2017, Vol. 39
本设计来源于实际需求需要采集 24 路水听器信号，并且发射 2 路水声换能器信号。而且水听器和换能器与采集存储系统距离相隔较远，需要采用一种合适的方式传输采集信号和发射信号。水下信号传输通常使用以下几种方法：1）直接传输水听器采集到的和要发射的换能器的模拟信号，该方法设计简便，但是在水下复杂电磁环境中很容易受到干扰，尤其是远距离传输时干扰明显；2）使用光纤水听器，直接传输光信号，该方法灵敏度高、动态范围大，但是基于光纤水听器的设备较复杂、价格昂贵；3）使用数字水听器，即水听器采集输出的信号形式为电信号，该方式直接受到水下电磁环境影响较小，但是在长距离的传输中，会产生信号衰减的问题。因为数字信号是由“0”与“1”的高低电平组成的，但是在长电缆上，代表“1”的高电平电压会衰减，如果其幅度衰减到低于设备能够识别的高电平最低值时，则会被设备识别为低电平，产生误码[1]。
此外，还要考虑到需要传输换能器信号和供电问题，单独使用光纤信号无法对系统供电，并且设计不能太复杂，否则系统的可靠性与价格也将会是一个比较大的问题。因此本文设计了一种基于光电复合缆的采集发射传输系统，该系统利用光纤来传输信号，利用电缆提供电力。能够保证远端的设备有电力支持，并且信号可以传输较长距离。该方式是在水听器和换能器的采集发射端使用A/D，D/A转换器将模拟信号转换成数字电信号，并通过光模块转换成光信号使用光纤传输。其拥有以下几个优点：1）使用光纤信号作为传输时不会受到电磁环境干扰；2）采用光纤信号传输时受距离影响小，光纤信号可以传输十几公里不需要中继；3）光纤很轻，布放拖曳时比较方便；4）光纤的传输带宽比较高，可以同时传输高达 10 Gb/s的数据量；5）光电复合缆中的电缆可以提供电力[2]。
1 基于光电复合缆的水声信号采集传输系统图 1为水听器信号采集光纤传输系统示意图，上半部分为采集端示意图。其中矢量水听器为普通压差式矢量水听器，其输出 V x 、 V y 和 V p 三组模拟信号。这 3 组模拟信号幅度较小，因此需要经过前置放大器放大，经过运放放大合适的倍数后的信号易于观测。将模拟信号转换为数字信号的方式为使用A/D转换器，其型号为PCM1804。该A/D转换器是一款音频A/D，最高采样率为 192 kS/s，可以转换 2 路模拟信号，最高精度 24 bit，本设计中综合了传输量、运算量以及精度等考虑，使用 16 bit精度。经过A/D转换器转换后的信号全部传递给FPGA控制器，本设计采用的FPGA型号是Xilinx公司的XC95288Xl。FPGA控制器并行地将同一时刻采样的 24 路数据打包，并将打包后的数据传递给串行器/解串器，串行器/解串器将 24 路信号串行地传递给光模块，转换后的光信号经光纤传递。
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图 1 基于光电复合缆的信号采集传输系统 Fig. 1 Collecting and transferring system based on photoelectric composite cable |
图 1下半部分是存储运算端。光缆信号到达运算存储端，该光模块将光纤信号转换成电信号并传输给串行器/解串器。串行器/解串器再将串行的信号并行的传输给FPGA，该FPGA的工作是将接收到的信号转换成 24 路采集信号并行的传输给采集系统。采集器型号是PXI-e采集系统，这是一款NI公司生产的具有存储运算功能的采集系统。上述的存储运算端的光模块和串行器/解串器以及FPGA使用的型号与采集端相同。利用该设计就可以将水听器的采集信号通过光纤传递给采集系统，并能够不受电磁干扰的传输较长距离[3 –5]。除此之外，中间的FPGA-串行器/解串器-光模块-光纤-光模块-串行器/解串器-FPGA的结构来传输 24 路信号的过程相对于水听器和采集系统来说是完全透明，其效果与A/D转换后直接传递给PXI-e采集系统一样，不会改变两端的发射接收模式。
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图 2 A/D芯片的SPI传输格式 Fig. 2 The SPI transferring form of the A/D chip |
图 2所示为A/D转换器SPI传输时序图，这主要是根据其通信协议设计的。基本的SPI总线需要 3 根线，分别是时钟、片选和 1 根数据线，而这里A/D，D/A芯片可以转换 2 组通道，并且这 2 组通道共用时钟线和片选线，因此传输 2 组通道时只需要 4 根线。每个通道的A/D精度为 16 bit，即用 16 bit数字量来表示 1 组模拟量。同一片PCM1804 型号的A/D转换器的两通道分别在片选的上升沿和下降沿开始传输 16bit数据，MSB在先。12 片A/D转换器共用了时钟片选信号，以此减少IO数量，减少了布板布线的复杂度，因此实际采用的传输格式如图 3 所示。
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图 3 24 通道采集信号SPI传输时序图 Fig. 3 The SPI transferring form of collecting 24 channels |
图 3所示为 24 通道采集信号SPI传输时序图。FPGA将这 24 路信号整理，将每一路的 16 bit数据并行地传输给串行器/解串器，FPGA连续地将这 24 路顺序地传输给串行器/解串器。其型号为TLK2521，其具有最高 18 bit并行输入宽度。其时序图如图 4 所示。
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图 4 串行器/解串器发射传输时序图 Fig. 4 The launching transferring form of Serializer/Deserializer |
图 4所示为串行器/解串器发射传输时序图，其中GTX_CLK为输入时钟，TXD是要发射的并行输入信号，DOUTTXP，DOUTTXN是转换后的串行发射信号。由图可知，其工作原理是当GTX_CLK上升沿到来时，FPGA将某一路 16 bit水听器信号数据并行地传递给串行器/解串器，经过一小段延时后，16 bit数据再以 20 bit的字长串行发射出去。串行数据格式如图5所示。
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图 5 TLK2521 串行数据格式 Fig. 5 The serial data form of TLK2521 |
图 5所示为TLK2521 串行器/解串器串行传输数据格式，其共包含 20 bit字长，其中 18 bit是有效数据字长，这里我们只使用高 16 bit数据，剩余 2 bit数据位总是为低电平。此外这 20 bit字长还包括 1 bit起始位（StartBit，总是为 1）和 1 bit结束位（StopBit，总是为 0）。串行发射时钟是并行输入信号时钟的 20 倍，保证能够及时完整将并行输入数据串行发射出去。该串行器/解串器能够提供 2.5 Gb/s带宽。
经过串行转换后的数据传输给光模块，光模块型号为HSFP-48-232XS-12F，是一款全双工单模光电转换器，分别采用 1 490 nm和 1 550 nm波长的光信号作为传输载波。在采集端使用 1 490 nm波长光作为发射载波，使用 1 550 nm波长光作为接收载波。经过光模块转换后的光信号通过光纤传递到存储运算端，在存储运算端经过相同的光模块转换后变成串行的电信号。存储运算端所使用的光模块型号与采集端光某块型号相同，但是发射载波波长和接收载波波长互换，存储运算端发射波长变为 1 550 nm，接收波长为 1 490 nm。
光模块解码后的串行电信号传递给串行器/解串器，串行器/解串器高速地将光模块转换后的电信号接收，并行地传递给FPGA模块。
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图 6 串行器/解串器接收传输时序图 Fig. 6 The collecting transferring form of Serializer/Deserializer |
图 6所示为串行器/解串器接收传输时序图。从图中可知，串行器/解串器可以高速地接收 20 bit串行信号，经过一段延时后，并行地将数据以 1/20 的接收速率将数据传输给FPGA，传输给FPGA的并行数据为 18 bit位宽，只取其中的高 16 bit数据，剩余 2 bit数据丢弃即可。经过FPGA将 24 路信号整理后，以通道并行、数据串行的方式传输给PXI-e采集系统，其传输时序图同样如图 3所示，即与A/D转换器传输给采集发射端的形式相同。
2 基于光电复合缆的水声信号传输发射系统
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图 7 基于光电复合缆的信号传输发射系统 Fig. 7 Launching and transferring system based on photoelectric composite cable |
图 7所示为基于光电复合缆的信号传输发射系统示意图，上半部分为存储运算端。首先由PXI-e采集系统计算出要发射的信号，以D/A转换器的传输格式传输给FPGA，FPGA将信号以通道串行，数据并行的方式传递给串行器/解串器，串行器/解串器再以通道串行数据串行的方式传递给光模块。光模块将电信号转换成光信号通过光纤传输。下半部分为发射端，光信号到达发射端后由发射端光模块转换成电信号。电信号被光模块传递给串行器/解串器，串行器/解串器再将数据以通道串行、数据并行的形式传递给FPGA。FPGA将数据整理后再以通道串行、数据串行的方式传递给D/A转换器。经过D/A转换器的转换后，数字信号变成模拟信号，传输给功放和换能器发射。
发射系统中，所用光模块、FPGA等器件型号与采集传输系统所用型号相同。D/A转换器型号为PCM1794，该D/A转换器是一款音频D/A，最高更新率为 192 kHz采样，最高精度 24bit，16 或 24 位数据长度可选。其数据传输格式如图 2所示，两通道共用同一组时钟片选。因为只有 2 通道的发射数据，因此采用一片D/A转换器即可满足需求。
3 系统供电设计图 8是光电复合缆的示意图，外围较粗电缆是电力线，共有 4 对 8 根电力线，可以传输 4 组直流电源，使用较粗电缆是为了减少电阻。考虑到长距离传输过程中，低压电压会有比较大的损失，因此实际低压传输过程中所传输的电压要高于实际要用到的电压，再在设备的接收端使用DC-DC或者线性稳压电源转换到所需电压。其中电力线分别用于换能器、水听器和光电转换系统供电。其中为采集发射转换传输系统供电的是一组 24V电源，这组 24V电源经过DC-DC电源模块转换后输出 5V电压，用于为A/D、D/A芯片、FPGA控制器和光电转换模块等电路供电。
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图 8 光电复合缆横截面示意图 Fig. 8 The cross-section diagram of photoelectric composite cable |
光电复合缆内部则是光纤，光纤周围有金属套管保护可以减少对光纤的损害，同时光纤处于光电复合缆内部也是一种有效的保护措施。在使用光电复合缆的时候主要需要注意的事情是不能弯折过大，否则轻则增加光纤的光传输损耗、影响传输距离，重则可能导致光纤折断导致无法传输数据。
4 测试结果使用该设计的基于光纤的水声信号传输系统可以良好的运行工作，通过光纤传输的水听器采集信号和换能器发射信号能够准确、按照时序地传输。同时经过稳压后的电源，能够稳定的给设备提供电力，保证设备不掉电且电压满足设备需求。
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图 9 采集发射传输系统测试结果图 Fig. 9 The test result of collecting-launching and transferring system |
图 9所示为采集发射传输系统的测试结果图，在存储运算端产生幅度 5Vpp频率 1KHz的正弦波，经过FPGA打包再经光模块转换成光信号传输，最后经光模块解还到FPGA再传输到D/A模块。D/A模块的模拟输出端与A/D模块的模拟输入端相连接，这样D/A模块产生的模拟信号就可以被A/D模块采集到了。采集到的信号再由上述过程转换成光信号传输回到存储运算端。
通过PXI-e1071 采集器的显示，可以观察到A/D的采集信号。其幅度与所产生的信号幅度基本相同，频率相同。产生的幅度误差来自于D/A和A/D模块的转换误差，不过这不可避免，同时也在误差允许范围之内。将所有通道的都接入测试，结果证明每个通道都可以完整的传输信号。
5 结 语经过上述测试，可以证明，该传输系统可以完整传输上述所有通道的信号，不丢点，并且延时在可接受范围之内。使用该传输系统解决了该项目中不能使用电缆传输信号的困难，并且减少了缆的数量和重量，方便拖曳和布放。同时使用光电复合缆能够利用其中的电缆进行供电。综上所述，该基于光电复合缆的传输系统在类似于本应用的水下信号传输供电等应用中，能够发挥很好的实际应用作用。
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