干涉型光纤水听器PGC解调系统数字化实现的研究

　　1 引言

　　光纤水听器的信号解调系统直接影响到测量的分辨率、精度和动态范围。相位生成载波(PGC)无源解调技术的高灵敏度、大动态范围和好的线性性使其成为最适合光纤水听器遥测和大规模组阵的检测技术,也是八十年代中期以来光纤水听器阵列主要采用的信号处理技术。

　　相位生成载波解调系统可以用模拟电路的方法实现,也可以用数字化的方法实现。模拟电路的方法很明显的问题是不灵活、不稳定。而数字信号处理可以通过软件修改解调系统参数,因此具有很大的灵活性,而且数字电路采用二值逻辑,因此具有很好的稳定性。

　　在数字化实现PGC解调的过程中,由于PGC解调算法的实现比较复杂,需要多次相乘、滤波、微分和积分等运算,并且要在系统高采样率和实时性的要求下完成,因此运算的复杂度这一问题变得尤为突出。而在这些运算过程中,滤波器的设计对运算复杂度有着直接的影响,并且直接关系着系统解调结果的好坏以及系统的复用,关于这方面的工作,现在文献上很少提及,因此很有必要对数字化实现PGC算法中的滤波器进行详细的研究。

　　2 PGC解调原理

　　直接调制光源的PGC解调原理框图如图1:

　　图中,input为Michelson光纤干涉仪加上直接调制光源后的输出信号,为乘法器;LPF为低通滤波器;d/dt为微分器;DA为差动放大器;Q为积分器;HF为高通滤波器。用i=i0mcosX0t的调制信号来激励半导体激光器,其中m为调制度,m<<1,光检测器得到的光电流信号为:

　　由图1所示的PGC解调系统原理框图可得到一系列数学推导,得到最后积分器的输出为:

　　可以看到最后解调出的信号为kU(t),其中k为一常数,且与载波信号幅度C有关。最后再经高通滤波滤除环境噪声导致的随机相位漂移,从而得到实际测量的信号。为使解调后的信号随C的波动变化最小,在m很小的情况下,应使d{J1(C)J2(C)}/dt=0,得C=2.37。

　　3 PGC的数字化实现

　　解决数字化实现方法问题的关键在于选择速度快、运算能力强、并行性高和可编程的数字信号处理器。基于上面考虑,我们设计了数字化的相位生成载波调制-解调实验系统,其框图如图2所示:

　　在系统中,我们采用了美国德州仪器(TI)公司生产的32位高性能浮点数字信号处理芯片TMS320C6711DSP。DSP芯片产生载波通过DA输出调制激光器,同时,DSP芯片对由AD采集所得到的数据进行PGC算法解调处理。

　　考虑到系统实时性的要求,我们用到了DSP芯片上的增强型DMA控制器(EDMA),它可以脱离DSP核心来控制片上外设,从而可以达到同时完成数据采集和数据处理的要求。