基于FPGA的多路声呐信号采集卡的设计

　　1 引言

　　声波是目前已知的惟一能在海水中远程传播的波, 声呐就是利用声波对水下物体进行探测和定位识别的方法及所用设备的总称[1-2]。它基本上可分为被动声呐( 无源声呐) 和主动声呐(有源声呐)两大类。如图1所示, 主动声呐由发射机、声阵、接收机(包括信号处理器)、显示控制台组成。它向水中发射声波, 通过接收水下物体反射回波发现目标, 并测量其参量。通过发射脉冲和回波到达的时间差来估计目标距离。通过测量接收声阵中两子阵间的相位差得到测定目标方位。被动声呐由接收声阵、接收机( 信号处理) 和显示控制台组成。它通过接收目标的辐射噪声探测目标并测定其参量。一般被动声呐只能测定目标方位, 其原理和主动声呐相同。被动测距声呐利用三子阵测量波阵面曲率来测定目标距离。

　　本采集卡以FPGA为核心处理芯片, 从声阵发出的声呐信号经过匹配滤波, 消除带外干扰后; 再进行自动增益放大, 以便转换为适合AD转换的最佳电平;然后送入AD转换器进行模数转换; 最后将转换后的数据送入FPGA进行处理。送入 FPGA 的数据分两路,一路缓存到2片SRAM中, 另一路经过自动增益控制(Automatic Gain Control, AGC)放大器的放大倍数。

　　2 采集卡系统方案设计

　　采集卡系统框图[3]如图2所示, 8路声呐信号通过BNC接口输入, 经过低通滤波后, 送到自动增益放大器以便将信号放大到A/D最佳转换电平, A/D转换输出到FPGA进行数据采集和平均功率计算。采集到的数据送往SRAM存储, 本次设计采用2片SRAM进行乒乓存储; 计算的平均功率产生脉宽调制(Pulse WidthModulation, PWM)波智能控制AGC放大增益。

　　根据此次设计要求, 输入的声呐信号为最高频率10kHz、峰峰值0.5V的低频信号, 为了减少带外干扰,选择TLV2252AQD运放设计截止频率为20kHz的三阶低通滤波器; 由于本系统主要应用于声呐接收, 对放大器的动态范围要求比较高, 所以AGC电路设计芯片选用RF2607; 由于是对8路声呐进行采集, 所以选择八通道最高采样率为200kHz的AD7858作为A/D转换芯片; 虽然是多路声呐信号, 但数据率不高, 所以FPGA资源也不需要太大, 本次设计选用成本低、性价比高的cyclone系列EP1C12Q240作为核心配置芯片[4];SRAM选择IS61LV12816, 其存储容量为128K×16bit。

　　根据上述方案的选择, 本次设计的采集卡主要功能模块为:

　　(1)AGC;

　　(2)AD7858配置;

　　(3)SRAM乒乓存储。

　　下面给出各功能模块的详细设计。

　　3 采集卡系统功能块设计

　　(1) AGC电路设计

　　本系统采用的AGC方法如图3所示, 首先将AD采样下来的数据送入FPGA, 然后检测信号的平均电平, 并将信号的平均电平与参考电平相减, 把差值送入AGC智能控制模块, 由AGC智能控制模块来控制最终输出PWM信号的占空比, 然后将输出的PWM信号经过一个模拟低通滤波, 滤除高频分量, 就可产生直流电压来控制RF2607的增益。