摘 要 人类对海洋的探索、开发和利用活动不断深入，很多水下作业的潜艇、潜水器、水下机器人等对水下信息传输的需求日益增加。声波在水中传播的衰减小，传输距离远，本文所设计的电子板，可以实现水声信号的A/D与D/A转换以及数字信号的调制与解调，达到水下信息传输的目的。

　　关键词 水声通信 FPGA EDA设计

　　中图分类号：TN911.3 文献标识码：A

　　1水声通信简介

　　水声通信就是以声波为载体在水下传输信息的技术。在水下，电磁波的吸收很大，在水中的也衰减很快，并且波长越短，损失越大，即使用大功率的大型天线发射低频电磁波，也只能传播几十米的距离。最新发展起来的蓝绿激光技术，由于其造价昂贵，而且作用距离小，也不适用于大规模和长距离的水下通信中。而声波在水中传播的衰减就非常小，低频的声波甚至可以穿透海底几千米的地层，获得其中信息。

　　2 FPGA简介

　　2.1 FPGA运行速度快

　　速度快的优势来源于FPGA的硬逻辑方式。由于FPGA的逻辑功能全部用硬件电路实现，故所有的延迟只来源于门电路，而一般门电路的延迟都在ns级别。FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就导致了FPGA工作更有效率。

　　2.2 FPGA管脚多，容易实现大规模系统

　　单片机IO口有限，而FPGA动辄数百IO，可以方便连接外设。比如一个系统有多路AD、DA，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的IO资源，可以很容易用不同IO连接各外设。

　　2.3 FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发

　　FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且IO数仅受FPGA自身IO限制，所以，FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现 。

　　3系统设计

　　为了能够实现水声信号的A/D、D/A转换以及数字信号的调制、解调处理，本系统主要集成了A/D转换芯片、D/A转换芯片和FPGA芯片等，FPGA采用EP3C10芯片，A/D转换芯片采用ADS7800JU芯片，而D/A转换芯片为TLV5639芯片，另外还使用了LVT245电平转换芯片，MAX232芯片等。系统组成框图如图1所示。

　　发送端，由上位机将需要传输的数据通过串口传送进来，直接送到FPGA进行处理，调制好的数字信号再由FPGA发送到DA转换模块，转换成模拟信号之后由模拟输出端发出到下位机进行进一步的模拟放大和发送。接收端，下位机将模拟信号通过模拟输入端送入AD转换模块转换成数字信号，再经过电平转换后进入FPGA进行解调，之后通过串口送入上位机，完成信号的接收。

　　EP3C10属于Altera的Cyclone III系列，具有200K逻辑单元（LE）、8-Mbits存储器，而静态功耗不到1/4瓦，该系列设立了功耗标准。采用台积电（TSMC）的低功耗（LP）工艺技术进行制造，无论是通信设备、手持式消费类产品，还是软件无线电设备，都可以胜任。EP3C10芯片作为主控芯片，主板上的大部分芯片都与其相连，该芯片使用TQFP封装，共有144个引脚，所有引脚的功能可以分为五大类：供电及参考电压引脚、配置专用引脚、时钟和锁相环引脚、两用可选配置引脚和外部接口引脚。在原理图设计中应根据各个引脚的功能，将其与其它元件合理的连接起来。图2所示为FPGA部分电路原理图。

　　换能器接收来的信号是模拟的形式的，要使用FPGA对接收到的信号进行解调，首先应该把模拟信号转变成数字信号。市场上的A/D转换器种类繁多，性能不一，需要合理的进行选择。从误差控制的角度来看，A/D转换器的位数越高，精确度越高，一般8位以下的A/D转换器为低分辨率转换器，转换误差较大，而13位以上的A/D转换器为高分辨率转换器，但是对误差降低有限，同时对器件本身要求过高。特别是在水下通信中，噪声干扰比较严重，受外在噪声的影响，高分辨率转换器并不能对系统的性能有所提高，所以本系统采用12位的中分辨率A/D转换器，既能够满足应用中精确度的要求，又控制了成本。本系统中的A/D转换芯片使用了burr-brown公司的ADS7800JU，这是一种12位并行模数转换器，采用先进的CMOS工艺，利用内部的12位逐步逼近转换器和采样/保持器进行工作，最大采样率可以达到333kHz，输入的电压范围为-10V～+10V或-5V～+5V。图3为A/D芯片电路原理图。

　　待发送的信号在FPGA芯片中进行调制之后，要通过数模转换芯片把数字信号转换成为模拟信号再进行发射。本系统从数据精确度、功耗、成本等因素出发，选择了TI公司的TLV5639芯片来实现数模转换。TLV5639是一种自带参考电压的2.7V～5.5V低电压12位数模转换芯片，可以很方便的与各种处理器的并行接口相连。TLV5639可以通过16位字符进行配置，其中包括4位控制字和12位数据。该芯片采用了20引脚的SOIC和TSSOP封装。图4为 TLV5639电路原理图。

　　4小结

　　系统以Altera的EP3C10芯片为核心，使用ADS7800芯片实现模数转换，用TLV5639芯片完成数模转换。使用串行接口来实现与外围设备之间数字信号的通信，配置了模拟数据接口和光耦隔离器。用多颗DCDC和稳压芯片对系统供电。实现了适用于水声通信调制解调系统的EDA设计。

　　参考文献

　　[1] Robert J. Urick. Principles of Underwater Sound. New York， McGraw-Hill， 1983：1-14P

　　[2] FrankM.Caimi.Laser/Light Imaging for Underwater Use.Sea Teehnology， Dec， 1993：22-27P

　　[3] 夏琴香，等.高速大容量 FIFO 缓冲存储器设计[J].微计算机信息，2009（35）.

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