0 引言

利用声波对水下目标进行探测、定位、跟踪、识别以及利用水下声波进行通信、导航、制导、武器的射击指挥及对抗等方面的水声设备称为声呐，按照其工作原理和工作方式分为主动声呐和被动声呐^[1]。作为主动声呐设备，多波束测深声呐发射基阵主动发射水声信号，经由水下传播及反射等途径，接收基阵接收其回波信号。接收基阵具有一定的动态范围，回波信号的强度随着传播距离的改变而变化，然而在近距离的回波中混响是主要的影响因素。在声呐接收机前端模拟信号调理中，时间-增益控制（TVG）模块是有效的抗混响措施^[2-3]。

声呐回波信号随距离的改变而变化，然而其变化规律不是一成不变。对于不同的海底环境，不同的测量时间，TVG曲线各不相同^[4]，所以对应的增益控制电路设计要满足不同的TVG曲线的实现。多波束测深声呐具有128路接收基阵单元，文中提出的基于FPGA（Field Programmed Gate Array）可控编程+外接SPI接口的CS3308的TVG调控方案，能很好地满足多波束测深声呐多通道TVG控制的设计要求。其具有硬件规模小、控制灵活等特点，并具有固定增益设定、常用曲线固化模式及实时曲线下载等功能。

1 多波束测深原理

利用声波探测海底时，向海底发射声波，声呐接收机接收到该声波的海底回波信号，通过测得发射与接收的传播时延差，并已知海水中的声速，根据距离等于时间乘以速度的原理，即可计算得到水深^[5]。

多波束测深声呐的发射和接收换能器具有一定的指向性，形成互相正交的扇面，收发指向性的乘积即为测深的波束角，其原理如图 1所示。发射基阵将电信号转换为声信号，辐射至海底形成条形区域，即为发射波束，接收阵接收到海底的回波水声信号，转换为电信号，空间滤波形成与发射波束垂直的多个波束，即为接收波束。发射与接收结合，一次海底扫描即可获取多个不同位置的深度数据。

2 硬件设计 2.1 系统原理框图

多波束测深声呐具有128路接收基阵单元，TVG控制电路的硬件组成主要有FPGA模块、TVG模块、模数转换、网络模块等部分^[6]，其系统原理如图 2所示。多波束测深声呐接收基阵输出信号经前端模拟信号调理，送入TVG控制电路的信号输入端，由FPGA接收上位机命令，实时调控TVG，后由模数转换单元采集该组信号，送入FPGA并经由千兆以太网上传至上位机显控，实时监控系统运行。

2.2 主要芯片选型

系统硬件放置在水下基阵舱内，受限于空间体积。系统芯片选型遵循小型化、低功耗、低噪声等原则，综合考虑选择Cirrus Logic公司的8通道芯片CS3308及Altera公司FPGA主控芯片EP3C120。系统电路原理图设计完成，最终PCB布局布线尺寸约为120 mm×250 mm。

音量控制器CS3308是一款基于SPI模式的数字控制音量的芯片，内部包含8个通道，由1组SPI信号控制。其增益动态范围：-96~+22 dB，步进1/2 dB或1/4 dB可选，单位增益带宽5 MHz，通道间的隔离有120 dB，芯片尺寸约9 mm×9 mm，功耗在300 mW左右。

FPGA芯片选用的Altera公司的Cyclone III系列的EP3C120型号，芯片内部具有119 k的逻辑单元，288个18bit×18bit的乘法器以及4个PLL模块，片内RAM达到3.88 Kbits，其I/O接口多达596个^[7]。

模拟数字转换芯片采用的是TI公司的ADS8568，内部包含8个同步采样通道，其采样率为190 kSPS，16位有符号数据，参考电压5 V，功耗为200 mW。

2.3 通信协议控制

CS3308芯片与主控FPGA的接口协议为SPI格式，为串行接口数据流，包含复位信号RESET、片选CS、串行时钟CCLK和数据位MOSI，如图 3所示。

增益设置：N=2×Gain+210，其中GAIN为增益值，N为对应的8位增益码。对应8位数N的值，在时钟频率CCLK下进行并串转换，串行数据流写入CS3308内部寄存器，从而控制模拟信号量的大小。

2.4 多通道控制设计

在本系统中，多波束测深声呐的接收机共有128个模拟通道，每片CS3308具有8个通道，共需要16个芯片。对应多通道的应用，芯片手册提供菊花链的扩展连接模式^[8]。在实际应用中，尽管能用到较少的FPGA的IO口资源，但是增加了布线的难度，而且也容易引入干扰，造成时序上的跳变。综合考虑，设计中采用一组SPI控制线上挂载4片CS3308，共4组SPI信号，在FPGA内部由同一TVG控制逻辑例化产生，实现多通道接收机的TVG同步接收控制，其连接框图如图 4所示。

3 软件设计 3.1 软件环境

系统以Altera公司FPGA的Cyclone系列EP3C120为主控芯片，多通道的TVG控制软件运行其中。运用Verilog硬件语言+IP核的编程方式，在Altera的专用Quartus Ⅱ编程环境下，编译生成目标代码，烧写至FPGA的配置芯片FLASH中。

当系统上电时，FPGA内部固有引导程序从FLASH中将目标代码加载至FPGA内部，系统软件程序开始执行；当系统掉电时，FPGA内部恢复空白的可编程状态，以便程序的修改和升级；这样实现FPGA可编程的灵活性^[9]。

3.2 软件架构

根据系统软件功能的要求，具备固定增益设定、TVG曲线调控及实时TVG曲线下载等功能要求，系统通过网络接口命令实时操作TVG的调控。系统上电，复位CS3308芯片使其寄存器保持初始化状态，并对芯片地址、静音、步进、低功耗等寄存器进行配置。在寄存器配置完成后，等待网络命令，执行TVG的固定增益控制或曲线控制状态，执行指令完毕，返回等待网络命令状态，继续下一次操作，具体的软件流程如图 5所示。

4 实验结果

对该电路进行电联调测试验证，系统预存4条TVG曲线在FPGA的内存中。根据上级相应指令可以读取内存中TVG曲线值或者固定增益值，写入CS3308芯片内部，从而控制模拟信号量的大小。同时，也可以根据现场试验环境，仿真得到TVG曲线，实时下载至CS3308芯片内部。

测试时，在模拟信号输入端加载频率200 kHz、幅值1V（pp）的标准信号源，TVG曲线设置为100个点，-40~10 dB，步进0.5 dB，周期300 ms。模数转换器为有符号数16位，采样率为260 KSPS，参考电平5 V，TVG控制得到的模拟信号时域波形如图 6所示，符合设计要求。

按理论计算：增益最大10 dB，折合放大倍数约3倍，信号源放大至3V（pp），则放大后的数字量为$1.5\text{V}\times\displaystyle\frac{32768}{5\text{V}}=9 \, 830$。比较图 6中实际测得的最大幅度相对值，符合理论计算。

5 结语

本文设计的基于CS3308+FPGA的多通道TVG控制电路，已经成功应用于水下自主无人航行器载体上的多波束测深声呐中，其具备固定增益设定、常用TVG曲线固化及实时TVG曲线下载等功能。试验表明，该TVG调控方案可行，电路工作稳定可靠，更可以根据现场试验环境在线实时调控。与以往方案相比，具有控制灵活、小型化、低功耗等特点。