摘要：針對海洋探測、安防、監(jiān)控等領(lǐng)域多節(jié)點水聲信號采集及同步傳輸需求，使用XilinxSpartan6FPGA采用偽隨機序列和數(shù)字相關(guān)技術(shù)對各個節(jié)點的傳輸時延精確測量，在岸上信號處理單元對測量結(jié)果匯總、分析，并根據(jù)測量結(jié)果對信號進行時延調(diào)整，實現(xiàn)所有節(jié)點信號水下采集信號的同步輸出。根據(jù)FPGA的處理能力，其測量及調(diào)整精度可達3ns，經(jīng)調(diào)整后的多個節(jié)點之間的信號輸出時延誤差滿足系統(tǒng)后續(xù)信號處理要求。

　　關(guān)鍵詞：級聯(lián)組網(wǎng);m序列;數(shù)字相關(guān)技術(shù);環(huán)形組網(wǎng);時延測量;時延調(diào)整

　　隨著水下探測、監(jiān)控、安防需求的進一步擴大，各國水下探測的距離、分辨率要求不斷提升，對水聲信號采集的可靠性、實時性、一致性要求也越來越高，本文針對水下信號采集的新需求，提出采用雙環(huán)自愈環(huán)形組網(wǎng)方式提高系統(tǒng)可靠性，同時通過采用m序列、數(shù)字相關(guān)技術(shù)及先進先出(FIFO)存儲器實現(xiàn)系統(tǒng)時延參數(shù)的實時調(diào)整，解決了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中由于可變傳輸路由引起的信號傳輸時延不固定的問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)中所有節(jié)點信號的同步輸出。

　　1系統(tǒng)架設(shè)

　　根據(jù)探測精度及系統(tǒng)實時性的要求，水下監(jiān)測、采集系統(tǒng)一般由1個岸上數(shù)據(jù)處理中心加n個水下信號監(jiān)測、采集節(jié)點組成。水下采集節(jié)點的數(shù)量與水下監(jiān)測系統(tǒng)的范圍及精度要求有關(guān);水下采集節(jié)點與岸上信號處理單元的組網(wǎng)方式通常有如下三種：點對點星形/并聯(lián)組網(wǎng)[1]、級聯(lián)組網(wǎng)和環(huán)形組網(wǎng)。各種組網(wǎng)方式如圖1所示。

　　在點對點星形組網(wǎng)模式下，水下節(jié)點與岸上節(jié)點之間采用點對點的直接連接方式，其數(shù)據(jù)通過水下與岸上節(jié)點之間獨立、專用的數(shù)據(jù)通道傳輸，系統(tǒng)架設(shè)完成后其傳輸時延為1個固定值;級聯(lián)組網(wǎng)模式下，各個水下節(jié)點采用數(shù)據(jù)逐級級聯(lián)上傳的方式傳輸，在系統(tǒng)架設(shè)完成后其信傳輸鏈路固定，因此其傳輸時延也為1個固定值。在這2種組網(wǎng)方式下，信號路徑、時延固定，但是點對點組網(wǎng)方式一旦監(jiān)測范圍擴大、節(jié)點增加，其架設(shè)成本成線性增加;而級聯(lián)組網(wǎng)形式由于采用逐級上傳，水下任意1個節(jié)點故障都會導(dǎo)致后續(xù)所有節(jié)點數(shù)據(jù)無法正常上傳。

　　環(huán)形組網(wǎng)也是采用水下節(jié)點逐級上傳的方式，與級聯(lián)組網(wǎng)方式的不同之處在于：級聯(lián)組網(wǎng)水下末端節(jié)點N只與N-1個水下節(jié)點相連，而環(huán)形組網(wǎng)方式末端節(jié)點N一端與N-1個水下節(jié)點相連，另一端與岸上節(jié)點相連，岸上節(jié)點、N個水下節(jié)點逐級首尾相連形成1個閉合的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路，只需要1芯首尾互相連接光纖，在采用波分復(fù)用的情況下就可以搭建順時針和逆時針方向兩個完整的雙環(huán)自愈數(shù)據(jù)傳輸環(huán)路[2]，如圖2所示。

　　由于數(shù)據(jù)可以沿順時針、逆時針2個方式傳輸，采用環(huán)形組網(wǎng)的方式時，1個節(jié)點故障其后續(xù)節(jié)點數(shù)據(jù)還能正常逐級上傳。圖3給出了集中光纖鏈路故障、節(jié)點故障時數(shù)據(jù)傳輸鏈路圖。

　　如圖3所示，當(dāng)水下節(jié)點3和水下節(jié)點4之間的光纖出現(xiàn)故障，如果采用的是單純的級聯(lián)組網(wǎng)方式，此時節(jié)點3之后的所有節(jié)點數(shù)據(jù)都無法正常傳輸，但是在環(huán)形組網(wǎng)方式下，由于具有順時針和逆時針2個環(huán)路，此時節(jié)點3之前(含節(jié)點3)的所有節(jié)點數(shù)據(jù)可以通過順時針(虛線)方向?qū)?shù)據(jù)上傳到岸上節(jié)點。其可靠性較單級聯(lián)方式有很大的高，但是在這種方式下，由于每次路徑不一致，從而導(dǎo)致每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延不一致，此時為了使各個數(shù)據(jù)通道的輸出時延保持一致，勢必需要在岸上數(shù)據(jù)處理中心增加時延調(diào)整模塊，實現(xiàn)對各通道數(shù)據(jù)時延的實時調(diào)整。

　　2時延調(diào)整實現(xiàn)方案

　　系統(tǒng)時延調(diào)整實現(xiàn)的功能框圖如圖4所示。

　　時延調(diào)整系統(tǒng)由時延測試脈沖發(fā)射模塊、時延測試脈沖轉(zhuǎn)發(fā)模塊、時延測試脈沖接收模塊、時延測量模塊、時延調(diào)整模塊及數(shù)據(jù)輸出模塊組成，各功能模塊功能描述如下。

　　●時延測試脈沖發(fā)送模塊：根據(jù)實際需要產(chǎn)生時延測試脈沖信號，經(jīng)岸上與水下節(jié)點的信號傳輸通道傳輸?shù)剿碌腘個節(jié)點，該信號也作為時延測量模塊進行時延測量的基準(zhǔn)信號。

　　●時延測試脈沖轉(zhuǎn)發(fā)模塊：

　　該模位于各個水下節(jié)點，主要功能是完成岸上傳來的時延測試脈沖的轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)由與下發(fā)路徑相同的鏈路回傳給岸上信號處理單元。

　　●時延測試脈沖接收模塊：接收各個水下節(jié)點回傳的時延測試脈沖信號，輸出給時延測量模塊進行時延測量。

　　●時延測量模塊：以時延測試脈沖發(fā)送模塊產(chǎn)生的時延測試脈沖信號作為基準(zhǔn)信號，測試時延脈沖接收模塊輸入的脈沖信號與該信號的時延差，作為時延測試脈沖信號過1個下發(fā)及上傳數(shù)據(jù)回路的傳輸時延。

　　●時延調(diào)整模塊：根據(jù)時延測量模式的各個水下節(jié)點的傳輸時延，對該時延數(shù)據(jù)進行分析處理、延時調(diào)整，將各個水下節(jié)點調(diào)整為同步輸出。

　　3節(jié)點時延分析及測量

　　3.1水下節(jié)點時延分析

　　水下各個節(jié)點線路傳輸遲延時間成如圖5所示，每個節(jié)點模擬信號線路傳輸遲延間包括由D/A轉(zhuǎn)換遲延、輸出接口電路遲ΔT1、光環(huán)網(wǎng)傳輸線路遲ΔT2、輸入接口路遲延、和A/D轉(zhuǎn)換遲延ΔT。系統(tǒng)中每個子站信號3的ΔT、ΔT均固定且相同，各子站的傳輸遲延差由ΔT132不同產(chǎn)生。只要測試出每個子站點的路由遲延ΔT2，即可計算出各子站點的傳輸遲延時間差，由傳輸遲延時間差計算出各子站點的傳輸延周期，并依據(jù)傳輸遲延周期對各子站點信號進行同步處理。

　　3.2基于偽隨機序列的環(huán)路傳輸遲延測試

　　水下各節(jié)點到岸上信號處理單元不同路由遲延測試實現(xiàn)原框圖如圖6所示。在岸上信號處元產(chǎn)生1個長周期偽隨機序列時延測試脈沖信號，在進行節(jié)點時延測試時，用該脈沖信號替代岸上信號處理單元的空閑數(shù)據(jù)進行輸至子站點在信號處理后經(jīng)所選測試路由傳輸至子站點，子站點解出時延測試脈沖信號后回環(huán)，替代子站點的A/D數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)打包，在信號處理后經(jīng)過所選測試路由傳輸至岸上信號處理單元。在岸上信號處理單元恢復(fù)出回環(huán)的時延測試脈沖信號，并與岸上信號處理單元提供的時延測試脈沖信號基號進行比較，計算出子站點到岸上信號處理單元的傳輸遲延時間(回環(huán)遲延時間除2)，保存測試結(jié)果。根據(jù)各自的路由遲延測試結(jié)果，各站點的信號傳輸給岸上信號處理單元。