XCTD剖面儀數據傳輸電路的設計與實現

賈志成，于曉山，尼建軍，李永軍，陳雷

（1.河北工業(yè)大學信息工程學院，天津300401；2.海軍司令部航海保證部，天津300042；3.國家海洋技術中心，天津300112；4.天津商業(yè)大學信息工程學院，天津300134）

XCTD剖面儀數據傳輸電路的設計與實現

賈志成1，于曉山1，尼建軍2，李永軍3，陳雷4

（1.河北工業(yè)大學信息工程學院，天津300401；2.海軍司令部航海保證部，天津300042；3.國家海洋技術中心，天津300112；4.天津商業(yè)大學信息工程學院，天津300134）

針對XCTD(投棄式溫鹽深)剖面儀數據傳輸速率低、可靠性差的缺點，提出基于曼徹斯特編碼的基帶傳輸技術。在系統(tǒng)結構設計的基礎上，著重討論了基于FPGA的曼徹斯特編碼器、位定時提取電路和自動增益控制電路的設計。通過測試表明，編碼后的系統(tǒng)不僅可以使用基帶信號直接傳輸，而且能夠滿足系統(tǒng)的通信速率要求。

XCTD；曼徹斯特碼；自動增益控制；全數字鎖相環(huán)

1 引言

XCTD是投棄式（Expendable）電導率（Conductivity）、溫度（Temperature）深度（Depth）剖面儀的簡稱，是國外近年研制并得到快速發(fā)展的一種先進的海洋測量設備。在海洋科學研究、海洋經濟、國防建設等諸多方面都有非常重要的意義。XCTD由投棄式測量探頭、傳輸導線、數據接收裝置、實時數據處理軟件四部分組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 XCTD剖面儀結構

XCTD測量探頭為一次性使用，由位于甲板上的發(fā)射裝置發(fā)射入水，入水后探頭中的溫度、電導率傳感器即開始測量，隨著測量探頭在水中的下沉（速度約3～5 m/s），探頭內部的數據采集器實時完成溫度和電導率的采集、處理，并以數字信號形式通過直徑為0.1 mm的傳輸線同步傳輸到船上接收裝置。探頭入水的同時數據處理軟件開始計算探頭入水深度，并對溫度、電導率數據進行合理的對應、平滑、平均、滯后修正等處理，實時獲取溫鹽深剖面數據，繪制溫鹽剖面曲線[1]。可見，系統(tǒng)水下探頭與測量船上數據接收板之間的數據傳輸性能的優(yōu)劣至關重要，數據傳輸電路是船用投棄式溫鹽深剖面儀的重要組成部分。

系統(tǒng)有線信道是3 000 m長、直徑約0.1 mm的兩條漆包線，繞成兩個線軸分別安裝在水下探頭和船上發(fā)射裝置內部。由于線徑很細，當探頭下落時，線軸能夠自由展開，而不影響到探頭的下降速度。針對這種特殊的信道，傳統(tǒng)方法采用頻帶傳輸技術，系統(tǒng)由分立元器件和小規(guī)模集成電路構成，因而信息速率低，且靈活性差。本文提出一種基于現場可編程門陣列FPGA的基帶傳輸系統(tǒng)，可以提高信息傳輸速率，并具有很大的靈活性和實用性。

2 信道和方案分析

在靜態(tài)條件下測量傳輸線開路電感246 mH，開路電容66.4 nF，短路電阻13.7 kΩ。隨著線圈的展開，這些分布電容和等效電感會發(fā)生很大變化。在線軸未展開的情況下，輸入峰峰值為5 V的正弦波，信道的幅頻響應特性如圖2所示。試驗證明，該有線信道在頻率大于150 Hz以后，隨著信號頻率的提高，信號幅度將迅速衰減，此通信信道是典型的帶限和非線性變參信道，對于數據傳輸非常不利。

圖2 信道的幅頻特性

水下數據采集系統(tǒng)的原始數據是單極性的非歸零碼（NRZ），直接傳輸不僅會造成嚴重的波型畸變以致無法接收，而且信號頻譜中不含有定時分量，使位時鐘恢復困難。頻帶傳輸是一種常用的數字信號傳輸方式，但是工作頻段高，信道衰減嚴重，傳信率和誤碼率指標較低，不能滿足系統(tǒng)要求。因此為了提高信息傳輸速率，并考慮到在接收端提取時鐘方便，采用基于曼徹斯特碼的基帶傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 XCTD剖面儀基帶傳輸系統(tǒng)結構

曼徹斯特碼又稱為數字雙相碼，其功率譜中無直流分量，且低頻和高頻分量較小，適合在此信道中傳輸。波形在每一位碼元中間都有跳變，因此具有豐富的定時信息，在接收端利用簡單的非線性變換后即可提取位時鐘[2]。

3 系統(tǒng)設計

3.1 發(fā)送端電路設計

由于曼徹斯特碼譯碼有時候會出現相位不確定的問題，所以在編碼之前需要對原信碼進行差分編碼，根據差分編碼的原理，di=ai+di-1，ai是絕對碼，di是相對碼,di-1為相對碼延時一個碼元周期。曼徹斯特碼的編碼規(guī)則是：將輸入的二進制符號“0”編碼為一對比特“10”，又將二進制符號“1”編碼為一對比特“01”。可以用單極性非歸零碼與定時信號的模二和來產生，即：man=di+CPi，man是曼徹斯特碼，同步定時信號CPi的碼速率為基帶碼速率的2倍。用Verilog HDL語言編寫基帶編碼器代碼，通過ISE9.1i軟件觀察其RTL級示意圖，如圖4所示。

圖4 編碼器RTL級示意圖

FPGA輸出的曼徹斯特碼實際是單極性碼，可以通過一個發(fā)送濾波器濾除其直流分量，變?yōu)殡p極性。發(fā)送濾波器的另一個重要作用就是波形形成。如果直接用矩形脈沖作為傳輸碼，由于矩形脈沖的頻譜很寬，而如圖2所示信道的可用頻帶有限，會對信號造成嚴重的失真。因此需要設計發(fā)送濾波器和接收濾波器共同來補償整個傳輸系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，使其傳輸特性接近基帶無失真?zhèn)鬏敆l件，即理想低通特性。

3.2 接收端電路設計

3.2.1 自動增益控制

隨著探頭的下降，導線自然展開，因此信道特性是時變的。經過大量實驗證明，隨著線的展開，信號的衰減量呈現出減小的趨勢。當傳輸1200 Hz信號時，輸出端信號的動態(tài)范圍達到20 db，所以為了保證后續(xù)電路的正常工作，線上信號經過接收濾波器濾除噪聲后，需要增加自動增益控制電路，使輸出電平保持在一定的范圍內。

本文使用性價比很高的集成電路SA571，實現自動增益控制電路。實際電路如圖5所示。

圖5 自動增益控制電路

此電路分為兩部分，第一部分是精密小信號差分放大器AD620，對接收到的微弱信號進行初步放大，達到后續(xù)電路對輸入信號的要求，并可以濾除共模噪聲。第二部分是由SA571組成的自動增益控制電路，對AD620放大后的信號進行自動增益控制。當輸入信號在20 db范圍內變化時，輸出信號的電平保持在±1 db范圍內,峰峰值約為2 V,滿足系統(tǒng)要求。

3.2.2 位定時提取電路

自動增益控制后的信號經過碼元再生電路，恢復出NRZ數字信號后譯碼。譯碼的關鍵是恢復出同步定時信號，曼徹斯特碼含有豐富定時信息，可利用電平的正、負跳變提取定時，但是它所提取的時鐘頻率是符號速率的2倍，再由它分頻得到定時信號[2]。位定時信號是由基于FPGA的全數字鎖相環(huán)提取的。全數字鎖相環(huán)的組成可分為3部分：數字鑒相器（DPD）、數字環(huán)路濾波器（DLF）和數控振蕩器（DCO）。其工作原理框圖如圖6所示。

鑒相器采用超前—滯后鑒相器（LL-DPD），它的輸入是單極性非歸零信號，輸出的超前—滯后脈沖經環(huán)路濾波器的過濾后輸出“加”脈沖指令或“扣”脈沖指令。超前-滯后鑒相器通常有兩種實現方式：微分型和積分型，積分型LL-DPD具有優(yōu)良的抗干擾性能，而它的結構和硬件實現都比較復雜。微分型LL-DPD雖然抗干擾能力不如積分型LL—DPD，但是結構簡單，硬件實現比較容易。本文采用微分型LLDPD，將環(huán)路抗噪聲干擾的任務交給DLF模塊負責。

圖6 全數字鎖相環(huán)原理圖

環(huán)路濾波器的作用在于提高環(huán)路相位校正的準確性，因為輸入信號在信道傳輸過程中，受到了噪聲的干擾。環(huán)路出現誤控和漏控的可能性較大，尤其是在輸入信噪比很低的時候。為此，首先將鑒相器輸出的超前或滯后脈沖經過環(huán)路濾波器過濾后再加到相位控制器上，這樣就可以大大地減少噪聲對環(huán)路的干擾。雖然采用環(huán)路濾波器提高了相位校正的準確性，與此同時，因為環(huán)路濾波器是用寄存器進行累計計數，輸入N個脈沖才輸出一個控制指令脈沖，這必然使環(huán)路的鎖定過程或同步建立時間加長。因此，減小同步誤差與減小同步建立時間兩者相互矛盾。

DCO由本地信號時鐘、相位控制器和分頻器構成。頻率穩(wěn)定的本地信號時鐘輸出頻率為F的脈沖序列，在未經控制的情況下，該序列經M次分頻后得到頻率為f0的方波信號。M分頻器的輸出信號與輸入的二進制數字信號通過鑒相器進行相位比較。鑒相器輸出表征輸入信號是超前還是滯后于DCO輸出同步信號的超前脈沖或滯后脈沖。再經環(huán)路濾波器后變?yōu)椤凹印泵}沖指令或“扣”脈沖指令，去控制本地信號時鐘脈沖序列“加”入一個脈沖或“扣”除一個脈沖，從而改變分頻器輸出的脈沖信號相位。經環(huán)路的反復調整，就可以得到較為準確的同步信號[3]。

從LL-DPLL得到的同步時鐘CP1頻率是信號速率的2倍，再由它分頻得到的定時信號CP2必定存在相位的不確定問題。這可以靠后面的差分譯碼得以解決。由于鎖相環(huán)存在相位誤差和同步建立時間，所以當NRZ碼與CP1做模二加的時候，會出現毛刺。因此，在做模二加之前用同步時鐘信號的上升沿對NRZ信號采樣得到an,差分碼。對差分碼dn進行差分譯碼，譯碼后恢復出的原信碼，其中dn-1為dn通過時鐘信號CP1延時一個碼元周期后的信號。

4 仿真與實現

FPGA(Field Programmable Gate Array,即現場可編程門陣列)具有性能好、規(guī)模大、可重復編程、開發(fā)投資小等優(yōu)點[4]。本設計中基帶編譯碼器均采用XILINX公司的EDA軟件ISE9.1進行設計，并在Spartan3E系列的FPGA芯片XC3S100E上實現。為了仿真實驗方便,基帶數據輸入采用四級偽隨機碼電路——從ISE器件庫中調用4個D觸發(fā)器、2個異或門和一個四或非門。利用ModelSim SE PLUS 6.2b對編譯碼電路進行仿真，仿真波形如圖7所示。圖7中ai表示四級偽隨機碼電路數據輸出，di表示四級偽隨機碼電路數據輸入在同步時鐘的作用下差分編碼輸出,man表示由CPi和di產生的差分曼徹斯特碼,CP1為鎖相環(huán)提取的同步時鐘，an表示man信號經過CP1采樣后的信號，dn表示曼徹斯特解碼后的差分信號，bn表示差分譯碼后得到的絕對碼。

圖7基帶編譯碼電路的ModelSim仿真波形

圖7 的仿真結果表明：基帶編譯碼器均可正確完成各自功能。從圖中可以看出鎖相環(huán)開始時輸出的同步時鐘信號CP1超前于man信號，經過環(huán)路的逐步調整，最近達到相位的鎖定，譯碼輸出bn延時約1 ms后與ai一致,實現正確地譯碼。然后將生成的配置文件通過集成開發(fā)環(huán)境配置到FPGA中進行實際測試。將bn引腳電平通過Max232芯片轉換成RS-232電平后與PC機串口相連，在3 000 m漆包線逐漸展開的過程中用串口軟件監(jiān)測解調電路輸出,實測結果完全正確,達到了設計要求。

5 結語

本文針對XCTD剖面儀的信道特征，采取基于FPGA的曼徹斯特碼基帶傳輸技術，提高了通信速率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且降低了電路復雜程度，減小了電路面積。該電路在目前的實際測試中，信息速率為1 200 bit/s,誤碼率小于0.01%，完全可以滿足整個數據采集系統(tǒng)的要求。

[1]武玉華.XCTD定標方法研究[J].海洋技術，2007，26(2)：14-16.

[2]周炯槃，龐沁華，續(xù)大我，吳偉陵.通信原理[M].北京：北京郵電大學出版社，2005.

[3]胡華春，石玉.數字鎖相環(huán)原理與應用[M].上海：上海科技出版社，1990.

[4]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FGPA/CPLD設計指南[M].北京：人民郵電出版社,2007.

Abstract：Aiming at low data transmission rate and reliability of the XCTD(Expendable Conductivity,Temperature and Depth)Profiler,baseband transmission technology based on Manchester code is proposed.Based on system structure design,the emphasis is to discuss the design of Manchester coder and bit synchronization extraction circuit and AGC circuit.The test result shows that the system after coding can make baseband signal transmit directly and meet the requirement of communication rate.

Key words:XCTD;Manchester code;automatic gain control;all digital phase-locked loop

Design and Realization of Data Transmission Circuit for XCTD Profiler

JIA Zhi-cheng1,YU Xiao-shan1,NI Jian-jun2，LI Yong-jun3,CHEN Lei4

（1.College of Information Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.The Navigation Guarantee Department of Chinese Navy Headquarters,Tianjin,300042,China;3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China;4.College of Information Engineering,Tianjin University of Commerce,Tianjin 300134,China）

TP76

B

1003-2029（2010）02-0001-04

2010-02-18

國家高技術研究發(fā)展計劃（863）資助項目（2006AA09Z131）

賈志成（1957-），男，教授。主要研究方向：現代通信，遙測遙控，最佳信號設計；于曉山（1984-）男，碩士研究生。主要研究方向：數字通信，電子測量。