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1 前言 在水聽器應用中，由于水下聲場的復雜性，單元水聽器無法獲得目標的詳細信息，必須依靠超大陣元數目的高度復用的傳感器陣列。通過水聽器陣列完成聲場信號的波束形成，實現對水下目標的定位與指向。為降低成本與體積．多路復用技術被廣泛的用到了水聲信號傳輸領域。多路復用技術的使用對水聲信號的處理能力提出了更高的要求。如何完成多路復用信號的解復用以及實時快速解調是整個系統設計的關鍵。本文提出一種基于FPGA和DSP的光纖傳感信號實時處理系統。 2 系統組成與硬件流程圖 在光纖傳感信號處理系統中，需要處理的是水聽器陣列的海量信號，對處理速度要求高。用FPGA來實現多路高速數據采集、數字信號存取的同步時鐘控制，可使時序關系整齊，延遲一致、易于修改。同時利用FPGA的多I/O功能實現各個模塊之間的數據緩存與接口設計．可以克服數據傳輸的瓶頸。TI公司的32位DSP芯片TMS320C 6713，其性價比高．特別適合于光纖傳感信號處理系統解算量大。實時性要求高和計算精度要求高的場合。本文采用FPGA+DSP構建光纖傳感信號采集處理系統．主要由ATD轉換芯片、FPGA、FIFO、DSP及其外圍電路組成，系統結構框圖如圖1所示。 
圖1系統結構框圖 2．1 A/D前端處理電路及A/D采樣模塊 探測器對光纖輸入的光脈沖序列進行光電轉換，通過濾波器實現波分解復用，再對信號進行放大及阻抗匹配，使其滿足ADC對輸入信號的要求。 在時分復用陣列中，系統采樣頻率與單路信號采樣頻率和復用路數的乘積成比例。設計系統單路信號采樣頻率為125KHZ，則8路時分復用系統最低采樣頻率達到1M，因此選用Analog Devices公司的16位模數轉換器AD9446，它在100MSPS轉換速率的條件下，能同時保持0.4LSB微分線性誤差(DNL)，非常適合高采樣率和寬帶寬的應用場合。對于高速采集系統，A/D建立穩定的工作狀態需要相當長時間，頻繁地改變A/D的工作狀態會影響測量的精度，嚴重時會造成信號的失真。為此，同步命令不直接作用于高速A/D，而是用FPGA產生A/D采樣時鐘信號，并根據同步命令實現對采樣數據的取舍。 2．2 FPGA模塊 由于信號載波頻率較高。相應的提高了信號的采樣頻率，增大了處理器處理速度和數據傳輸的壓力。而后端對信號處理關心的是信號的特征信息，因此采用FPGA對數據進行數字低通濾波，然后對數據進行降采樣處理，這樣就可用較小的數據量獲得信號信息，緩解DSP數據解調壓力。與此同時，FPGA使A/D采樣與信號調制保持同步。 為了充分利用FPGA和DSP的各自優點，選用Altera公司的邏輯單元個數為5980、配置存儲器容量可達1M的EPIC6F256，全部控制邏輯由硬件完成，實現控制與算法的分離，充分滿足系統實時性的要求。 2．3 數據緩存FIFO模塊 信號接收緩存選用IDT公司的同步FIFO器件。DSP讀取FIFO數據時EDMA控制器可以獨立于CPU工作．方便地實現片內存儲器、片內外設以及外部存儲空間之間的數據轉移。數據源源不斷推入FIFO，FIFO數據存滿則自動將滿標志置位．啟動DSP的EDMA7通道進行傳輸。 2．4外部存儲模塊 2．4．1程序存儲器FLASH 借助于仿真器，叮直接對Flash進行在系統編程。Am29LV033C是AMD公司生產的Flash存儲器，內部能產生高電壓進行編程和擦除操作。參考C6000的外擴FLASH的通用在線編程方法．通過兩級引導加載，實現系統的自舉引導。 2．4．2數據存儲器SDRAM 系統處理的是光纖水聽器陣列海量信號。每個DSP處理幾個單元水聽傳感器信號。因此每個DSP擴展了4M x 32b的SDRAM芯片，主要用于存儲輸入、輸出數據，并映射到TMS3206713存儲器CEO空間。每次采樣時，DSP通過EDMA中斷傳輸，將從FIFO接收到的幾幀數據保存到SDRAM中。 2.5 DSP 電路模塊 DSP電路模塊主要完成系統的水聲信號全數字PGC解調工作，是整個系統實現實時快速要求的關鍵。采用TI公司的32位浮點DSP處理器TMS320C6713．處理能力高達2400MIPS，結合該芯片的8指令并行運行的特點，對程序進行優化，可大大提高運算速度，實現“二次解調”實時處理算法。 3 數據處理 3．1 PGC解調原理 PGC解調一般用于消除雙臂干涉儀中由于環境因素引起的相位漂移。在干涉儀中引入載波后，干涉輸出是
式中：A是直流偏置，B是干涉項幅值，C是載波幅值，ω0是載波角頻率，φ(t)=Dcosωst + ψ(t)，Dcosωst是被測信號，D是被測信號幅值，ωs是被測信號角頻率，ψ(t)是相位漂移。將(1)式分別乘以Gcosω0t和Hcos2ω0t，當載波頻率遠遠ω0大于被測信號φ(t)和頻率ωs時，可經低通濾波將所有含ω0及其ω0倍頻項濾去，對其進行微分，交叉相乘、相減、積分、高通濾波最終得到所需的相位信息。 3．2載波延遲的影響 在PGC調制解調電路中，為了保證頻率嚴格匹配，載波采用FPGA產生，經過放大和阻抗匹配后，驅動光源或者相位調制器用于對光波進行相位調制，受到調制的光波經過光路傳輸后發生干涉，干涉輸出經過ADC模數轉換后由電路進行解調。由于存在不可避免的轉換和傳輸時間，因此混頻相乘時干涉輸出中的載波與基頻、2倍頻相比存在相位延遲。則干涉輸出的Bessel函數展開式為：
上式中φt = ω0t 表示載波的相位延遲。采用Gcosω0t和Hcos2ω0t與I'進行混頻相乘和低通濾波得到：
與I1和I2對比，增加了與載波頻率和延遲時間有關的系數項cosφt和cos2φt,對I1'和I2'進行后續PGC解調，最終得到：
與I3相比，I3'增加了幅值系數項cosφt * cos2φt。一般情況下，系數項的絕對值小于l，導致解調輸出幅度衰減。當系數項為負值時，導致解調輸出符號相反。當系數項當系數項為零時。解調輸出恒為零，導致PGC解調失敗。因此，必須消除載波延遲造成的影響。 3．3 載波相位延遲的求解和解決方法 分別將I'乘以Gcosω0t、Gsinω0t和Hcos2ω0t、Hsin2ω0t，再進行低通濾波。假設在時間段[0，tn]內，延遲相位φt基本不變，對該式在該時間段進行N點離散化計算其均值得：
將(10)，(9)，(12)，(11)得
求得φt后，再將信號與Gcos(ω0t + φt),Hcos2(ω0t + φt)進行混頻，消除相位延遲引起解調信號幅度衰減的現象。 4 結論 本系統緊密結合實際工程項目．成功實現了以FPGA+DSP構成的光纖傳感信號實時處理系統的硬件及軟件設計．并針對載波相位延遲造成的解調信號幅度衰減提出了解決方法。本系統具有高速實時數據運算能力。可廣泛應用于多路數據采集處理等領域，可升級能力強，應用前景非常廣闊。 本文作者創新點：將FPGA+DSP并行處理架構應用于光纖傳感信號處理系統，提高系統的實時處理速度，并針對載波相位延遲造成的解調信號幅度衰減提出了解決方法。系統在光纖產業的工程化應用具有良好的前景。 作者：吳舒辭，陳珍 來源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第1-2期 |
