摘要：針對海洋探測、安防、監控等領域多節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字相關技術對各個節點的傳輸時延精確測量，在岸上信號處理單元對測量結果匯總、分析，并根據測量結果對信號進行時延調整，實現所有節點信號水下采集信號的同步輸出。根據FPGA的處理能力，其測量及調整精度可達3ns，經調整后的多個節點之間的信號輸出時延誤差滿足系統后續信號處理要求。

　　關鍵詞：級聯組網;m序列;數字相關技術;環形組網;時延測量;時延調整

　　隨著水下探測、監控、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，提出采用雙環自愈環形組網方式提高系統可靠性，同時通過采用m序列、數字相關技術及先進先出(FIFO)存儲器實現系統時延參數的實時調整，解決了環形網絡中由于可變傳輸路由引起的信號傳輸時延不固定的問題，實現了系統中所有節點信號的同步輸出。

　　1系統架設

　　根據探測精度及系統實時性的要求，水下監測、采集系統一般由1個岸上數據處理中心加n個水下信號監測、采集節點組成。水下采集節點的數量與水下監測系統的范圍及精度要求有關;水下采集節點與岸上信號處理單元的組網方式通常有如下三種：點對點星形/并聯組網[1]、級聯組網和環形組網。各種組網方式如圖1所示。

　　在點對點星形組網模式下，水下節點與岸上節點之間采用點對點的直接連接方式，其數據通過水下與岸上節點之間獨立、專用的數據通道傳輸，系統架設完成后其傳輸時延為1個固定值;級聯組網模式下，各個水下節點采用數據逐級級聯上傳的方式傳輸，在系統架設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種組網方式下，信號路徑、時延固定，但是點對點組網方式一旦監測范圍擴大、節點增加，其架設成本成線性增加;而級聯組網形式由于采用逐級上傳，水下任意1個節點故障都會導致后續所有節點數據無法正常上傳。

　　環形組網也是采用水下節點逐級上傳的方式，與級聯組網方式的不同之處在于：級聯組網水下末端節點N只與N-1個水下節點相連，而環形組網方式末端節點N一端與N-1個水下節點相連，另一端與岸上節點相連，岸上節點、N個水下節點逐級首尾相連形成1個閉合的數據傳輸環路，只需要1芯首尾互相連接光纖，在采用波分復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自愈數據傳輸環路[2]，如圖2所示。

　　由于數據可以沿順時針、逆時針2個方式傳輸，采用環形組網的方式時，1個節點故障其后續節點數據還能正常逐級上傳。圖3給出了集中光纖鏈路故障、節點故障時數據傳輸鏈路圖。

　　如圖3所示，當水下節點3和水下節點4之間的光纖出現故障，如果采用的是單純的級聯組網方式，此時節點3之后的所有節點數據都無法正常傳輸，但是在環形組網方式下，由于具有順時針和逆時針2個環路，此時節點3之前(含節點3)的所有節點數據可以通過順時針(虛線)方向將數據上傳到岸上節點。其可靠性較單級聯方式有很大的高，但是在這種方式下，由于每次路徑不一致，從而導致每次數據傳輸的時延不一致，此時為了使各個數據通道的輸出時延保持一致，勢必需要在岸上數據處理中心增加時延調整模塊，實現對各通道數據時延的實時調整。

　　2時延調整實現方案

　　系統時延調整實現的功能框圖如圖4所示。

　　時延調整系統由時延測試脈沖發射模塊、時延測試脈沖轉發模塊、時延測試脈沖接收模塊、時延測量模塊、時延調整模塊及數據輸出模塊組成，各功能模塊功能描述如下。

　　●時延測試脈沖發送模塊：根據實際需要產生時延測試脈沖信號，經岸上與水下節點的信號傳輸通道傳輸到水下的N個節點，該信號也作為時延測量模塊進行時延測量的基準信號。

　　●時延測試脈沖轉發模塊：

　　該模位于各個水下節點，主要功能是完成岸上傳來的時延測試脈沖的轉發，經由與下發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：以時延測試脈沖發送模塊產生的時延測試脈沖信號作為基準信號，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個下發及上傳數據回路的傳輸時延。

　　●時延調整模塊：根據時延測量模式的各個水下節點的傳輸時延，對該時延數據進行分析處理、延時調整，將各個水下節點調整為同步輸出。

　　3節點時延分析及測量

　　3.1水下節點時延分析

　　水下各個節點線路傳輸遲延時間成如圖5所示，每個節點模擬信號線路傳輸遲延間包括由D/A轉換遲延、輸出接口電路遲ΔT1、光環網傳輸線路遲ΔT2、輸入接口路遲延、和A/D轉換遲延ΔT。系統中每個子站信號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路傳輸遲延測試

　　水下各節點到岸上信號處理單元不同路由遲延測試實現原框圖如圖6所示。在岸上信號處元產生1個長周期偽隨機序列時延測試脈沖信號，在進行節點時延測試時，用該脈沖信號替代岸上信號處理單元的空閑數據進行輸至子站點在信號處理后經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，替代子站點的A/D數據進行數據打包，在信號處理后經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出回環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(回環遲延時間除2)，保存測試結果。根據各自的路由遲延測試結果，各站點的信號傳輸給岸上信號處理單元。