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(fā)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(fā)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(guī)模陣列元器件少等優(yōu)點，因此，近年來光纖水聽器和陣列技術得到了快速發(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)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(fā)明是提出以下技術方案實現(xiàn)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(jīng)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，F(xiàn)PGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，F(xiàn)PGA 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(shù)字化解調算法 DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，F(xiàn)PGA根據(jù)用戶選擇加載到DSP，實現(xiàn)1路3X3 耦合器數(shù)字化解調或者三路PGC數(shù)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(shù)設定，若有則存入FLASH參數(shù)區(qū)；
(3) 、從FLASH參數(shù)區(qū)讀取設置參數(shù)，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(shù)率，輸出載波信號復位、 加載DSP程序，啟動運行；
(5) 、將數(shù)字解調結果通過USB和以太網(wǎng)發(fā)給客戶端。
作為優(yōu)選，選擇外部時鐘或者外部同步觸發(fā)工作模式，實現(xiàn)多個解調器同步，完成小 規(guī)模水聽器陣列解調。
作為優(yōu)選，3X3耦合器數(shù)字化解調時，工作在低采樣率時可設為低功耗模式；PGC數(shù) 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(jié)，載波頻率范圍為lKHz 40KHz，頻率分辨率為lHz。
作為優(yōu)選，F(xiàn)PGA和DSP通過外部總線接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用FIFO進行數(shù)據(jù)緩沖，當 A/D模塊FIFO數(shù)據(jù)半滿時，F(xiàn)PGA將DMAR信號拉低，向DSP發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求，DSP響應 DMAR請求，讀取數(shù)據(jù)完成解調，然后將數(shù)據(jù)送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網(wǎng)、USB 接口模塊FIFO中；在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數(shù)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(yōu)選，3X3耦合器數(shù)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(shù)，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(yōu)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(shù)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(huán)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(shù)確立后，是
2 I 3
I一個常數(shù)；
令^ODodsK/) + A+^，對(9)進行Bessd函數(shù)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(jīng)過高通濾波器后，得到聲信號"c一"http://)。
本發(fā)明的優(yōu)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(shù)據(jù)采集、采樣率控制、選擇加載DSP程序，實現(xiàn)光纖水聽器信號3X3耦合器 數(shù)字化解調和PGC數(shù)字解調，開發(fā)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(fā)明的系統(tǒng)框圖2本發(fā)明FPGA內部結構圖3本發(fā)明的3X3耦合器解調算法對稱解調檢測框圖； 圖4本發(fā)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(fā)明作進一步詳細描述。
本發(fā)明的便攜式多功能光纖水聽器信號解調方法系統(tǒng)框圖如圖l所示。三路模擬輸入 經(jīng)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，F(xiàn)PGA芯片和DSP芯 片通過外部總線接口相連，F(xiàn)PGA通過IRQ、 DMAR、 FLAG信號和DSP進行握手，F(xiàn)PGA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，F(xiàn)lash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(wǎng)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(shù)設定，若有則存入FLASH參數(shù)區(qū)
3) 從FLASH參數(shù)區(qū)讀取設置參數(shù)，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(shù)率，輸出載波信號。
5) 復位、加載DSP程序，啟動運行；
6) 將數(shù)字解調結果通過USB和以太網(wǎng)發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)，再回到5)
D/A控制器模塊包括緩存模塊和讀寫控制模塊，F(xiàn)IFO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(shù)據(jù)，寫入到D/A轉換器中。
FPGA和DSP通過外部總線接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用FIFO進行數(shù)據(jù)緩沖，當A/D模塊 FIFO數(shù)據(jù)半滿時，F(xiàn)PGA將DMAR信號拉低，向DSP發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求，DSP響應DMAR請求， 讀取數(shù)據(jù)完成解調，然后將數(shù)據(jù)送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網(wǎng)、USB接口模塊 FIF0中。在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數(shù)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(shù)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(jù)設置的參數(shù)選擇程序加載給DSP。
3X3耦合器數(shù)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(shù)，^ = %-^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(shù)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(huán)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(shù)確立后，是 一個常數(shù)。
令^:^D(X)S(^V) + ^+^),對(9)進行Bessel函數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)有關。環(huán)境噪聲為各階聲信號諧頻的邊帶成分。
在解調算法實現(xiàn)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(huán)境引起的相位
變化屬于低頻信號，對^0經(jīng)過高通濾波器后，得到聲信號D^s(^V)。
以上對本發(fā)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(fā)明權利要求的保護的情況，作出本發(fā)明的其它結構變形和實施方式，均屬于本發(fā)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(jīng)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，F(xiàn)PGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，F(xiàn)PGA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(shù)字化解調算法DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，F(xiàn)PGA根據(jù)用戶選擇加載到DSP，實現(xiàn)1路3×3耦合器數(shù)字化解調或者三路PGC數(shù)字解調。
2、 根據(jù)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(shù)設定，若有則存入FLASH參數(shù)區(qū)；(3) 、從FLASH參數(shù)區(qū)讀取設置參數(shù)，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(shù)率，輸出載波信號復位、 加載DSP程序，啟動運行；(5) 、將數(shù)字解調結果通過USB和以太網(wǎng)發(fā)給客戶端。
3、 根據(jù)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(fā)工作模式，實現(xiàn)多個解調器同步，完成小規(guī)模水聽器陣列解 調。
4、 根據(jù)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(shù)字化解調時，工作在低采樣率時可設為低功耗模式；PGC數(shù)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(jié)，載波頻率范圍為lKHz 40KHz，頻率分 辨率為lHz。
5、 根據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)交換，采用FIFO進行數(shù)據(jù)緩沖，當A/D模塊FIFO數(shù)據(jù) 半滿時，F(xiàn)PGA將DMAR信號拉低，向DSP發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸請求，DSP響應DMAR請求，讀取數(shù) 據(jù)完成解調，然后將數(shù)據(jù)送往FPGA內D/A轉換模塊FIFO和以太網(wǎng)、USB接口模塊FIFO中； 在PGC模式下，當FPGA檢測到載波參數(shù)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(jù)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(shù)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(shù)，^ = %-^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(jù)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(shù)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(huán)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(shù)確立后，是 一個常數(shù)；令^(^Z)cos(GV) + A+A，對(9)進行Bessel函數(shù)展開，F(xiàn) = " 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(jīng)過高通濾波器后，得到聲信號DeGS(6^)。
全文摘要
本發(fā)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(jīng)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，F(xiàn)PGA芯片和DSP芯片通過外部總線接口相連，F(xiàn)PGA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(shù)字化解調算法DSP程序和PGC正交復解調算法DSP程序，F(xiàn)PGA根據(jù)用戶選擇加載到DSP，實現(xiàn)1路3×3耦合器數(shù)字化解調或者三路PGC數(shù)字解調。本發(fā)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(yōu)先權日2009年7月14日
發(fā)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