光纤水听器系统中高速数据采集与实时处理研究

论文摘要

光纤水听器自问世以来,由于其巨大的军事价值和民用价值得到迅速发展,已逐渐从实验室研究阶段走向工程应用。随着光纤水听器阵列规模的扩大,对水声信号的检测技术及数字处理能力也提出了新的要求。目前,基于网络的模块化结构已被证实可满足大规模光纤水听器阵列的各方面要求。在多种干涉型光纤水听器的信号检测技术中,PGC调制与解调技术由于其检测动态范围大、频带宽、适宜检测微弱信号等优点而成为光纤水听器信号检测的基本方法,并作为基本的检测技术在基于各种复用技术的光纤水听器阵列中得到应用。本论文以具体项目应用为背景,在分析干涉型光纤水听器工作和解调原理的基础上,根据实际情况对高速数据采集与实时处理性能提出了参数化要求,并基于光脉冲信号窄、阵列数据量大、实时性要求高的特点,在大规模光纤水听器系统基本方案的基础上,提出了采用高速ADC+FPGA+DSP+MPC8347的数据采集与实时处理的设计方案。该方案中ADC负责信息快速数字化；FPGA集成了全部的时序逻辑控制电路,在提高系统可靠性的同时减少了印制电路板的面积,适合模块化设计；DSP负责数据实时处理,DSP在完成复杂的PGC解调计算后,得到各路水听器基元的相位信息,并通过FPGA传入带有千兆以太网接口的MPC8347中；MPC8347将相位信息进行整理并发送,通过以太网传入计算机进行数据存储和后续的水声信号处理。在硬件设计上,论文着重探讨了模数转换电路、基于FPGA的控制电路和FIFO缓存电路、SDRAM、FLASH存储电路、DSP电路模块、千兆以太网输出模块,并对各模块中关键部分进行了详细介绍。在信号处理上,论文给出了应用CCS开发DSP软件的过程和系统主程序的流程图以及系统的自举引导；对信号的解复用进行了分析；用MATLAB对信号的抽取滤波和载波相位延迟纠正进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤水听器系统的研究现状及发展趋势
• 1.2 光纤水听器应用关键技术
• 1.2.1 光纤水听器的信号检测技术
• 1.2.2. 光纤水听器多路复用及成阵技术
• 1.2.3. 光纤水听器抗偏振衰落技术
• 1.3 光纤水听器系统信号处理技术
• 1.3.1 光纤水听器的信号处理技术
• 1.3.2 光纤水听器系统信号并行处理技术
• 1.3.3 光纤水听器系统信号同步处理技术
• 1.3.4 光纤水听器系统信号高速采集技术
• 1.4 课题的研究意义
• 1.5 论文的主要工作
• 2 光纤水听器与PGC调制解调
• 2.1 光纤水听器概述
• 2.2 干涉型光纤水听器原理
• 2.3 PGC调制与解调原理
• 2.4 PGC解调的数字化实现及必要性
• 2.4.1 PGC解调的数字化实现
• 2.4.2 PGC解调的数字化实现的必要性
• 2.5 载波相位延迟的影响及其补偿
• 2.5.1 载波相位延迟的影响
• 2.5.2 载波相位延迟的相位补偿
• 2.6 系统采样频率的确定
• 3 高速数据采集与实时处理系统硬件设计
• 3.1 大规模光纤水听器阵列系统基本方案
• 3.2 高速数据采集及实时处理系统方案分析
• 3.2.1 引言
• 3.2.2 系统详细方案研究
• 3.3 ADC模块的设计与选型
• 3.4 FPGA模块
• 3.4.1 FPGA数据采集
• 3.4.2 FPGA逻辑控制
• 3.5 数据缓存FIFO模块
• 3.5.1 FPGA对FIFO的写控制
• 3.5.2 DSP对FIFO的读控制
• 3.6 DSP电路模块
• 3.6.1 TMS320C6713
• 3.6.2 DSP时钟
• 3.6.3 外部存储器扩展
• 3.6.4 EDMA模块
• 3.7 以太网传输模块
• 3.7.1 FPGA和MPC8347的接口设计
• 3.7.2 外部存储器扩展
• 3.7.3 RGMII通信接口设计
• 3.8 系统电源
• 4 系统的软件实现
• 4.1 PGC解调算法的数字化实现及改进
• 4.2 DSP软件的设计流程
• 4.3 系统DSP程序的基本结构
• 4.4 DSP程序控制流程图
• 4.5 TMS320C6713片外FLASH自举引导
• 5 系统的分析与调试仿真
• 5.1 信号处理模块
• 5.1.1 信号特征及时分解复用
• 5.1.2 信号抽取滤波
• 5.1.3 载波相位延迟处理
• 5.1.4 PGC解调处理仿真
• 5.1.5 系统的实时性分析
• 5.2 设计及调试注意事项
• 5.2.1 设计注意事项
• 5.2.2 调试注意事项
• 结论及其展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的主要学术成果
• 致谢