基于光電復(fù)合纜的水聲信號采集發(fā)射傳輸系統(tǒng)

潘云龍，廖小滿

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

基于光電復(fù)合纜的水聲信號采集發(fā)射傳輸系統(tǒng)

潘云龍，廖小滿

(大連測控技術(shù)研究所，遼寧 大連 116013)

眾所周知水下電磁環(huán)境復(fù)雜，在水下采用電纜傳輸電信號非常容易受到海洋電磁環(huán)境干擾，并且隨著距離的增加，電信號受到干擾和衰減也就越大。因此水下中長距離的信號傳輸采用光電復(fù)合纜傳輸是一個比較好的選擇，光纖用來傳遞水聲信號，電纜用來傳輸電力。因此本文設(shè)計了一種基于光電復(fù)合纜的水聲信號采集發(fā)射傳輸系統(tǒng)，能夠很好地解決上述問題。本設(shè)計將要采集和發(fā)射的水聲模擬信號在采集發(fā)射端和主機端轉(zhuǎn)換成光信號，端到端之間的傳輸采用光信號，而采集發(fā)射端的供電則由光電復(fù)合纜的電纜提供。

光電復(fù)合纜；傳輸；光電轉(zhuǎn)換

0 引 言

本設(shè)計來源于實際需求需要采集 24 路水聽器信號，并且發(fā)射 2 路水聲換能器信號。而且水聽器和換能器與采集存儲系統(tǒng)距離相隔較遠，需要采用一種合適的方式傳輸采集信號和發(fā)射信號。水下信號傳輸通常使用以下幾種方法：1）直接傳輸水聽器采集到的和要發(fā)射的換能器的模擬信號，該方法設(shè)計簡便，但是在水下復(fù)雜電磁環(huán)境中很容易受到干擾，尤其是遠距離傳輸時干擾明顯；2）使用光纖水聽器，直接傳輸光信號，該方法靈敏度高、動態(tài)范圍大，但是基于光纖水聽器的設(shè)備較復(fù)雜、價格昂貴；3）使用數(shù)字水聽器，即水聽器采集輸出的信號形式為電信號，該方式直接受到水下電磁環(huán)境影響較小，但是在長距離的傳輸中，會產(chǎn)生信號衰減的問題。因為數(shù)字信號是由“0”與“1”的高低電平組成的，但是在長電纜上，代表“1”的高電平電壓會衰減，如果其幅度衰減到低于設(shè)備能夠識別的高電平最低值時，則會被設(shè)備識別為低電平，產(chǎn)生誤碼[1]。

此外，還要考慮到需要傳輸換能器信號和供電問題，單獨使用光纖信號無法對系統(tǒng)供電，并且設(shè)計不能太復(fù)雜，否則系統(tǒng)的可靠性與價格也將會是一個比較大的問題。因此本文設(shè)計了一種基于光電復(fù)合纜的采集發(fā)射傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用光纖來傳輸信號，利用電纜提供電力。能夠保證遠端的設(shè)備有電力支持，并且信號可以傳輸較長距離。該方式是在水聽器和換能器的采集發(fā)射端使用 A/D，D/A 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，并通過光模塊轉(zhuǎn)換成光信號使用光纖傳輸。其擁有以下幾個優(yōu)點：1）使用光纖信號作為傳輸時不會受到電磁環(huán)境干擾；2）采用光纖信號傳輸時受距離影響小，光纖信號可以傳輸十幾公里不需要中繼；3）光纖很輕，布放拖曳時比較方便；4）光纖的傳輸帶寬比較高，可以同時傳輸高達 10 Gb/s 的數(shù)據(jù)量；5）光電復(fù)合纜中的電纜可以提供電力[2]。

1 基于光電復(fù)合纜的水聲信號采集傳輸系統(tǒng)

圖1 為水聽器信號采集光纖傳輸系統(tǒng)示意圖，上半部分為采集端示意圖。其中矢量水聽器為普通壓差式矢量水聽器，其輸出Vx、Vy和Vp三組模擬信號。這 3 組模擬信號幅度較小，因此需要經(jīng)過前置放大器放大，經(jīng)過運放放大合適的倍數(shù)后的信號易于觀測。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的方式為使用 A/D 轉(zhuǎn)換器，其型號為 PCM1804。該 A/D 轉(zhuǎn)換器是一款音頻A/D，最高采樣率為 192 kS/s，可以轉(zhuǎn)換 2 路模擬信號，最高精度 24 bit，本設(shè)計中綜合了傳輸量、運算量以及精度等考慮，使用 16 bit 精度。經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的信號全部傳遞給 FPGA 控制器，本設(shè)計采用的 FPGA 型號是 Xilinx 公司的 XC95288Xl。FPGA 控制器并行地將同一時刻采樣的 24 路數(shù)據(jù)打包，并將打包后的數(shù)據(jù)傳遞給串行器/解串器，串行器/解串器將 24路信號串行地傳遞給光模塊，轉(zhuǎn)換后的光信號經(jīng)光纖傳遞。

圖1 下半部分是存儲運算端。光纜信號到達運算存儲端，該光模塊將光纖信號轉(zhuǎn)換成電信號并傳輸給串行器/解串器。串行器/解串器再將串行的信號并行的傳輸給 FPGA，該 FPGA 的工作是將接收到的信號轉(zhuǎn)換成 24 路采集信號并行的傳輸給采集系統(tǒng)。采集器型號是 PXI-e 采集系統(tǒng)，這是一款 NI 公司生產(chǎn)的具有存儲運算功能的采集系統(tǒng)。上述的存儲運算端的光模塊和串行器/解串器以及 FPGA 使用的型號與采集端相同。利用該設(shè)計就可以將水聽器的采集信號通過光纖傳遞給采集系統(tǒng)，并能夠不受電磁干擾的傳輸較長距離[3-5]。除此之外，中間的 FPGA-串行器/解串器-光模塊-光纖-光模塊-串行器/解串器-FPGA 的結(jié)構(gòu)來傳輸 24 路信號的過程相對于水聽器和采集系統(tǒng)來說是完全透明，其效果與 A/D 轉(zhuǎn)換后直接傳遞給 PXI-e 采集系統(tǒng)一樣，不會改變兩端的發(fā)射接收模式。

圖2 所示為 A/D 轉(zhuǎn)換器 SPI 傳輸時序圖，這主要是根據(jù)其通信協(xié)議設(shè)計的?；镜?SPI 總線需要 3 根線，分別是時鐘、片選和 1 根數(shù)據(jù)線，而這里 A/D，D/A 芯片可以轉(zhuǎn)換 2 組通道，并且這 2 組通道共用時鐘線和片選線，因此傳輸 2 組通道時只需要 4 根線。每個通道的 A/D 精度為 16 bit，即用 16 bit 數(shù)字量來表示 1 組模擬量。同一片 PCM1804 型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器的兩通道分別在片選的上升沿和下降沿開始傳輸 16bit 數(shù)據(jù)，MSB 在先。12 片 A/D 轉(zhuǎn)換器共用了時鐘片選信號，以此減少 IO 數(shù)量，減少了布板布線的復(fù)雜度，因此實際采用的傳輸格式如圖 3 所示。

圖3 所示為 24 通道采集信號 SPI 傳輸時序圖。FPGA 將這 24 路信號整理，將每一路的 16 bit 數(shù)據(jù)并行地傳輸給串行器/解串器，F(xiàn)PGA 連續(xù)地將這 24 路順序地傳輸給串行器/解串器。其型號為 TLK2521，其具有最高 18 bit 并行輸入寬度。其時序圖如圖 4 所示。

圖4 所示為串行器/解串器發(fā)射傳輸時序圖，其中GTX_CLK 為輸入時鐘，TXD 是要發(fā)射的并行輸入信號，DOUTTXP，DOUTTXN 是轉(zhuǎn)換后的串行發(fā)射信號。由圖可知，其工作原理是當 GTX_CLK 上升沿到來時，F(xiàn)PGA 將某一路 16 bit 水聽器信號數(shù)據(jù)并行地傳遞給串行器/解串器，經(jīng)過一小段延時后，16 bit 數(shù)據(jù)再以 20 bit的字長串行發(fā)射出去。串行數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 所示為 TLK2521 串行器/解串器串行傳輸數(shù)據(jù)格式，其共包含 20 bit 字長，其中 18 bit 是有效數(shù)據(jù)字長，這里我們只使用高 16 bit 數(shù)據(jù)，剩余 2 bit 數(shù)據(jù)位總是為低電平。此外這 20 bit 字長還包括 1 bit 起始位（StartBit，總是為 1）和 1 bit 結(jié)束位（StopBit，總是為 0）。串行發(fā)射時鐘是并行輸入信號時鐘的 20 倍，保證能夠及時完整將并行輸入數(shù)據(jù)串行發(fā)射出去。該串行器/解串器能夠提供 2.5 Gb/s 帶寬。

經(jīng)過串行轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳輸給光模塊，光模塊型號為 HSFP-48-232XS-12F，是一款全雙工單模光電轉(zhuǎn)換器，分別采用 1 490 nm 和 1 550 nm 波長的光信號作為傳輸載波。在采集端使用 1 490 nm 波長光作為發(fā)射載波，使用 1 550 nm 波長光作為接收載波。經(jīng)過光模塊轉(zhuǎn)換后的光信號通過光纖傳遞到存儲運算端，在存儲運算端經(jīng)過相同的光模塊轉(zhuǎn)換后變成串行的電信號。存儲運算端所使用的光模塊型號與采集端光某塊型號相同，但是發(fā)射載波波長和接收載波波長互換，存儲運算端發(fā)射波長變?yōu)?1 550 nm，接收波長為 1 490 nm。

光模塊解碼后的串行電信號傳遞給串行器/解串器，串行器/解串器高速地將光模塊轉(zhuǎn)換后的電信號接收，并行地傳遞給 FPGA 模塊。

圖6 所示為串行器/解串器接收傳輸時序圖。從圖中可知，串行器/解串器可以高速地接收 20 bit 串行信號，經(jīng)過一段延時后，并行地將數(shù)據(jù)以 1/20 的接收速率將數(shù)據(jù)傳輸給 FPGA，傳輸給 FPGA 的并行數(shù)據(jù)為18 bit 位寬，只取其中的高 16 bit 數(shù)據(jù)，剩余 2 bit 數(shù)據(jù)丟棄即可。經(jīng)過 FPGA 將 24 路信號整理后，以通道并行、數(shù)據(jù)串行的方式傳輸給 PXI-e 采集系統(tǒng)，其傳輸時序圖同樣如圖 3 所示，即與 A/D 轉(zhuǎn)換器傳輸給采集發(fā)射端的形式相同。

2 基于光電復(fù)合纜的水聲信號傳輸發(fā)射系統(tǒng)

圖7 所示為基于光電復(fù)合纜的信號傳輸發(fā)射系統(tǒng)示意圖，上半部分為存儲運算端。首先由 PXI-e 采集系統(tǒng)計算出要發(fā)射的信號，以 D/A 轉(zhuǎn)換器的傳輸格式傳輸給 FPGA，F(xiàn)PGA 將信號以通道串行，數(shù)據(jù)并行的方式傳遞給串行器/解串器，串行器/解串器再以通道串行數(shù)據(jù)串行的方式傳遞給光模塊。光模塊將電信號轉(zhuǎn)換成光信號通過光纖傳輸。下半部分為發(fā)射端，光信號到達發(fā)射端后由發(fā)射端光模塊轉(zhuǎn)換成電信號。電信號被光模塊傳遞給串行器/解串器，串行器/解串器再將數(shù)據(jù)以通道串行、數(shù)據(jù)并行的形式傳遞給 FPGA。FPGA 將數(shù)據(jù)整理后再以通道串行、數(shù)據(jù)串行的方式傳遞給 D/A 轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換后，數(shù)字信號變成模擬信號，傳輸給功放和換能器發(fā)射。

發(fā)射系統(tǒng)中，所用光模塊、FPGA 等器件型號與采集傳輸系統(tǒng)所用型號相同。D/A 轉(zhuǎn)換器型號為PCM1794，該 D/A 轉(zhuǎn)換器是一款音頻 D/A，最高更新率為 192 kHz 采樣，最高精度 24bit，16 或 24 位數(shù)據(jù)長度可選。其數(shù)據(jù)傳輸格式如圖 2 所示，兩通道共用同一組時鐘片選。因為只有 2 通道的發(fā)射數(shù)據(jù)，因此采用一片 D/A 轉(zhuǎn)換器即可滿足需求。

3 系統(tǒng)供電設(shè)計

圖8 是光電復(fù)合纜的示意圖，外圍較粗電纜是電力線，共有 4 對 8 根電力線，可以傳輸 4 組直流電源，使用較粗電纜是為了減少電阻。考慮到長距離傳輸過程中，低壓電壓會有比較大的損失，因此實際低壓傳輸過程中所傳輸?shù)碾妷阂哂趯嶋H要用到的電壓，再在設(shè)備的接收端使用 DC-DC 或者線性穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換到所需電壓。其中電力線分別用于換能器、水聽器和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)供電。其中為采集發(fā)射轉(zhuǎn)換傳輸系統(tǒng)供電的是一組 24V 電源，這組 24V 電源經(jīng)過 DC-DC電源模塊轉(zhuǎn)換后輸出 5V 電壓，用于為 A/D、D/A 芯片、FPGA 控制器和光電轉(zhuǎn)換模塊等電路供電。

光電復(fù)合纜內(nèi)部則是光纖，光纖周圍有金屬套管保護可以減少對光纖的損害，同時光纖處于光電復(fù)合纜內(nèi)部也是一種有效的保護措施。在使用光電復(fù)合纜的時候主要需要注意的事情是不能彎折過大，否則輕則增加光纖的光傳輸損耗、影響傳輸距離，重則可能導(dǎo)致光纖折斷導(dǎo)致無法傳輸數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果

使用該設(shè)計的基于光纖的水聲信號傳輸系統(tǒng)可以良好的運行工作，通過光纖傳輸?shù)乃犉鞑杉盘柡蛽Q能器發(fā)射信號能夠準確、按照時序地傳輸。同時經(jīng)過穩(wěn)壓后的電源，能夠穩(wěn)定的給設(shè)備提供電力，保證設(shè)備不掉電且電壓滿足設(shè)備需求。

圖9 所示為采集發(fā)射傳輸系統(tǒng)的測試結(jié)果圖，在存儲運算端產(chǎn)生幅度 5Vpp 頻率 1KHz 的正弦波，經(jīng)過 FPGA打包再經(jīng)光模塊轉(zhuǎn)換成光信號傳輸，最后經(jīng)光模塊解還到 FPGA 再傳輸?shù)?D/A 模塊。D/A 模塊的模擬輸出端與 A/D 模塊的模擬輸入端相連接，這樣 D/A 模塊產(chǎn)生的模擬信號就可以被 A/D 模塊采集到了。采集到的信號再由上述過程轉(zhuǎn)換成光信號傳輸回到存儲運算端。

通過 PXI-e1071 采集器的顯示，可以觀察到 A/D的采集信號。其幅度與所產(chǎn)生的信號幅度基本相同，頻率相同。產(chǎn)生的幅度誤差來自于 D/A 和 A/D 模塊的轉(zhuǎn)換誤差，不過這不可避免，同時也在誤差允許范圍之內(nèi)。將所有通道的都接入測試，結(jié)果證明每個通道都可以完整的傳輸信號。

5 結(jié) 語

經(jīng)過上述測試，可以證明，該傳輸系統(tǒng)可以完整傳輸上述所有通道的信號，不丟點，并且延時在可接受范圍之內(nèi)。使用該傳輸系統(tǒng)解決了該項目中不能使用電纜傳輸信號的困難，并且減少了纜的數(shù)量和重量，方便拖曳和布放。同時使用光電復(fù)合纜能夠利用其中的電纜進行供電。綜上所述，該基于光電復(fù)合纜的傳輸系統(tǒng)在類似于本應(yīng)用的水下信號傳輸供電等應(yīng)用中，能夠發(fā)揮很好的實際應(yīng)用作用。

[1]陳陶陶, 方志, 趙龍章, 等. 光電傳輸系統(tǒng)在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用[J]. 繼電器, 2007(15): 77-84.

[2]李志強, 張俊華. 光電復(fù)合纜在接入網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電信工程技術(shù)與標準化, 2012(3): 22-26.

[3]宋濤, 張斌, 羅倩倩. 光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2010(6): 46-48.

[4]馬向玲, 楊輝, 王海玲, 等. 基于FPGA的多路數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制, 2011.19(2): 363-366. MA Xiang-ling, YANG Hui, WANG Hai-ling, et al. Design and implementation of optical fiber transmission system of multichannel data based on FPGA[J]. Computer Measurement & C1ontrol, 2011, 19(2): 363-366.

[5]韓晗. 基于FPGA的實時數(shù)字化光纖傳輸方案研究[D]. 杭州:浙江大學(xué), 2010.

Collecting-launching and transferring system of underwater acoustic signal based on photoelectric composite cable

PAN Yun-long, LIAO Xiao-man
(Dalian Scientific Test and Control Technology Institute, Dalian 116013, China)

As we all know, electromagnetic environment underwater is complex, electrical signal on the electric cable underwater is easy to be jammed by electromagnetic environment underwater. And with distance increasing, electrical signal is jammed and decreases more. So long distance transferring underwater is very fit for photoelectric composite cable, that signal for fiber and electric power for electric cable. Therefore this paper designs a kind of collecting-launching and transferring system of underwater acoustic based on photoelectric composite cable, which can solve the problem. This design transmit electrical signal of collecting-launching to photo signal on the equipment and computing chassis. It uses fiber to transfer photo signal of underwater acoustic point to point. And electric power for equipment is transferred by the electric cable of photoelectric composite cable.

composite cable；transferring；photoelectric conversion

TB52

A

1672 - 7619(2017)04 - 0140 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.028

2016 - 09 - 25；

2017 - 01 - 16

國防基礎(chǔ)科研計劃資助項目(A0820132027)

潘云龍(1988 - )，男，碩士，工程師，研究方向為水下聲信號處理及電子技術(shù)等。