高頻水聲信號(hào)高速傳輸系統(tǒng)研究?

榮少巍

（昆明船舶試驗(yàn)研究中心 昆明 650051）

高頻水聲信號(hào)高速傳輸系統(tǒng)研究?

榮少巍

（昆明船舶試驗(yàn)研究中心 昆明 650051）

在高頻水聲信號(hào)檢測(cè)及測(cè)量應(yīng)用中，目前向著寬帶、尺度化方向發(fā)展，對(duì)300kHz以上的高頻水聲檢測(cè)、測(cè)量應(yīng)用中的通信傳輸要求較高，通常的串行傳輸碼率需要超過150Mbps。為滿足寬帶高頻的聲信號(hào)的實(shí)時(shí)、尺度化、多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了基于拖纜的高頻水聲信號(hào)高速傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用FPGA與HotlinkII通信芯片結(jié)合的通信系統(tǒng)，使用光纖及雙絞線為通信介質(zhì)，通信速率可以達(dá)到150Mbps，采用高頻高精度AD∕DA進(jìn)行信號(hào)采集輸出，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻水聲信號(hào)進(jìn)行采樣傳輸輸出一體的應(yīng)用。通過多次測(cè)試試驗(yàn)，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有良好的應(yīng)用前景。

高速傳輸；高頻水聲；HotlinkII

1 引言

隨著水下航行器及水聲技術(shù)的發(fā)展，目前水下聲檢測(cè)向著寬帶、尺度化方向發(fā)展；尤其是需要對(duì)300kHz以上的高頻水聲檢測(cè)、測(cè)量應(yīng)用的傳輸要求較高，通常的串行傳輸碼率需要超過150Mbps，這樣才能確保傳輸穩(wěn)定可靠。為滿足寬帶高頻的聲信號(hào)的實(shí)時(shí)、尺度化、多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了基于拖纜的高頻聲信號(hào)傳輸系統(tǒng)。目前常用的高速傳輸系統(tǒng)通常采用雙絞線、同軸線及光纖，其中光纖的傳輸速率最高，傳輸距離遠(yuǎn)，但是光纖在使用過程中有彎曲半徑的要求；雙絞線、同軸線在高速傳輸時(shí)距離較短，但使用靈活，適合短距離高速傳輸。

因此為了實(shí)現(xiàn)高頻水聲信號(hào)傳輸通信，本文提出了基于串行總線及光纖的高速信號(hào)傳輸系統(tǒng)。采用CYPRESS公司的HotlinkII通信芯片及FPGA聯(lián)合工作，單片的HotlinkII芯片具有雙工通信，最高傳輸速度為1.5Gbps，可接入雙絞線及光纖，因此系統(tǒng)的復(fù)雜性大大降低，系統(tǒng)的功耗、體積也得到了有效的控制，滿足在拖纜中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，具有較好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的高速信號(hào)傳輸系統(tǒng)由HotlinkII通信芯片、FPGA、高速ADC、高速DAC、雙絞線匹配系統(tǒng)及光模塊組成。

CYPRESS公司的CYP15G0101DXB芯片是單路HotlinkII點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速雙工通信芯片，可在光纖、平衡或不平衡的銅傳輸線傳輸高速串行信號(hào)，最高碼率為1.5Gbps。發(fā)送時(shí)，給入并行信號(hào)，然后可選擇是否進(jìn)行8B10B碼轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，輸出串行信號(hào)。

采用HotlinkII通信芯片作為通信核心芯片可以減少FPGA的運(yùn)算負(fù)荷，增加FPGA的工作穩(wěn)定性，因?yàn)?50Mbps通訊速率下，F(xiàn)PGA如果直接驅(qū)動(dòng)光模塊或者串行通信芯片，工作主頻需要工作在超過300MHz的狀態(tài)下，目前的中端以下的FPGA工作頻率的極限一般為300MHz，若高于這一頻率，芯片穩(wěn)定性則會(huì)降低，因此采用并行輸入的通信芯片則可避免這一問題。

硬件方案設(shè)計(jì)：基于以上的要求我們需要設(shè)計(jì)一對(duì)通信電路，包括接收和發(fā)射，發(fā)射電路部分由采用FPGA、高速ADC及CYP15G0101DXB組成，用于接收控制信號(hào)及發(fā)送AD信號(hào)；接收電路部分將ADC換為DAC，用于發(fā)送控制信號(hào)及接收AD信號(hào)；通信鏈路采用雙絞線及光纖兩種通信鏈路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用EP4CE55 FPGA，為Altera公司研發(fā)的第四代主流FPGA，主要應(yīng)用在高性價(jià)比和低功耗的場(chǎng)合。擁有55856邏輯單元，260個(gè)M9K存儲(chǔ)器模塊，2340kbit存儲(chǔ)資源，154個(gè)18X18乘法器，4個(gè)PLL鎖存器?？捎糜贔FT、FIR等計(jì)算，ADC采集控制，DAC數(shù)據(jù)推送及控制。

系統(tǒng)的采集部分設(shè)計(jì)為高速高精度的ADC，采用ADI公司的AD9240，采樣精度14bit，最高轉(zhuǎn)換速率10MSPS，單5V供電，輸出接口采用并行輸出。可在5MSPS速率下穩(wěn)定采樣，可滿足700kHz聲信號(hào)的采樣，而且并行接口可降低FPGA的最高工作頻率，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出使用高精度DAC，采用ADI公司的 AD5445，CMOS工藝，輸出精度 12bit，最大采樣率為20MSPS，最大輸出帶寬為10MHz，可滿足700kHz聲信號(hào)的輸出，采用并口輸入。

3 通信接口設(shè)計(jì)

通信接口采用雙通信模式：光纖及雙絞線傳輸。光纖采用單模單纖進(jìn)行通信，使用JM10S光模塊進(jìn)行通信，模塊上有收發(fā)兩個(gè)端口，最大傳輸速率為6.25Gbps，接收及輸出的端口均采用差分電信號(hào)，供電采用3.3V供電。

通信時(shí)在發(fā)射端需將發(fā)射使能，此時(shí)接收端的信號(hào)則產(chǎn)生高電平信號(hào)。接口如圖2所示。

圖2 光收發(fā)器接口

高速數(shù)字通信中電纜的特征阻抗、電纜長(zhǎng)度及電纜結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)數(shù)字信號(hào)傳輸速率造成影響。通信電纜的分布電容和分布電感會(huì)會(huì)使得數(shù)字信號(hào)的邊沿速度降低，從而使得噪聲裕量降低，增大信號(hào)的誤碼率，電纜的分布電阻直接將信號(hào)電平的衰減，使得通信芯片無法檢測(cè)通信信號(hào)的幅值。電纜長(zhǎng)度則與電纜直流環(huán)路阻抗與終端阻抗的分壓相關(guān)，電纜長(zhǎng)度、最大傳輸速率和傳輸信號(hào)的抖動(dòng)有關(guān)。如果采用帶屏蔽的單芯電纜可抑制噪聲，但是這種結(jié)構(gòu)在數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)平衡特性不好，電纜制作成本較高，所以，在采用差分平衡性較好的雙絞線。

在電路板端對(duì)雙絞線電纜進(jìn)行阻抗匹配，由電纜匹配電阻、電纜偏置電阻及收發(fā)器輸入端匹配電阻組成的純阻性匹配網(wǎng)絡(luò)，雙絞線傳輸電纜可等效為電阻，為降低阻抗不連續(xù)導(dǎo)致的總線內(nèi)信號(hào)反射，需匹配與電纜特性阻抗等值的終端電阻。傳輸網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)雙絞線電纜特性阻抗約為100歐～120歐。當(dāng)傳輸距離小于1∕6倍的傳輸信號(hào)波長(zhǎng)，則無需終端匹配。設(shè)脈沖信號(hào)的上升時(shí)間為T，則傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)K為：

K=cT∕0.56 （1）

其中在式中c為電磁波傳播速率。輸入端匹配電阻與HotlinkII芯片之間會(huì)產(chǎn)生信號(hào)反射，引發(fā)信號(hào)干擾，在設(shè)計(jì)時(shí)需要將電路板導(dǎo)線長(zhǎng)度減少并確保走線等長(zhǎng)，使通信接口的電阻表現(xiàn)為單一電阻。

最終確定匹配電阻參數(shù)，使整段信號(hào)在總線上的負(fù)載降低，保證足夠的傳輸速率。

當(dāng)傳輸速率較高時(shí)，傳輸電纜的寄生電容電阻乘積的時(shí)間常數(shù)對(duì)作用于不同通信碼會(huì)造成不同的時(shí)延，并在信號(hào)邊沿產(chǎn)生延遲抖動(dòng)。并且在采用串行時(shí)，如果編碼中存在大量的連續(xù)數(shù)會(huì)使信號(hào)產(chǎn)生很大的直流電平偏移，HotlinkII芯片在接收信號(hào)時(shí)會(huì)得不到足夠的跳變信號(hào)而產(chǎn)生誤碼。因此為了改善傳輸時(shí)的通信信噪比，不僅需要對(duì)電纜進(jìn)行阻抗匹配，也需要對(duì)編碼進(jìn)行處理，減小直流電平偏移。

因此在編碼時(shí)采用8B10B編碼方式。8B10B編碼是將8位信號(hào)碼重新編碼為10位碼，這種方式的特點(diǎn)為編碼可確保在發(fā)送過程中“0”、“1”的數(shù)量基本等同，且連續(xù)數(shù)不超過5個(gè)，從而保證了通信時(shí)不發(fā)生直流偏移，且數(shù)據(jù)有足夠的變化。

8B10B編碼在本系統(tǒng)中有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是采用FPGA進(jìn)行編碼，二是使用HotlinkII芯片直接編碼，本系統(tǒng)采用HotlinkII芯片直接編碼。

4 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件由三部分組成：一、AD∕DA控制部分；二、數(shù)字信號(hào)處理部分；三、通信控制部分。三部分軟件的關(guān)系如圖3所示。

圖3 FPGA軟件組成關(guān)系

數(shù)字信號(hào)處理部分軟件設(shè)計(jì)：由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)收實(shí)發(fā)的高速系統(tǒng)，因此需要保留完整的信號(hào)形式，因此在數(shù)據(jù)發(fā)送前或者接收后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行128階的FIR濾波，確保信號(hào)相位為線性相位，濾波頻段為200k～800kHz。

AD∕DA控制部分軟件設(shè)計(jì)：由于原始聲信號(hào)頻率在300kHz至700kHz之間，因此ADC的采樣頻率設(shè)置為5MHz，以確保信號(hào)不失真。在DAC控制時(shí)，輸出頻率與ADC保持一致，也為5MHz。在接收ADC信號(hào)時(shí)，采用超頻率工作模式，即FPGA內(nèi)部采用高于采樣頻率20倍的工作頻率，在一個(gè)采樣的脈沖內(nèi)可以有20個(gè)FPGA產(chǎn)生的脈沖填入，這樣可以避免ADC轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)與FPGA輸入有時(shí)間差，碼間不同步，造成誤碼的問題，如圖4所示。具體工作原理為在20個(gè)填入脈沖中選取中間五個(gè)連續(xù)的脈沖檢測(cè)電平，如果有超過三個(gè)連續(xù)脈沖的值為同一電平，則該位為此電平值。

圖4 超頻率工作模式

通信控制部分軟件設(shè)計(jì)：首先在軟件啟動(dòng)后，對(duì)HotlinkII芯片進(jìn)行初始化，設(shè)置芯片工作于8B10B轉(zhuǎn)換模式及正常通信模式；然后輸出參考頻率；發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將需要轉(zhuǎn)換的14bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16bit數(shù)據(jù)，然后拆分為兩組8bit數(shù)據(jù)輸出至通信芯片；接收數(shù)據(jù)接收經(jīng)過8B10B還原后的數(shù)據(jù)，再拼接成一組16bit數(shù)據(jù)。在通信過程中同樣采用了采用超頻率工作模式，以確保通信正常，減少通信過程中的誤碼率。

5 調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試分為兩個(gè)部分：通信接口部分調(diào)試，系統(tǒng)整體調(diào)試。

在通信接口部分調(diào)試測(cè)試了光通信模塊的收發(fā)性能，經(jīng)過測(cè)試，光模塊可正常接收發(fā)送由HotlinkII芯片發(fā)送的差分串行信號(hào)，HotlinkII也可接收解算光模塊輸出的信號(hào)。

然后著重測(cè)試了雙絞線的通信能力，由FPGA驅(qū)動(dòng)HotlinkII芯片發(fā)出一組150Mbps的方波信號(hào)，在HotlinkII芯片接收端用示波器測(cè)試單端的信號(hào)，如圖5所示，可以看到信號(hào)在變換的邊沿有高頻信號(hào)在匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生反射波動(dòng)，但是紋波的高度為信號(hào)幅值的1∕10，在通信過程中可以正確識(shí)別電平。

圖5 傳輸后的方波信號(hào)

最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體調(diào)試，由信號(hào)源產(chǎn)生一組600kHz的信號(hào)，接入AD，經(jīng)過采集濾波傳輸后通過DA輸出，由圖6所示，圖中下部的信號(hào)為輸入信號(hào)，上部信號(hào)為輸出信號(hào)?？梢钥吹秸麄€(gè)系統(tǒng)可以正確輸出正弦信號(hào)，系統(tǒng)功能正常。

圖6 采集及恢復(fù)后的波形信號(hào)

6 結(jié)語(yǔ)

研究了高頻水聲信號(hào)傳輸系統(tǒng)的組成及傳輸方案，高頻水聲信號(hào)傳輸系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包含了采樣、高速數(shù)據(jù)通信及輸出。研究了雙絞線及光纖通信的接口設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了適合高速串行通信的匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，降低了通信間的高頻反射，提高了高速通信的信噪比。

經(jīng)過多次測(cè)試，系統(tǒng)功能完善可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻水聲信號(hào)的高速傳輸，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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Research on High-frequency Underwater Acoustic Signal High-speed Transmission System

RONG Shaowei
（Kunming Shipborne Equipment Researchamp;Test Cectre，Kunming 650051）

In the high-frequency underwater acoustic signal detection and measurement applications，the current direction of broadband，scale development.For high-frequency underwater acoustic detection over 300 kHz，the communication transmission in the measurement application is demanding，and the usual serial transmission rate is more than 150 Mbps.The high-frequency underwater acoustic signal transmission system based on streamer is designed to meet the requirements of real-time，scale and multi-node detection of wideband high frequency audio signal.The system uses FPGA and HotlinkII communication chip combined with the communication system，the use of optical fiber and twisted pair for communication media，communication rate can reach 150Mbps.The system uses high-frequency high-precision AD ∕DA signal acquisition and output，to achieve a high-frequency underwater acoustic signal sampling output output application.Through several test tests，the system is stable and reliable，with good application prospects.

high-speed transmission system；high-frequency underwater acoustic，HotlinkII

TN912.11

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.032

Class Number TN912.11

2017年5月22日，

2017年6月23日

榮少巍，男，碩士研究生，工程師，研究方向：電子電路設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)等。