高频水声信号高速传输系统研究∗

荣少巍

（昆明船舶试验研究中心 昆明 650051）

高频水声信号高速传输系统研究∗

荣少巍

（昆明船舶试验研究中心 昆明 650051）

在高频水声信号检测及测量应用中，目前向着宽带、尺度化方向发展，对300kHz以上的高频水声检测、测量应用中的通信传输要求较高，通常的串行传输码率需要超过150Mbps。为满足宽带高频的声信号的实时、尺度化、多节点检测的要求，设计了基于拖缆的高频水声信号高速传输系统。系统采用FPGA与HotlinkII通信芯片结合的通信系统，使用光纤及双绞线为通信介质，通信速率可以达到150Mbps，采用高频高精度AD∕DA进行信号采集输出，实现了对高频水声信号进行采样传输输出一体的应用。通过多次测试试验，本系统稳定可靠，具有良好的应用前景。

高速传输；高频水声；HotlinkII

1 引言

随着水下航行器及水声技术的发展，目前水下声检测向着宽带、尺度化方向发展；尤其是需要对300kHz以上的高频水声检测、测量应用的传输要求较高，通常的串行传输码率需要超过150Mbps，这样才能确保传输稳定可靠。为满足宽带高频的声信号的实时、尺度化、多节点检测的要求，设计了基于拖缆的高频声信号传输系统。目前常用的高速传输系统通常采用双绞线、同轴线及光纤，其中光纤的传输速率最高，传输距离远，但是光纤在使用过程中有弯曲半径的要求；双绞线、同轴线在高速传输时距离较短，但使用灵活，适合短距离高速传输。

因此为了实现高频水声信号传输通信，本文提出了基于串行总线及光纤的高速信号传输系统。采用CYPRESS公司的HotlinkII通信芯片及FPGA联合工作，单片的HotlinkII芯片具有双工通信，最高传输速度为1.5Gbps，可接入双绞线及光纤，因此系统的复杂性大大降低，系统的功耗、体积也得到了有效的控制，满足在拖缆中进行高速数据传输的要求，具有较好的应用前景。

2 系统设计

本文提出的高速信号传输系统由HotlinkII通信芯片、FPGA、高速ADC、高速DAC、双绞线匹配系统及光模块组成。

CYPRESS公司的CYP15G0101DXB芯片是单路HotlinkII点对点高速双工通信芯片，可在光纤、平衡或不平衡的铜传输线传输高速串行信号，最高码率为1.5Gbps。发送时，给入并行信号，然后可选择是否进行8B10B码转换，然后进行串并转换，输出串行信号。

采用HotlinkII通信芯片作为通信核心芯片可以减少FPGA的运算负荷，增加FPGA的工作稳定性，因为150Mbps通讯速率下，FPGA如果直接驱动光模块或者串行通信芯片，工作主频需要工作在超过300MHz的状态下，目前的中端以下的FPGA工作频率的极限一般为300MHz，若高于这一频率，芯片稳定性则会降低，因此采用并行输入的通信芯片则可避免这一问题。

硬件方案设计：基于以上的要求我们需要设计一对通信电路，包括接收和发射，发射电路部分由采用FPGA、高速ADC及CYP15G0101DXB组成，用于接收控制信号及发送AD信号；接收电路部分将ADC换为DAC，用于发送控制信号及接收AD信号；通信链路采用双绞线及光纤两种通信链路。整个系统结构如图1所示。

图1 系统框图

系统采用EP4CE55 FPGA，为Altera公司研发的第四代主流FPGA，主要应用在高性价比和低功耗的场合。拥有55856逻辑单元，260个M9K存储器模块，2340kbit存储资源，154个18X18乘法器，4个PLL锁存器。可用于FFT、FIR等计算，ADC采集控制，DAC数据推送及控制。

系统的采集部分设计为高速高精度的ADC，采用ADI公司的AD9240，采样精度14bit，最高转换速率10MSPS，单5V供电，输出接口采用并行输出。可在5MSPS速率下稳定采样，可满足700kHz声信号的采样，而且并行接口可降低FPGA的最高工作频率，使得系统的稳定性得到增强。

系统的数据数据输出使用高精度DAC，采用ADI公司的 AD5445，CMOS工艺，输出精度 12bit，最大采样率为20MSPS，最大输出带宽为10MHz，可满足700kHz声信号的输出，采用并口输入。

3 通信接口设计

通信接口采用双通信模式：光纤及双绞线传输。光纤采用单模单纤进行通信，使用JM10S光模块进行通信，模块上有收发两个端口，最大传输速率为6.25Gbps，接收及输出的端口均采用差分电信号，供电采用3.3V供电。

通信时在发射端需将发射使能，此时接收端的信号则产生高电平信号。接口如图2所示。

图2 光收发器接口

高速数字通信中电缆的特征阻抗、电缆长度及电缆结构会对数字信号传输速率造成影响。通信电缆的分布电容和分布电感会会使得数字信号的边沿速度降低，从而使得噪声裕量降低，增大信号的误码率，电缆的分布电阻直接将信号电平的衰减，使得通信芯片无法检测通信信号的幅值。电缆长度则与电缆直流环路阻抗与终端阻抗的分压相关，电缆长度、最大传输速率和传输信号的抖动有关。如果采用带屏蔽的单芯电缆可抑制噪声，但是这种结构在数字信号传输时平衡特性不好，电缆制作成本较高，所以，在采用差分平衡性较好的双绞线。

在电路板端对双绞线电缆进行阻抗匹配，由电缆匹配电阻、电缆偏置电阻及收发器输入端匹配电阻组成的纯阻性匹配网络，双绞线传输电缆可等效为电阻，为降低阻抗不连续导致的总线内信号反射，需匹配与电缆特性阻抗等值的终端电阻。传输网络中大多数双绞线电缆特性阻抗约为100欧～120欧。当传输距离小于1∕6倍的传输信号波长，则无需终端匹配。设脉冲信号的上升时间为T，则传输信号的波长K为：

K=cT∕0.56 （1）

其中在式中c为电磁波传播速率。输入端匹配电阻与HotlinkII芯片之间会产生信号反射，引发信号干扰，在设计时需要将电路板导线长度减少并确保走线等长，使通信接口的电阻表现为单一电阻。

最终确定匹配电阻参数，使整段信号在总线上的负载降低，保证足够的传输速率。

当传输速率较高时，传输电缆的寄生电容电阻乘积的时间常数对作用于不同通信码会造成不同的时延，并在信号边沿产生延迟抖动。并且在采用串行时，如果编码中存在大量的连续数会使信号产生很大的直流电平偏移，HotlinkII芯片在接收信号时会得不到足够的跳变信号而产生误码。因此为了改善传输时的通信信噪比，不仅需要对电缆进行阻抗匹配，也需要对编码进行处理，减小直流电平偏移。

因此在编码时采用8B10B编码方式。8B10B编码是将8位信号码重新编码为10位码，这种方式的特点为编码可确保在发送过程中“0”、“1”的数量基本等同，且连续数不超过5个，从而保证了通信时不发生直流偏移，且数据有足够的变化。

8B10B编码在本系统中有两种实现方式，一是采用FPGA进行编码，二是使用HotlinkII芯片直接编码，本系统采用HotlinkII芯片直接编码。

4 FPGA软件设计

FPGA软件由三部分组成：一、AD∕DA控制部分；二、数字信号处理部分；三、通信控制部分。三部分软件的关系如图3所示。

图3 FPGA软件组成关系

数字信号处理部分软件设计：由于系统设计为实收实发的高速系统，因此需要保留完整的信号形式，因此在数据发送前或者接收后对数据进行128阶的FIR滤波，确保信号相位为线性相位，滤波频段为200k～800kHz。

AD∕DA控制部分软件设计：由于原始声信号频率在300kHz至700kHz之间，因此ADC的采样频率设置为5MHz，以确保信号不失真。在DAC控制时，输出频率与ADC保持一致，也为5MHz。在接收ADC信号时，采用超频率工作模式，即FPGA内部采用高于采样频率20倍的工作频率，在一个采样的脉冲内可以有20个FPGA产生的脉冲填入，这样可以避免ADC转换出的数据与FPGA输入有时间差，码间不同步，造成误码的问题，如图4所示。具体工作原理为在20个填入脉冲中选取中间五个连续的脉冲检测电平，如果有超过三个连续脉冲的值为同一电平，则该位为此电平值。

图4 超频率工作模式

通信控制部分软件设计：首先在软件启动后，对HotlinkII芯片进行初始化，设置芯片工作于8B10B转换模式及正常通信模式；然后输出参考频率；发送数据时将需要转换的14bit数据转换为16bit数据，然后拆分为两组8bit数据输出至通信芯片；接收数据接收经过8B10B还原后的数据，再拼接成一组16bit数据。在通信过程中同样采用了采用超频率工作模式，以确保通信正常，减少通信过程中的误码率。

5 调试结果

系统调试分为两个部分：通信接口部分调试，系统整体调试。

在通信接口部分调试测试了光通信模块的收发性能，经过测试，光模块可正常接收发送由HotlinkII芯片发送的差分串行信号，HotlinkII也可接收解算光模块输出的信号。

然后着重测试了双绞线的通信能力，由FPGA驱动HotlinkII芯片发出一组150Mbps的方波信号，在HotlinkII芯片接收端用示波器测试单端的信号，如图5所示，可以看到信号在变换的边沿有高频信号在匹配网络内产生反射波动，但是纹波的高度为信号幅值的1∕10，在通信过程中可以正确识别电平。

图5 传输后的方波信号

最后对系统进行了整体调试，由信号源产生一组600kHz的信号，接入AD，经过采集滤波传输后通过DA输出，由图6所示，图中下部的信号为输入信号，上部信号为输出信号。可以看到整个系统可以正确输出正弦信号，系统功能正常。

图6 采集及恢复后的波形信号

6 结语

研究了高频水声信号传输系统的组成及传输方案，高频水声信号传输系统特点设计了硬件系统，硬件系统包含了采样、高速数据通信及输出。研究了双绞线及光纤通信的接口设计，设计了适合高速串行通信的匹配电阻网络，降低了通信间的高频反射，提高了高速通信的信噪比。

经过多次测试，系统功能完善可靠，实现了对高频水声信号的高速传输，具有较好的应用价值。

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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

荣少巍，男，硕士研究生，工程师，研究方向：电子电路设计、嵌入式系统等。