高頻水聲信號高速傳輸系統研究?

榮少巍

（昆明船舶試驗研究中心 昆明 650051）

高頻水聲信號高速傳輸系統研究?

榮少巍

（昆明船舶試驗研究中心 昆明 650051）

在高頻水聲信號檢測及測量應用中，目前向著寬帶、尺度化方向發展，對300kHz以上的高頻水聲檢測、測量應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的實時、尺度化、多節點檢測的要求，設計了基于拖纜的高頻水聲信號高速傳輸系統。系統采用FPGA與HotlinkII通信芯片結合的通信系統，使用光纖及雙絞線為通信介質，通信速率可以達到150Mbps，采用高頻高精度AD∕DA進行信號采集輸出，實現了對高頻水聲信號進行采樣傳輸輸出一體的應用。通過多次測試試驗，本系統穩定可靠，具有良好的應用前景。

高速傳輸；高頻水聲；HotlinkII

1 引言

隨著水下航行器及水聲技術的發展，目前水下聲檢測向著寬帶、尺度化方向發展；尤其是需要對300kHz以上的高頻水聲檢測、測量應用的傳輸要求較高，通常的串行傳輸碼率需要超過150Mbps，這樣才能確保傳輸穩定可靠。為滿足寬帶高頻的聲信號的實時、尺度化、多節點檢測的要求，設計了基于拖纜的高頻聲信號傳輸系統。目前常用的高速傳輸系統通常采用雙絞線、同軸線及光纖，其中光纖的傳輸速率最高，傳輸距離遠，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距離較短，但使用靈活，適合短距離高速傳輸。

因此為了實現高頻水聲信號傳輸通信，本文提出了基于串行總線及光纖的高速信號傳輸系統。采用CYPRESS公司的HotlinkII通信芯片及FPGA聯合工作，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，因此系統的復雜性大大降低，系統的功耗、體積也得到了有效的控制，滿足在拖纜中進行高速數據傳輸的要求，具有較好的應用前景。

2 系統設計

本文提出的高速信號傳輸系統由HotlinkII通信芯片、FPGA、高速ADC、高速DAC、雙絞線匹配系統及光模塊組成。

CYPRESS公司的CYP15G0101DXB芯片是單路HotlinkII點對點高速雙工通信芯片，可在光纖、平衡或不平衡的銅傳輸線傳輸高速串行信號，最高碼率為1.5Gbps。發送時，給入并行信號，然后可選擇是否進行8B10B碼轉換，然后進行串并轉換，輸出串行信號。

采用HotlinkII通信芯片作為通信核心芯片可以減少FPGA的運算負荷，增加FPGA的工作穩定性，因為150Mbps通訊速率下，FPGA如果直接驅動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，芯片穩定性則會降低，因此采用并行輸入的通信芯片則可避免這一問題。

硬件方案設計：基于以上的要求我們需要設計一對通信電路，包括接收和發射，發射電路部分由采用FPGA、高速ADC及CYP15G0101DXB組成，用于接收控制信號及發送AD信號；接收電路部分將ADC換為DAC，用于發送控制信號及接收AD信號；通信鏈路采用雙絞線及光纖兩種通信鏈路。整個系統結構如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統采用EP4CE55 FPGA，為Altera公司研發的第四代主流FPGA，主要應用在高性價比和低功耗的場合。擁有55856邏輯單元，260個M9K存儲器模塊，2340kbit存儲資源，154個18X18乘法器，4個PLL鎖存器。可用于FFT、FIR等計算，ADC采集控制，DAC數據推送及控制。

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

系統的數據數據輸出使用高精度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聲信號的輸出，采用并口輸入。

3 通信接口設計

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行通信，使用JM10S光模塊進行通信，模塊上有收發兩個端口，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，供電采用3.3V供電。

通信時在發射端需將發射使能，此時接收端的信號則產生高電平信號。接口如圖2所示。

圖2 光收發器接口

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

在電路板端對雙絞線電纜進行阻抗匹配，由電纜匹配電阻、電纜偏置電阻及收發器輸入端匹配電阻組成的純阻性匹配網絡，雙絞線傳輸電纜可等效為電阻，為降低阻抗不連續導致的總線內信號反射，需匹配與電纜特性阻抗等值的終端電阻。傳輸網絡中大多數雙絞線電纜特性阻抗約為100歐～120歐。當傳輸距離小于1∕6倍的傳輸信號波長，則無需終端匹配。設脈沖信號的上升時間為T，則傳輸信號的波長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芯片之間會產生信號反射，引發信號干擾，在設計時需要將電路板導線長度減少并確保走線等長，使通信接口的電阻表現為單一電阻。

最終確定匹配電阻參數，使整段信號在總線上的負載降低，保證足夠的傳輸速率。

當傳輸速率較高時，傳輸電纜的寄生電容電阻乘積的時間常數對作用于不同通信碼會造成不同的時延，并在信號邊沿產生延遲抖動。并且在采用串行時，如果編碼中存在大量的連續數會使信號產生很大的直流電平偏移，HotlinkII芯片在接收信號時會得不到足夠的跳變信號而產生誤碼。因此為了改善傳輸時的通信信噪比，不僅需要對電纜進行阻抗匹配，也需要對編碼進行處理，減小直流電平偏移。

因此在編碼時采用8B10B編碼方式。8B10B編碼是將8位信號碼重新編碼為10位碼，這種方式的特點為編碼可確保在發送過程中“0”、“1”的數量基本等同，且連續數不超過5個，從而保證了通信時不發生直流偏移，且數據有足夠的變化。

8B10B編碼在本系統中有兩種實現方式，一是采用FPGA進行編碼，二是使用HotlinkII芯片直接編碼，本系統采用HotlinkII芯片直接編碼。

4 FPGA軟件設計

FPGA軟件由三部分組成：一、AD∕DA控制部分；二、數字信號處理部分；三、通信控制部分。三部分軟件的關系如圖3所示。

圖3 FPGA軟件組成關系

數字信號處理部分軟件設計：由于系統設計為實收實發的高速系統，因此需要保留完整的信號形式，因此在數據發送前或者接收后對數據進行128階的FIR濾波，確保信號相位為線性相位，濾波頻段為200k～800kHz。

AD∕DA控制部分軟件設計：由于原始聲信號頻率在300kHz至700kHz之間，因此ADC的采樣頻率設置為5MHz，以確保信號不失真。在DAC控制時，輸出頻率與ADC保持一致，也為5MHz。在接收ADC信號時，采用超頻率工作模式，即FPGA內部采用高于采樣頻率20倍的工作頻率，在一個采樣的脈沖內可以有20個FPGA產生的脈沖填入，這樣可以避免ADC轉換出的數據與FPGA輸入有時間差，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個填入脈沖中選取中間五個連續的脈沖檢測電平，如果有超過三個連續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計：首先在軟件啟動后，對HotlinkII芯片進行初始化，設置芯片工作于8B10B轉換模式及正常通信模式；然后輸出參考頻率；發送數據時將需要轉換的14bit數據轉換為16bit數據，然后拆分為兩組8bit數據輸出至通信芯片；接收數據接收經過8B10B還原后的數據，再拼接成一組16bit數據。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 調試結果

系統調試分為兩個部分：通信接口部分調試，系統整體調試。

在通信接口部分調試測試了光通信模塊的收發性能，經過測試，光模塊可正常接收發送由HotlinkII芯片發送的差分串行信號，HotlinkII也可接收解算光模塊輸出的信號。

然后著重測試了雙絞線的通信能力，由FPGA驅動HotlinkII芯片發出一組150Mbps的方波信號，在HotlinkII芯片接收端用示波器測試單端的信號，如圖5所示，可以看到信號在變換的邊沿有高頻信號在匹配網絡內產生反射波動，但是紋波的高度為信號幅值的1∕10，在通信過程中可以正確識別電平。

圖5 傳輸后的方波信號

最后對系統進行了整體調試，由信號源產生一組600kHz的信號，接入AD，經過采集濾波傳輸后通過DA輸出，由圖6所示，圖中下部的信號為輸入信號，上部信號為輸出信號。可以看到整個系統可以正確輸出正弦信號，系統功能正常。

圖6 采集及恢復后的波形信號

6 結語

研究了高頻水聲信號傳輸系統的組成及傳輸方案，高頻水聲信號傳輸系統特點設計了硬件系統，硬件系統包含了采樣、高速數據通信及輸出。研究了雙絞線及光纖通信的接口設計，設計了適合高速串行通信的匹配電阻網絡，降低了通信間的高頻反射，提高了高速通信的信噪比。

經過多次測試，系統功能完善可靠，實現了對高頻水聲信號的高速傳輸，具有較好的應用價值。

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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：電子電路設計、嵌入式系統等。