譚博

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲通信系統(tǒng)中，水聲信號(hào)的發(fā)射聲波與接收回波時(shí)延直接影響測(cè)距精度。其中傳播時(shí)延主要包括發(fā)射抖動(dòng)誤差、信號(hào)傳播路徑時(shí)延、接收處理時(shí)延，其中接收處理時(shí)延主要由前置放大電路、濾波電路的相位不一致性以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的采樣偏差構(gòu)成。通常情況下，聲吶前置預(yù)處理設(shè)備會(huì)明確規(guī)定接收通道間的相位一致性要求[1]。本文重點(diǎn)從發(fā)送端與接收端描述聲信號(hào)發(fā)射控制與聲信號(hào)采集控制的同步設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)，既滿(mǎn)足接收通道間相位一致性要求，又將發(fā)射與接收同步精度控制在亞微秒級(jí)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通常聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)射控制信號(hào)與采集控制信號(hào)為非同源控制，當(dāng)發(fā)射控制信號(hào)有效時(shí)，發(fā)射機(jī)開(kāi)始發(fā)射信號(hào)，但此時(shí)各分布式采集節(jié)點(diǎn)的采集起始時(shí)刻按照接收同步進(jìn)行控制，而在整理各采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)發(fā)射控制信號(hào)添加發(fā)射起始標(biāo)志，這樣在聲信號(hào)接收處理過(guò)程中，信號(hào)采集的起始時(shí)刻相對(duì)于聲信號(hào)的發(fā)射起始時(shí)刻存在較大的抖動(dòng)誤差，一般在毫秒級(jí)范圍內(nèi)。本文將發(fā)射控制信號(hào)與采集時(shí)鐘設(shè)計(jì)為同步工作模式，如圖1 所示。

圖1 收發(fā)同步系統(tǒng)架構(gòu)

圖1中，控制中心主要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生發(fā)射控制信號(hào)與采集時(shí)鐘同步信號(hào)，兩種信號(hào)的邊沿同步，同時(shí)接收各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)。采集節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收發(fā)射控制信號(hào)和采集時(shí)鐘同步信號(hào)。發(fā)射控制信號(hào)用于指示發(fā)射開(kāi)始標(biāo)志位，用于采集節(jié)點(diǎn)對(duì)千兆以太網(wǎng)包數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。采集時(shí)鐘同步信號(hào)用于同步各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換控制時(shí)鐘信號(hào)，保證各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)采樣過(guò)程的同步性。發(fā)射系統(tǒng)主要是根據(jù)發(fā)射控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，發(fā)射控制信號(hào)用于控制發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)起始點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)方法將發(fā)射和接收采用同源控制，其優(yōu)勢(shì)在于將各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)、發(fā)射系統(tǒng)與控制中心的同步控制設(shè)計(jì)成一個(gè)精準(zhǔn)同步系統(tǒng)，通過(guò)采集同步時(shí)鐘鏈路使得采集節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)鐘與控制中心的工作時(shí)鐘同步，同時(shí)控制發(fā)射機(jī)的發(fā)射控制信號(hào)與控制中心時(shí)鐘同步，進(jìn)而可以嚴(yán)格控制發(fā)射起始時(shí)刻與采集起始時(shí)刻的同步關(guān)系。

2 收發(fā)同步設(shè)計(jì)

2.1 收發(fā)同步原理

收發(fā)同步設(shè)計(jì)要達(dá)到高穩(wěn)定度、高精度，其原理如圖1所示。在發(fā)送端，發(fā)射同步信號(hào)和采集同步信號(hào)同源同時(shí)刻對(duì)齊發(fā)送；在接收端，利用本地高頻時(shí)鐘采樣同步信號(hào)，高頻時(shí)鐘的周期控制在20 ns內(nèi)，使其收發(fā)同步精度為亞微秒級(jí)。本設(shè)計(jì)中，發(fā)送端發(fā)射同步信號(hào)和采集同步信號(hào)嚴(yán)格對(duì)齊發(fā)送；接收端分為兩部分，一部分是采集節(jié)點(diǎn)接收，另一部分是發(fā)射系統(tǒng)接收。采集節(jié)點(diǎn)接收過(guò)程中物理鏈路時(shí)間抖動(dòng)約20 ns，采樣采集同步信號(hào)的高頻時(shí)鐘頻率307.2 MHz，采樣發(fā)射同步信號(hào)即用千兆以太網(wǎng)打包標(biāo)記的高頻時(shí)鐘頻率76.8 MHz；采集節(jié)點(diǎn)接收同步信號(hào)過(guò)程精度約40 ns，而發(fā)射系統(tǒng)接收主頻時(shí)鐘頻率為100 MHz，在采樣發(fā)射同步信號(hào)時(shí)執(zhí)行時(shí)間約 32個(gè)時(shí)鐘周期，物理鏈路時(shí)間抖動(dòng)約20 ns，即發(fā)射系統(tǒng)接收同步信號(hào)過(guò)程精度約340 ns；因此理論上收發(fā)同步精度可控在380 ns。

2.2 發(fā)送端設(shè)計(jì)

發(fā)送端是以FPGA為核心芯片，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的采集同步時(shí)鐘產(chǎn)生和發(fā)射控制信號(hào)的產(chǎn)生，由控制中心板實(shí)現(xiàn)該功能。

同步時(shí)鐘的產(chǎn)生原理如圖2所示，控制中心在系統(tǒng)主時(shí)鐘下進(jìn)行工作，按照一定的幀格式如BYTE1、BYTE2、BYTE3、BYTE4循環(huán)產(chǎn)生串行比特流，然后由RS485接口發(fā)送至各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)字節(jié)設(shè)計(jì)為8位，包含1位起始位、6位數(shù)據(jù)位、1位停止位，波特率設(shè)計(jì)為800 kbps，字節(jié)速率為100 kbps，當(dāng)每個(gè)字節(jié)發(fā)送結(jié)束后，產(chǎn)生字節(jié)發(fā)送完成標(biāo)志信號(hào)Tx_done，其周期為10 μs。

當(dāng)控制中心收到上位機(jī)下發(fā)的發(fā)射使能信號(hào)FS_en為高電平時(shí)，開(kāi)始根據(jù)發(fā)射周期T產(chǎn)生發(fā)射控制信號(hào)FS_ctrl，發(fā)射控制信號(hào)的高電平固定為1 ms，周期由T值決定，發(fā)射周期T按照一定的周期進(jìn)行更新。由于要求T的誤差精度≤10 μs，使用Tx_done信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 FS_ctrl，既可保證信號(hào)FS_ctrl的誤差≤10 μs，又可使 FS_ctrl信號(hào)的上升沿與Tx_done的邊沿對(duì)齊，采集同步時(shí)鐘和發(fā)射控制信號(hào)均通過(guò)RS485接口發(fā)送至各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。對(duì)發(fā)送端進(jìn)行功能仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 發(fā)送端時(shí)鐘產(chǎn)生原理

圖3 發(fā)送端功能仿真結(jié)果

圖3（a）中FS_ctrl信號(hào)根據(jù)發(fā)射周期trans_T值進(jìn)行產(chǎn)生，高電平固定；圖3（b）為（a）的放大圖，Tx_done為字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)TX_data的結(jié)束標(biāo)志，而且TX_data為循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)；圖3（c）為（b）的放大圖，可看出FS_ctrl的邊沿與Tx_done信號(hào)邊沿對(duì)齊。

2.3 接收端設(shè)計(jì)

接收端采集節(jié)點(diǎn)模塊是以FPGA為核心芯片，控制 ADC芯片完成接收聲數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通常情況下，單個(gè)采集節(jié)點(diǎn)模塊完成多路聲信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)框圖

在采集模塊中，首先接收主控中心下發(fā)的采集同步時(shí)鐘信號(hào)和發(fā)射控制信號(hào)。FPGA作為主控芯片，在本地晶振時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行6倍頻，使用倍頻后的高頻時(shí)鐘作為FPGA工作主時(shí)鐘，對(duì)接收的采集同步時(shí)鐘進(jìn)行解碼。按照發(fā)送幀格式解析數(shù)據(jù)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)為BYTE1和BYTE3時(shí)，產(chǎn)生高電平；當(dāng)接收數(shù)據(jù)為BYTE2和BYTE4時(shí)，產(chǎn)生低電平。這樣可恢復(fù)出頻率為50 kHz的時(shí)鐘，而且恢復(fù)時(shí)鐘的上升沿和下降沿均與發(fā)送端的Tx_done信號(hào)邊沿對(duì)齊。在主時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)分頻產(chǎn)生 ADC控制信號(hào)，恢復(fù)時(shí)鐘的邊沿作為分頻器計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)，這樣可保證不同采集節(jié)點(diǎn)的 ADC控制信號(hào)同步，誤差為一個(gè)高頻時(shí)鐘周期。將多片 ADC采集輸出數(shù)據(jù)按照 UDP協(xié)議格式進(jìn)行以太網(wǎng)包組幀，當(dāng)接收端檢測(cè)到發(fā)射控制信號(hào)的上升沿時(shí)，在當(dāng)前以太網(wǎng)包中添加指標(biāo)標(biāo)識(shí) 0xAA，用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前以太網(wǎng)包對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為發(fā)射開(kāi)始時(shí)刻數(shù)據(jù)，為后續(xù)延時(shí)測(cè)量計(jì)算提供初始時(shí)刻。

為滿(mǎn)足高頻聲吶采樣率的要求，選用 TI公司的Σ-Δ型 ADC-ADS127L01[2]，該款 ADC最高采樣率可達(dá)512 kbps。本文設(shè)計(jì)采樣率為300 kbps，工作在HR模式，采用Frame_Sync Slave控制模式，取OSR=32，取WB1濾波，電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，工作在Frame_Sync Slave模式下，ADS127L01時(shí)序控制要求如圖6所示，在采樣率為300 kbps情況下，MCLK與SCLK頻率為9.6 MHz，F(xiàn)sync頻率為300 kHz。

圖6 ADS127L01控制時(shí)序要求

選取本地晶振頻率為51.2 MHz，經(jīng)過(guò)6倍頻后為 307.2 MHz，然后再分別進(jìn)行 32分頻得到 9.6 MHz時(shí)鐘和1 024分頻得到300 kHz時(shí)鐘。由于接收恢復(fù)時(shí)鐘邊沿變化頻率為100 kHz，在每個(gè)分頻清零周期內(nèi)主時(shí)鐘計(jì)數(shù)3 072次，即在每個(gè)清零周期內(nèi) ADC完成三次采樣過(guò)程，而且采樣的起始時(shí)刻與Tx_done信號(hào)對(duì)齊，即與發(fā)射控制信號(hào)的起始時(shí)刻對(duì)齊，從而實(shí)現(xiàn)采集起始時(shí)刻與發(fā)射起始時(shí)刻同步。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

發(fā)射系統(tǒng)在發(fā)射控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的調(diào)制波，各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)千兆以太網(wǎng)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，然后由控制中心發(fā)送至上位機(jī)處理平臺(tái)。使用數(shù)據(jù)采集軟件保存20 s的數(shù)據(jù)，然后使用LABVIEW軟件進(jìn)行波形分析與計(jì)算，將數(shù)據(jù)包中含有0xAA的數(shù)據(jù)包作為分析的起始時(shí)刻，分別計(jì)算各個(gè)采集通道采集到的調(diào)制波起始時(shí)刻相對(duì)于分析起始時(shí)刻的延時(shí)量，計(jì)算延時(shí)量最大值與最小值的差即為發(fā)射同步與采集同步誤差精度。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試試驗(yàn)，在采樣率為300 kbps條件下，消除各環(huán)節(jié)的固定時(shí)延，發(fā)射與接收采集同步起伏誤差為400 ns。

4 結(jié)論

該同步設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)樣機(jī)研制驗(yàn)證，使用過(guò)程中同步精度穩(wěn)定可靠，滿(mǎn)足指標(biāo)要求。發(fā)射啟動(dòng)和接收采集通過(guò)控制中心同源同步控制，相比原有非同源控制，同步起伏誤差由毫秒級(jí)縮減至400 ns內(nèi)，相應(yīng)測(cè)距精度由米級(jí)提高至厘米級(jí)，可應(yīng)用于高精度測(cè)距聲吶、成像聲吶系統(tǒng)。同時(shí)，該同步系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。首先，同步時(shí)鐘不是采用單頻信號(hào)傳輸，而是采用基于UART串口協(xié)議；其次，同步信號(hào)是周期性校準(zhǔn)，即使某些時(shí)刻受到干擾，也不會(huì)影響整個(gè)同步系統(tǒng)。