shù)字信號(hào)傳輸方式，但是工作頻段高，信道衰減嚴(yán)重，傳信率和誤碼率指標(biāo)較低，不能滿足系統(tǒng)要求。因此為了提高信息傳輸速率，并考慮到在接收端提取時(shí)鐘方便，采用基于曼徹斯特碼的基帶傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 XCTD剖面儀基帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

曼徹斯特碼又稱為數(shù)字雙相碼，其功率譜中無(wú)直流分量，且低頻和高頻分量較小，適合在此信道中傳輸。波形在每一位碼元中間都有跳變，因此具有豐富的定時(shí)信息，在接收端利用簡(jiǎn)單的非線性變換后即可提取位時(shí)鐘[2]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

由于曼徹斯特碼譯碼有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)相位不確定的問(wèn)題，所以在編碼之前需要對(duì)原信碼進(jìn)行差分編碼，根據(jù)差分編碼的原理，di=ai+di-1，ai是絕對(duì)碼，di是相對(duì)碼,di-1為相對(duì)碼延時(shí)一個(gè)碼元周期。曼徹斯特碼的編碼規(guī)則是：將輸入的二進(jìn)制符號(hào)“0”編碼為一對(duì)比特“10”，又將二進(jìn)制符號(hào)“1”編碼為一對(duì)比特“01”?？梢杂脝螛O性非歸零碼與定時(shí)信號(hào)的模二和來(lái)產(chǎn)生，即：man=di+CPi，man是曼徹斯特碼，同步定時(shí)信號(hào)CPi的碼速率為基帶碼速率的2倍。用Verilog HDL語(yǔ)言編寫基帶編碼器代碼，通過(guò)ISE9.1i軟件觀察其RTL級(jí)示意圖，如圖4所示。

圖4 編碼器RTL級(jí)示意圖

FPGA輸出的曼徹斯特碼實(shí)際是單極性碼，可以通過(guò)一個(gè)發(fā)送濾波器濾除其直流分量，變?yōu)殡p極性。發(fā)送濾波器的另一個(gè)重要作用就是波形形成。如果直接用矩形脈沖作為傳輸碼，由于矩形脈沖的頻譜很寬，而如圖2所示信道的可用頻帶有限，會(huì)對(duì)信號(hào)造成嚴(yán)重的失真。因此需要設(shè)計(jì)發(fā)送濾波器和接收濾波器共同來(lái)補(bǔ)償整個(gè)傳輸系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，使其傳輸特性接近基帶無(wú)失真?zhèn)鬏敆l件，即理想低通特性。

3.2 接收端電路設(shè)計(jì)

3.2.1 自動(dòng)增益控制

隨著探頭的下降，導(dǎo)線自然展開，因此信道特性是時(shí)變的。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，隨著線的展開，信號(hào)的衰減量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。當(dāng)傳輸1200 Hz信號(hào)時(shí)，輸出端信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到20 db，所以為了保證后續(xù)電路的正常工作，線上信號(hào)經(jīng)過(guò)接收濾波器濾除噪聲后，需要增加自動(dòng)增益控制電路，使輸出電平保持在一定的范圍內(nèi)。

本文使用性價(jià)比很高的集成電路SA571，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制電路。實(shí)際電路如圖5所示。

圖5 自動(dòng)增益控制電路

此電路分為兩部分，第一部分是精密小信號(hào)差分放大器AD620，對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行初步放大，達(dá)到后續(xù)電路對(duì)輸入信號(hào)的要求，并可以濾除共模噪聲。第二部分是由SA571組成的自動(dòng)增益控制電路，對(duì)AD620放大后的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制。當(dāng)輸入信號(hào)在20 db范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)的電平保持在±1 db范圍內(nèi),峰峰值約為2 V,滿足系統(tǒng)要求。

3.2.2 位定時(shí)提取電路

自動(dòng)增益控制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)碼元再生電路，恢復(fù)出NRZ數(shù)字信號(hào)后譯碼。譯碼的關(guān)鍵是恢復(fù)出同步定時(shí)信號(hào)，曼徹斯特碼含有豐富定時(shí)信息，可利用電平的正、負(fù)跳變提取定時(shí)，但是它所提取的時(shí)鐘頻率是符號(hào)速率的2倍，再由它分頻得到定時(shí)信號(hào)[2]。位定時(shí)信號(hào)是由基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)提取的。全數(shù)字鎖相環(huán)的組成可分為3部分：數(shù)字鑒相器（DPD）、數(shù)字環(huán)路濾波器（DLF）和數(shù)控振蕩器（DCO）。其工作原理框圖如圖6所示。

鑒相器采用超前—滯后鑒相器（LL-DPD），它的輸入是單極性非歸零信號(hào)，輸出的超前—滯后脈沖經(jīng)環(huán)路濾波器的過(guò)濾后輸出“加”脈沖指令或“扣”脈沖指令。超前-滯后鑒相器通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式：微分型和積分型，積分型LL-DPD具有優(yōu)良的抗干擾性能，而它的結(jié)構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)都比較復(fù)雜。微分型LL-DPD雖然抗干擾能力不如積分型LL—DPD，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，硬件實(shí)現(xiàn)比較容易。本文采用微分型LLDPD，將環(huán)路抗噪聲干擾的任務(wù)交給DLF模塊負(fù)責(zé)。

圖6 全數(shù)字鎖相環(huán)原理圖

環(huán)路濾波器的作用在于提高環(huán)路相位校正的準(zhǔn)確性，因?yàn)檩斎胄盘?hào)在信道傳輸過(guò)程中，受到了噪聲的干擾。環(huán)路出現(xiàn)誤控和漏控的可能性較大，尤其是在輸入信噪比很低的時(shí)候。為此，首先將鑒相器輸出的超前或滯后脈沖經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器過(guò)濾后再加到相位控制器上，這樣就可以大大地減少噪聲對(duì)環(huán)路的干擾。雖然采用環(huán)路濾波器提高了相位校正的準(zhǔn)確性，與此同時(shí)，因?yàn)榄h(huán)路濾波器是用寄存器進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，輸入N個(gè)脈沖才輸出一個(gè)控制指令脈沖，這必然使環(huán)路的鎖定過(guò)程或同步建立時(shí)間加長(zhǎng)。因此，減小同步誤差與減小同步建立時(shí)間兩者相互矛盾。

DCO由本地信號(hào)時(shí)鐘、相位控制器和分頻器構(gòu)成。頻率穩(wěn)定的本地信號(hào)時(shí)鐘輸出頻率為F的脈沖序列，在未經(jīng)控制的情況下，該序列經(jīng)M次分頻后得到頻率為f0的方波信號(hào)。M分頻器的輸出信號(hào)與輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)鑒相器進(jìn)行相位比較。鑒相器輸出表征輸入信號(hào)是超前還是滯后于DCO輸出同步信號(hào)的超前脈沖或滯后脈沖。再經(jīng)環(huán)路濾波器后變?yōu)椤凹印泵}沖指令或“扣”脈沖指令，去控制本地信號(hào)時(shí)鐘脈沖序列“加”入一個(gè)脈沖或“扣”除一個(gè)脈沖，從而改變分頻器輸出的脈沖信號(hào)相位。經(jīng)環(huán)路的反復(fù)調(diào)整，就可以得到較為準(zhǔn)確的同步信號(hào)[3]。

從LL-DPLL得到的同步時(shí)鐘CP1頻率是信號(hào)速率的2倍，再由它分頻得到的定時(shí)信號(hào)CP2必定存在相位的不確定問(wèn)題。這可以靠后面的差分譯碼得以解決。由于鎖相環(huán)存在相位誤差和同步建立時(shí)間，所以當(dāng)NRZ碼與CP1做模二加的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)毛刺。因此，在做模二加之前用同步時(shí)鐘信號(hào)的上升沿對(duì)NRZ信號(hào)采樣得到an,差分碼。對(duì)差分碼dn進(jìn)行差分譯碼，譯碼后恢復(fù)出的原信碼，其中dn-1為dn通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)CP1延時(shí)一個(gè)碼元周期后的信號(hào)。

4 仿真與實(shí)現(xiàn)

FPGA(Field Programmable Gate Array,即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)具有性能好、規(guī)模大、可重復(fù)編程、開發(fā)投資小等優(yōu)點(diǎn)[4]。本設(shè)計(jì)中基帶編譯碼器均采用XILINX公司的EDA軟件ISE9.1進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在Spartan3E系列的FPGA芯片XC3S100E上實(shí)現(xiàn)。為了仿真實(shí)驗(yàn)方便,基帶數(shù)據(jù)輸入采用四級(jí)偽隨機(jī)碼電路——從ISE器件庫(kù)中調(diào)用4個(gè)D觸發(fā)器、2個(gè)異或門和一個(gè)四或非門。利用ModelSim SE PLUS 6.2b對(duì)編譯碼電路進(jìn)行仿真，仿真波形如圖7所示。圖7中ai表示四級(jí)偽隨機(jī)碼電路數(shù)據(jù)輸出，di表示四級(jí)偽隨機(jī)碼電路數(shù)據(jù)輸入在同步時(shí)鐘的作用下差分編碼輸出,man表示由CPi和di產(chǎn)生的差分曼徹斯特碼,CP1為鎖相環(huán)提取的同步時(shí)鐘，an表示man信號(hào)經(jīng)過(guò)CP1采樣后的信號(hào)，dn表示曼徹斯特解碼后的差分信號(hào)，bn表示差分譯碼后得到的絕對(duì)碼。

圖7基帶編譯碼電路的ModelSim仿真波形

圖7 的仿真結(jié)果表明：基帶編譯碼器均可正確完成各自功能。從圖中可以看出鎖相環(huán)開始時(shí)輸出的同步時(shí)鐘信號(hào)CP1超前于man信號(hào)，經(jīng)過(guò)環(huán)路的逐步調(diào)整，最近達(dá)到相位的鎖定，譯碼輸出bn延時(shí)約1 ms后與ai一致,實(shí)現(xiàn)正確地譯碼。然后將生成的配置文件通過(guò)集成開發(fā)環(huán)境配置到FPGA中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。將bn引腳電平通過(guò)Max232芯片轉(zhuǎn)換成RS-232電平后與PC機(jī)串口相連，在3 000 m漆包線逐漸展開的過(guò)程中用串口軟件監(jiān)測(cè)解調(diào)電路輸出,實(shí)測(cè)結(jié)果完全正確,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)XCTD剖面儀的信道特征，采取基于FPGA的曼徹斯特碼基帶傳輸技術(shù)，提高了通信速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且降低了電路復(fù)雜程度，減小了電路面積。該電路在目前的實(shí)際測(cè)試中，信息速率為1 200 bit/s,誤碼率小于0.01%，完全可以滿足整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

[1]武玉華.XCTD定標(biāo)方法研究[J].海洋技術(shù)，2007，26(2)：14-16.

[2]周炯槃，龐沁華，續(xù)大我，吳偉陵.通信原理[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2005.

[3]胡華春，石玉.數(shù)字鎖相環(huán)原理與應(yīng)用[M].上海：上?？萍汲霭嫔纾?990.

[4]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FGPA/CPLD設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民郵電出版社,2007.

Abstract：Aiming at low data transmission rate and reliability of the XCTD(Expendable Conductivity,Temperature and Depth)Profiler,baseband transmission technology based on Manchester code is proposed.Based on system structure design,the emphasis is to discuss the design of Manchester coder and bit synchronization extraction circuit and AGC circuit.The test result shows that the system after coding can make baseband signal transmit directly and meet the requirement of communication rate.

Key words:XCTD;Manchester code;automatic gain control;all digital phase-locked loop

Design and Realization of Data Transmission Circuit for XCTD Profiler

JIA Zhi-cheng1,YU Xiao-shan1,NI Jian-jun2，LI Yong-jun3,CHEN Lei4

（1.College of Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.The Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters,Tianjin,300042,China;3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;4.College of Information Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

TP76

B

1003-2029（2010）02-0001-04

2010-02-18

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）資助項(xiàng)目（2006AA09Z131）

賈志成（1957-），男，教授。主要研究方向：現(xiàn)代通信，遙測(cè)遙控，最佳信號(hào)設(shè)計(jì)；于曉山（1984-）男，碩士研究生。主要研究方向：數(shù)字通信，電子測(cè)量。