專利名稱：一種便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法
技術領域：
本發明涉及光纖水聽器信號相位解調領域，主要是一種便攜式多功能光纖水聽器信號 解調方法。
背景技術：
干涉型光纖水聽器是上個世紀70年代末開始發展的一種新型水聽器，和壓電陶瓷水 聽器相比，光纖水聽器具有靈敏度易調整、易陣列復用、基陣抗電磁干擾能力強、構成大 規模陣列元器件少等優點，因此，近年來光纖水聽器和陣列技術得到了快速發展。
信號解調是光纖水聽器及陣列研制及應用中的一個技術關鍵。由于聲信號是以相位調 制的方式調制在千涉型水聽器輸出信號中，因此，光纖水聽器輸出信號必須經過信號解調 才能用于聲信號處理。同時，信號解調方法還必須解決光纖水聽器相位衰落問題。
3X3耦合器解調和PGC復解調是兩種主要的光纖水聽器信號解調方法。PGC復解調算 法通過引入載波調制，使信號接收端可以通過濾波、混頻獲得聲壓調相信號的兩個正交項， 以有效解決相位衰落問題。3X3耦合器解調方案不需要載波信號調制，降低對采樣率的 要求，計算量小，近年來得到較快發展。目前進行光纖水聽器和光纖水聽器陣列研究時， 通常采用通用信號采集卡、信號源、PC搭建測試平臺，占地空間大，移動不方便，且平臺 搭建引入其他不確定因素可能增大，給研究帶來困難。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的缺點和不足，提供一種便攜式多功能光纖水聽器信號 解調方法，具有低功耗、低成本、便攜式和多功能的特點，為光纖水聽器及其陣列研究提
供一種可靠、便捷的工具。
為解決上述技術問題，本發明是提出以下技術方案實現的這種便攜式多功能光纖水 聽器信號解調方法，該方法步驟如下三路模擬輸入經過信號調理電路后接入A/D轉換模
塊，A/D轉換模塊和FPGA相連，四路D/A轉換模塊和FPGA相連，D/A轉換模塊輸出端連 接信號調理電路輸出模擬電壓信號，FPGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，FPGA 控制DSP的復位、啟動和程序加載；在FLASH存儲器內存儲3X3耦合器數字化解調算法 DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，FPGA根據用戶選擇加載到DSP，實現1路3X3 耦合器數字化解調或者三路PGC數字解調。 所述FPGA的控制程序步驟如下(1) 、復位寄存器；
(2) 、檢査外部UART連接，是否有新的參數設定，若有則存入FLASH參數區；
(3) 、從FLASH參數區讀取設置參數，初始化A/D控制模塊和D/A控制模塊，包括采 樣率和濾波器設置；
(4) 、當工作在PGC解調模式時，設置DDS模塊，設定載波數率，輸出載波信號復位、 加載DSP程序，啟動運行；
(5) 、將數字解調結果通過USB和以太網發給客戶端。
作為優選，選擇外部時鐘或者外部同步觸發工作模式，實現多個解調器同步，完成小 規模水聽器陣列解調。
作為優選，3X3耦合器數字化解調時，工作在低采樣率時可設為低功耗模式；PGC數 字解調時，由DDS模塊產生載波，載波頻率通過串口通信進行調節，載波頻率范圍為lKHz 40KHz，頻率分辨率為lHz。
作為優選，FPGA和DSP通過外部總線接口實現數據交換，采用FIFO進行數據緩沖，當 A/D模塊FIFO數據半滿時，FPGA將DMAR信號拉低，向DSP發起數據傳輸請求，DSP響應 DMAR請求，讀取數據完成解調，然后將數據送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網、USB 接口模塊FIFO中；在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數更新時，使用IRQ信號中斷DSP 程序，調制載波信號而不需要重新復位、加載DSP程序。
作為優選，3X3耦合器數字化解調方法步驟如下，其輸入信號可表示為-
尸2^D +五cosO) (1) 尸3 =D + ￡cosO +—
式中，D，五是和耦合有關的系數，p-A-^是傳感臂和信號臂的相位差，采用這
三個互成12(T的相位差，把p信號解調出來；
先把這三個信號相加，再把和乘以-1/3,可得到
=一""1,2,3 (2)p — (A: — l)一；r
把F與三個輸入信號相加，并設加法器的增益為^，可得到
t = l,2,3
(3)
再把&通過三個相同的微分器，設其增益為^"，則可得
3& 、<* 乂
"1,2,
(4)
然后，再選擇某個信號乘以另兩個信號的微分差，并設其增益為A^，可得
6 = 1,2,3 (5)
7縱=:|^""2五、冊2
再把K皿相加，設加法器增益為^，利用l]cos2
"1
4 =手4^442五>
=%，可得
(6)
用自動增益控制電路(AGC),并設加法器的增益為4，得到三個輸入信號的平方和;
(7)
^與^相除可得)/ = ^^^，設積分器增益為4，
可得
_ a/I^^」D
(8)
由此解調出了信號p
作為優選，PGC復解調算法方法步驟如下 光纖水聽器的輸出是一個余弦函數形式的電壓信號
F = J +萬cos(C cos(oc .0 + D cosh i) ++ -0 ) ( 9 )
其中，J為輸出信號直流分量，s為輸出信號的交流分量幅度，c為外加載波引起的
相移幅度，^為載波圓頻率，"為聲信號引起的相移幅度，"A為聲信號圓頻率，^"為外 界環境干擾引起的相移，^為參考臂和傳感臂的初始相位差，水聽器制作參數確立后，是
2 I 3
I一個常數；
令^ODodsK/) + A+^，對(9)進行Bessd函數展開，
F =爿+ 5{ [ /。 (C) + 2尤(-1) V2i (C) cos 2 ]cos
"1 (10) -2[尤(-1) ^ (C) cos(2A + 1H。 sin }
取(10)中^、2^項進行檢測，消除所包含的載波成分，得到eosp(O、 sinp(/)正交 分量；再由上述正交分量，求解^)，對^)經過高通濾波器后，得到聲信號"c一"http://)。
本發明的優點在于本專利提出，利用基于Nios II嵌入式軟核的S0PC技術，通過 FPGA控制數據采集、采樣率控制、選擇加載DSP程序，實現光纖水聽器信號3X3耦合器 數字化解調和PGC數字解調，開發低成本、便攜式、多功能的光纖水聽器信號解調器，為 光纖水聽器及其陣列研究提供一種可靠、便捷的工具。
圖l本發明的系統框圖2本發明FPGA內部結構圖3本發明的3X3耦合器解調算法對稱解調檢測框圖； 圖4本發明的PGC解調算法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細描述。
本發明的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法系統框圖如圖l所示。三路模擬輸入 經過信號調理電路后接入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊和FPGA相連，四路D/A轉換模塊和 FPGA相連，D/A轉換模塊輸出端連接信號調理電路輸出模擬電壓信號，FPGA芯片和DSP芯 片通過外部總線接口相連，FPGA通過IRQ、 DMAR、 FLAG信號和DSP進行握手，FPGA控制 DSP的復位、啟動和程序加載。
FPGA內部模塊如圖2所示，包括Nios II嵌入式軟核，Avalon總線，A/D轉換控制模 塊，D/A轉換控制模塊，DSP總線接口模塊，USB、 Ethernet、 UART總線接口模塊，DDS模 塊，Flash控制器模塊、SSRAM控制器模塊和通用1/0接口。各個模塊通過Avalon總線連 接在一起。
8所述的FPGA的外圍電路包括FLASH存儲器，SSRAM芯片，10M/100M以太網控制器， USB接口控制器，RS232電平轉換電路，時鐘同步電路和JTAG配置電路。FPGA的Nios II 嵌入式軟核控制程序有如下步驟
1) 復位寄存器
2) 檢査外部UART連接，是否有新的參數設定，若有則存入FLASH參數區
3) 從FLASH參數區讀取設置參數，初始化A/D控制模塊和D/A控制模塊，包括采樣 率和濾波器設置。
4) 當工作在PGC解調模式時，設置DDS模塊，設定載波數率，輸出載波信號。
5) 復位、加載DSP程序，啟動運行；
6) 將數字解調結果通過USB和以太網發給客戶端。
A/D控制模塊由初始化模塊、讀寫控制模塊和緩存模塊組成，控制模塊有如下步驟
1) 復位A/D轉換器
2) 寫控制寄存器2，啟動ADC和內部差分放大器，設定時鐘驅動比例
3) 寫控制寄存器l，設定輸出數率
4) 同步A/D轉換器
5) 等待A/D轉換完成
6) 依次讀取三路A/D的轉換數據，再回到5)
D/A控制器模塊包括緩存模塊和讀寫控制模塊，FIFO緩存模塊接收DSP傳來的解調結 果，讀寫控制模塊按照設定的轉換速率從FIFO中讀取數據，寫入到D/A轉換器中。
FPGA和DSP通過外部總線接口實現數據交換，采用FIFO進行數據緩沖，當A/D模塊 FIFO數據半滿時，FPGA將DMAR信號拉低，向DSP發起數據傳輸請求，DSP響應DMAR請求， 讀取數據完成解調，然后將數據送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網、USB接口模塊 FIF0中。在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數更新時，使用IRQ信號中斷DSP程序， 調制載波信號而不需要重新復位、加載DSP程序。
3X3耦合器數字化解調算法程序和PGC復解調算法程序存儲在FLASH中，啟動時FPGA 根據設置的參數選擇程序加載給DSP。
3X3耦合器數字化解調算法流程如圖3所示，其輸入信號可表示為.-<formula>formula see original document page 10</formula>(1)
式中，D， ￡是和耦合有關的系數，^ = %-^是傳感臂和信號臂的相位差。對稱解 調方案就是利用了這三個互成120°的相位差，把p信號解調出來。 為了消除D波動的影響，先把這三個信號相加，再把和乘以-1/3，可得到
<formula>formula see original document page 10</formula>
A: = 1,2,3 (2)
把r與三個輸入信號相加，并設加法器的增益為4，可得到
2
"1,2,3
(3)
再把&通過三個相同的微分器，設其增益為^5，則可得
/b = l,2,3
(4)
然后，再選擇某個信號乘以另兩個信號的微分差，并設其增益為4u，可得
r縱=ij""2￡>cos2
p-(A:-l) —;r
(5)
再把F皿相加，設加法器增益為4，利用^cos2
"1
=%，可得
(6)
為了消除￡2波動的影響，可用自動增益控制電路(agc)，并設加法器的增益為4，得到
三個輸入信號的平方和'
(7)
^與^相除可得7=
p，設積分器增益為4，可得(8)
由此解調出了信號p。
PGC復解調算法流程圖如圖4所示。
光纖水聽器的輸出是一個余弦函數形式的電壓信號
f7 = j + 5 cos(C cos(cyc i) + ￡) cos(c^./) + 0 + ^。) ( g)
其中，^為輸出信號直流分量，^為輸出信號的交流分量幅度，c為外加載波引起的 相移幅度，^為載波圓頻率，"為聲信號引起的相移幅度，"^為聲信號圓頻率，^"為外 界環境千擾引起的相移，^為參考臂和傳感臂的初始相位差，水聽器制作參數確立后，是 一個常數。
令^:^D(X)S(^V) + ^+^),對(9)進行Bessel函數展開， r = J +辨[J。 (C) + 2尤(—1) V2i (C)cos2A^/]cosp(/)
(10)
- 2[尤(-1)* /2*+1 (C) cos(2A + l) c。 sin
從(10)可看出，光電探測器輸出電壓包含了載波信號頻率的^階諧頻，其幅度與C 值的各階Bessel函數有關。聲信號信息為各階載波諧頻的邊帶成分。對"^^,)， sin^(0
進行Bessel函數展開，將得到聲信號頻率的各階諧頻成分，幅度與D值的各階Bessel函 數有關。環境噪聲為各階聲信號諧頻的邊帶成分。
在解調算法實現過程中，取(10)中^、2^項進行檢測。消除所包含的載波成分，得
到cx)s^0、 si，(')正交分量。再由上述正交分量，求解^")。由于外界環境引起的相位
變化屬于低頻信號，對^0經過高通濾波器后，得到聲信號D^s(^V)。
以上對本發明的描述不具有限制性，如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離 本發明權利要求的保護的情況，作出本發明的其它結構變形和實施方式，均屬于本發明的 保護范圍。
權利要求
1、一種便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于該方法步驟如下三路模擬輸入經過信號調理電路后接入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊和FPGA相連，四路D/A轉換模塊和FPGA相連，D/A轉換模塊輸出端連接信號調理電路輸出模擬電壓信號，FPGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，FPGA控制DSP的復位、啟動和程序加載；在FLASH存儲器內存儲3×3耦合器數字化解調算法DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，FPGA根據用戶選擇加載到DSP，實現1路3×3耦合器數字化解調或者三路PGC數字解調。
2、 根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于所 述FPGA的控制程序步驟如下(1) 、復位寄存器；(2) 、檢查外部UART連接，是否有新的參數設定，若有則存入FLASH參數區；(3) 、從FLASH參數區讀取設置參數，初始化A/D控制模塊和D/A控制模塊，包括采 樣率和濾波器設置；(4) 、當工作在PGC解調模式時，設置DDS模塊，設定載波數率，輸出載波信號復位、 加載DSP程序，啟動運行；(5) 、將數字解調結果通過USB和以太網發給客戶端。
3、 根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于選 擇外部時鐘或者外部同步觸發工作模式，實現多個解調器同步，完成小規模水聽器陣列解 調。
4、 根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于3X3耦合器數字化解調時，工作在低采樣率時可設為低功耗模式；PGC數字解調時，由DDS 模塊產生載波，載波頻率通過串口通信進行調節，載波頻率范圍為lKHz 40KHz，頻率分 辨率為lHz。
5、 根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于FPGA 和DSP通過外部總線接口實現數據交換，采用FIFO進行數據緩沖，當A/D模塊FIFO數據 半滿時，FPGA將DMAR信號拉低，向DSP發起數據傳輸請求，DSP響應DMAR請求，讀取數 據完成解調，然后將數據送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網、USB接口模塊FIFO中； 在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數更新時，使用IRQ信號中斷DSP程序，調制載波信號而不需要重新復位、加載DSP程序。
6、根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于3 X3耦合器數字化解調方法步驟如下，其輸入信號可表示為-<formula>formula see original document page 3</formula>式中，D，五是和耦合有關的系數，^ = %-^是傳感臂和信號臂的相位差，采用這三個互成12(T的相位差，把p信號解調出來；先把這三個信號相加，再把和乘以-1/3，可得到<formula>formula see original document page 3</formula>把r與三個輸入信號相加，并設加法器的增益為^，可得到(3)再把&通過三個相同的微分器，設其增益為^D，則可得 Q 、<formula>formula see original document page 3</formula>(4)然后，再選擇某個信號乘以另兩個信號的微分差，并設其增益為4v^，可得<formula>formula see original document page 3</formula>再把F皿相加，設加法器增益為^，利用t]cos2<formula>formula see original document page 3</formula>用自動增益控制電路(AGC)，并設加法器的增益為4，得到三個輸入信號的平方和;(7)<formula>formula see original document page 3</formula>^與^相除可得F^^^p，設積分器增益為4，可得 由此解調出了信號p
7、根據權利要求1所述的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，其特征在于PGC 復解調算法方法步驟如下光纖水聽器的輸出是一個余弦函數形式的電壓信號F =+ 5 cos(C cos(oc 乂) + D COS(fi^丄)+ + -0 ) ( g )其中，x為輸出信號直流分量，^為輸出信號的交流分量幅度，c為外加載波引起的 相移幅度，^為載波圓頻率，"為聲信號引起的相移幅度，"A為聲信號圓頻率，^"為外 界環境干擾引起的相移，^為參考臂和傳感臂的初始相位差，水聽器制作參數確立后，是 一個常數；令^(^Z)cos(GV) + A+A，對(9)進行Bessel函數展開，F = " B([/。(C) + 2^(-1) (C)cos2/b^〗cos禍二 (10) - 2[t ; (C) cos(2A +1)^] sin取(10)中^、2^項進行檢測，消除所包含的載波成分，得到②sp(/)、 sin^0正交 分量；再由上述正交分量，求解W《對^0經過高通濾波器后，得到聲信號DeGS(6^)。
全文摘要
本發明涉及一種便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法，該方法步驟如下三路模擬輸入經過信號調理電路后接入A/D轉換模塊，A/D轉換模塊和FPGA相連，四路D/A轉換模塊和FPGA相連，D/A轉換模塊輸出端連接信號調理電路輸出模擬電壓信號，FPGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，FPGA控制DSP的復位、啟動和程序加載；在FLASH存儲器內存儲3×3耦合器數字化解調算法DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，FPGA根據用戶選擇加載到DSP，實現1路3×3耦合器數字化解調或者三路PGC數字解調。本發明有益的效果具有低功耗、低成本、便攜式和多功能的特點，為光纖水聽器及其陣列研究提供一種可靠、便捷的工具。
文檔編號H03D3/06GK101615888SQ20091010083
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月14日 優先權日2009年7月14日
發明者張自麗, 葛輝良, 勇 謝 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所