干涉型光纤水听器PGC解调的DSP实现

　　0 引言

　　在干涉型光纤水听器的信号检测方法中,相位载波(phase generated carrier, PGC)调制解调技术由于避免了有源相位跟踪技术的反馈补偿系统,适宜全光实现、远距离传输等优点,成为目前信号检测的主要方法。其数字化实现因为混频、微分与交叉相乘(differentiate and crossmultiply,DCM)和积分等运算实现简单、滤波器设计简捷灵活、易于调试等优点,逐渐取代了传统的电路实现[1],本文给出了基于TMS320C6201的PGC解调实现。

　　在工程应用中,影响PGC解调的一个问题是由于调制激光源的频率漂移而产生的相位噪声。为了消除这种相位噪声,一种方法[2]是采用附加的参考干涉仪,在对声场干涉仪和参考干涉仪分别进行混频与滤波运算后通过数学运算来消除。然而,这种方法要求参考干涉仪与声场干涉仪的光学参数要完全匹配,在实现中很难做到,而且,这种方法增加了运算量,不利于实时实现。一种简单的方法是直接对调制信号进行同步采样(采样频率等于对声场干涉仪信号的采样频率),使采样信号作为解调的混频信号。

　　在本文的数字信号处理器(digital signal processor, DSP)系统实现中,本文作者通过一路附加的A/D转换电路来实现对调制信号的采样。

　　TMS320C6201是高性能32位定点DSP芯片,其时钟速率达到了200MHz,峰值运算速率达到1600MIPS,具有8个独立的功能运算单元和128k字节的片内静态随机访问存储器(static random access memory, SRAM),适合高速率的并行数据处理。本文给出了基于DSP的PGC算法实现,并根据TMS320C6201的CPU结构对算法进行了优化。

　　实验部分给出了算法优化前后运算时间与存储量的比较,以及一次海试中声场干涉仪的接收信号和DSP的处理结果,并对处理结果和参考信号进行了比较。

　　1 PGC调制解调原理

　　干涉型光纤水听器的PGC检测方式是通过在干涉仪中引入检测信号带宽外的某一大幅度相位调制信号,使所检测的声信号成为这些大幅度载波的边带信号,然后,用相干检测(PGC解调)的方法来提取声信号,并达到减小环境噪声对信号影响的目的[1]。系统的光路示意图见参考文献[3]。

　　对于Mach-Zehnder型干涉仪、Fabry-Perot型干涉仪等多种干涉仪,其检测信号可表示为[1]

　　式中:

　　A为与干涉仪输入光强、偏振器、耦合器损耗等有关的直流项[4];

　　B与干涉仪的输入光强、光纤耦合器的分光比、干涉仪的消光比等参数有关[4];

　　C为调制幅度;ω0为调制频率;

　　φ(t)为声场信号、干涉仪的固有相位差、两束光信号的初始相位差以及外界环境噪声的叠加,可表示为