基于FPGA的水聽器數字前放設計*

朱明駿

(海軍駐昆明軍事代表辦事處 昆明 650051)

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基于FPGA的水聽器數字前放設計*

朱明駿

(海軍駐昆明軍事代表辦事處 昆明 650051)

結合某水下聲學系統水聽器數字式前置放大器的設計實例,介紹了一種基于FPGA的帶有頻率均衡的數字式前置放大器設計。

FPGA; FIR濾波器; 前置放大器

Class Number TN912

1 引言

前置放大器,一般為設置在系統前級對小信號進行放大的設備。水下聲學系統中常常涉及小信號的采集和處理。水下聲學系統水聽器的小信號在傳輸過程中衰減大、抗干擾能力差,不利于傳輸和后級處理。通過對水聽器小信號進行放大和數字化處理,可以有效的解決信號在傳輸過程中遇到的衰減和干擾問題。數字式前置放大器因此廣泛應用于水下聲學系統中[1]。

數字放大器較模擬放大器具有抗干擾能力強、傳輸過程中衰減小的優點,被廣泛用于小信號的放大領域。同時由于數字放大器使用數字信號進行傳輸,便于將多個前放節點掛在同一條物理總線上,為組建水聽器陣創造了有利的條件。

FPGA作為可編程邏輯器件,兼具邏輯運算能力和數據處理能力,而且具有應用靈活的特點,自然成為數字前放硬件構架的首選[2]。

2 功能及組成

數字前放對接收到的模擬信號進行放大、模擬濾波、模擬到數字的轉換、FIR濾波及均衡后以串行數字流的方式輸出。使得信號在頻帶范圍、強度以及傳輸形式上滿足后級系統的要求。

放大器分為模擬和數字兩大部分。模擬部分包括前級儀表放大器、模擬濾波器和AD轉換器,主要負責信號的前級放大和數字化處理;數字部分主要由FPGA芯片構成,主要負責信號的FIR濾波和頻率均衡。模擬電路部分采用了儀表放大器和差分輸入的方式來降低共模干擾[3]。模擬濾波器采用的是8階的切比雪夫Ⅰ型負反饋濾波器,這種濾波器在使用運算放大器較少的條件下具有較好的濾波特性。AD轉換設備選用了美國AD公司采用Sigma-Delta過采樣技術的16位AD轉換器AD7723,大大提高了量化精度。考慮到成本和體積的問題,FPGA選用了XILINX公司的10萬門的XC2S100芯片,該芯片主頻可達100MHz。為了達到長距離高速率的傳輸,信號傳輸方式選擇了差分輸出的串行數字流信號傳輸,傳輸時鐘達5MHz,滿足采樣率為200k的16位數據的傳輸要求。系統構成框圖如圖1所示。

圖1 系統構成框圖

3 數字前放

數字前放的接口控制、程序流程等都是通過硬件描述語言Verilog實現的。程序負責產生A/D轉換器的控制信號、采樣信號的讀入與串并轉換、調用IP核產生的FIR濾波器模塊實現數字濾波、對濾波后的信號進行幅度限制處理以及調用傳送模塊把處理后的數據輸出。

3.1 FIR內核設計

數字FIR濾波的主要功能是實現輸入數據的數字濾波,以修正因為水聽器在不同頻率上靈敏度的不均勻性帶來的幅度變化[4]。考慮到濾波器的相位延時不為常數,在接收幅度恒定的調頻信號時,容易引起輸出信號幅度變化,從而導致濾波輸出信號幅度不準確。數字濾波電路形式,用相位恒定延時的FIR數字濾波形式完成所需的濾波[5]。

FIR內核設計是數字前放的核心部分,它完成對信號的數字濾波和頻率均衡。

內核的主體選用了XILINX公司自帶的IP CORE: FIR Compiler V1.0。濾波器結構選擇了對稱脈沖相應的單速率256階濾波器。

濾波器的系數決定了濾波器的濾波特性,系數的位數決定了濾波器的性能。然而FIR數字濾波的缺點是實現和其它濾波相同的濾波特性所用的濾波器階數比較多,消耗資源比較大,位數太長會導致信號輸出延時較長甚至器件資源不夠等問題。經過多次試驗,發現24位的位數能達到令人滿意的資源性能比。

濾波器系數由Matlab軟件計算得出。Matlab函數庫中關于FIR的函數有很多,計算系數的主要有fir1()和fir2()兩種。而fir2()適用于產生任意形狀FIR濾波器系數的函數,正好滿足數字前放頻率均衡的要求。將數字前放所配的水聽器在各個頻率上的頻率響應矢量輸入到函數fir2()中,計算出滿足該濾波特性的一組系數。將改組系數按照FIR IP CORE的要求轉變格式后生成系數文件。最后將系數文件載入至FIR內核中通過綜合工具進行編譯生成可調用的FIR程序模塊。

3.2 A/D轉換器AD7723控制模塊

A/D轉換器的轉換時鐘信號adclk和幀同步輸入信號fsi都是通過計數器方式產生的周期性信號。轉換器的FSO信號經過處理作為數字濾波器的ND(NEW DATA)信號以及并、串轉換數據流輸出模塊的write信號;SDO信號是轉換器的串行數據輸出端;轉換器的SCO信號經處理用來控制串并轉換;FSI信號是由FPGA提供的幀同步信號;轉換器的采樣時鐘CLKIN信號使用DDS產生。DDS方式輸出信號頻率精度很高,可以得到任何所需頻率。當相位累加器的位數是32位時,輸出信號頻率fx等于設定頻率初值(32位)乘以晶體振蕩器頻率f0,然后除以2的32次方。相位累加器的位數決定輸出信號頻率的最小分辨率,振蕩器頻率為80MHz,相位累加器位數為32位時,頻率分辨率為0.02Hz。如果要產生AD7723采樣速率200kHz的輸出頻率信號,設定頻率初值為十六進制A3D70A。

3.3 信號同步轉換模塊

信號同步轉換模塊的功能是將一個脈沖信號轉換成一個與系統時鐘同步,并且脈沖寬度為一個時鐘周期的脈沖信號。這樣可以提供一個觸發信號,觸發條件是該信號為高電平,因為該脈沖只跨越一個系統時鐘,不會造成重復觸發的情況發生。這里采用兩個D觸發器串聯的方式,將第二個D觸發器的輸入取反后與第一個D觸發器輸出相與輸出。將脈沖信號輸入信號同步轉換模塊,輸出信號為與系統時鐘同步的負脈沖信號。

3.4 限幅處理模塊和數據流輸出模塊

FIR模塊輸出信號的位數一般在45位左右,為了便于傳輸和處理,從中截取了16位進行處理。為保證數字前放的增益不變,截取的位置是固定的。如果前級輸入信號過大,信號有可能出現失真。所以需要進行限幅處理,因為數字濾波器輸出的信號為有符號數,限幅處理模塊首先判斷信號的正負,在判斷信號的大小。將正向幅度過大的信號限定為0x7f,將負向幅度過大的信號限定為0x80。

將限幅處理后的16位信號送入數據流輸出模塊。數據流輸出模塊的主要功能是實現并行16位數字信號到RS232方式的串行信號的轉換。

串行數字流采用通常的RS232協議,通過FPGA的硬件描述語言實現RS232轉換。串行輸出包括1位啟動位、16位數據位、1位奇偶校驗位和1位停止位,共19位串行數據。串行時鐘達5MHz,可以高效率無誤的傳輸數字前放的輸出數據。

4 結語

通過PCB的合理布線和電磁兼容性設計,數字式前置放大器的電路噪聲較小。高達200k的采樣率、16位的數據格式以及采用差分的輸入方式使得信號失真較小。從而得到了較高的信噪比,經實測數字前放動態范圍接近80dB。濾波器的合理設計使得前置放大器有較好的濾波特性,顯示了令人滿意的均衡效果。圖2所示的是水聽器在工作頻帶內各頻率點的接收靈敏度。從圖中可以看出靈敏度在-195dB～-206dB之間,起伏在10個dB以上。圖3所示的是經過前置放大器放大和均衡后的靈敏度。可以看出靈敏度在-176dB附近分布,起伏不超過1.5dB。信號輸出采用的串行方式,增加了奇偶校驗,保證了數據傳輸的可靠。同時前置放大器具有體積小的特點,可靈活應設置于各種信號處理設備中,用作信號的放大和均衡。

該數字式前置放大器應用到某水下聲學系統上,用作水聽器信號的放大和頻率均衡。通過多次試驗,證明了其良好的性能和穩定的工作狀態。

圖2 水聽器靈敏度

圖3 均衡后接收靈敏度

[1] 劉伯勝,雷家煜,等.水聲學原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2009:3-4.

[2] 劉韜,樓興華.FPGA數字電子系統設計與開發與實例[M].北京:人民郵電出版社,2005:2.

[3] 李伯成.嵌入式系統可靠性設計[M].北京:電子工業出版社,2004:130.

[4] 李鄧化,等.新型壓電復合換能器及其應用[M].北京:科學出版社,2007:157-159.

[5] [美]Vinay K. Ingle, John G. Proakis著.陳懷琛等譯.數字信號處理及其MATLAB實現[M].北京:電子工業出版社,1998:206-208.

Design of Digital Preamplifier Based on FPGA

ZHU Mingjun

(Military Representative Office of Navy in Kunming, Kunming 650051)

Combining with the design of the acoustic system digital preamlifier hydrophone underwater, introduce a design of digital preamplifier with frequency equalization based on FPGA is introduce.

FPGA, FIR filter, preamplifier

2014年11月20日,

2014年12月23日

朱明駿,男,高級工程師,研究方向:水中兵器。

TN912

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.043