CN109167633A - 基于fpga的光纤激光传感网络多通道并行解调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，所述光电转换模块的输入端接入光载微波信号，输出端与射频信号处理通道模块的输入端连接；所述射频信号处理通道模块对射频信号进行自动增益放大、带通滤波，得到确定带宽、功率的射频信号后送入高速模数转换模块；所述高速模数转换模块对确定带宽的射频信号进行带通直采；所述实时数字信号解调处理模块控制光开关切换传感线路，并在同步信号的控制下完成对射频数字信号的实时解调处理；所述时钟信号产生模块将采样时钟、系统时钟分别送入高速模数转换模块和实时数字信号解调处理模块。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快、鲁棒性强，且无需系统参数校准。

Description

基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统

技术领域

本发明涉及一种光纤传感信号解调技术，尤其涉及的是一种基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统。

背景技术

光纤传感与传统的各类传感技术相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、耗能少、测量安全、光纤柔性质轻、易于组网复用等优势，因此在很多特殊条件下应用广泛。其中光纤激光传感器采用光纤激光器作为敏感元件，不受光源功率起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗的影响，无需固定参考点，复用方便，其具有高的信噪比和窄的带宽，传感准确度、分辨率高。光纤激光传感器优势明显，因此可用于航空航天微振动、水下声场微弱声压等微弱信号的检测。当前工程应用与科学研究中，往往需要获得待测物理量的空间分布和时间变化，这就需要布置多点传感器形成传感网络。目前，传感组网技术已较为成熟，如配以高性能的信号处理系统，可以实现对待测量的高灵敏、高精度、高分辨率、大动态范围、宽频带、大范围、长时间的测量。传统的光纤激光传感器解调系统多采用模拟方式，系统易受器件老化、温度漂移等影响，对于大动态宽带光载微波信号解调能力有限。另外，因加工工艺和光纤特性限制，光纤激光传感器输出信号中心频率难以准确控制，通常光纤激光传感器的中心频率不一致，使用传统的解调方案灵活性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有模拟解调方案、频谱分析技术在解调动态传感信号上具有不足，提供了一种基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括光电转换模块、射频信号处理通道模块、高速模数转换模块、实时数字信号解调处理模块、时钟信号产生模块；

所述光电转换模块的输入端接入传感网络的光载微波信号，输出端与射频信号处理通道模块的输入端连接，完成光信号到电信号的转换并输出外差调频信号，传感网络具有多个传感器；

所述射频信号处理通道模块对射频信号进行自动增益放大、带通滤波，得到确定带宽、功率的射频信号后送入高速模数转换模块；

所述高速模数转换模块对确定带宽的射频信号进行带通直采，实现射频信号的模拟数字转换，并将输出的数字信号输送到实时数字信号解调处理模块；

所述实时数字信号解调处理模块控制光开关切换传感线路，并在同步信号的控制下完成对射频数字信号的实时解调处理，获得传感信号，并将解调结果传送到下一级处理单元；

所述时钟信号产生模块将采样时钟、系统时钟分别送入高速模数转换模块和实时数字信号解调处理模块。

所述射频信号处理通道模块包括依次连接的低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器、带通滤波器。

所述数字程控衰减器，为单片数控电调衰减器，反馈控制通过数字信号实现。控制环路简洁，且具有插入损耗低、体积小等特点，能实现小步进衰减、大动态范围控制。

所述实时数字信号解调处理模块具有多个并行的数控振荡器通道NCO和对应的解调处理模块，所述实时数字信号解调处理模块利用数字信号处理平台对数字化的射频信号进行数字下变频，完成数字正交鉴相、鉴频处理，解调时多个通道并行，各通道NCO参数随光开关控制信号同步切换，NCO参数与传感器一一对应，单个通道分时复用解调处理模块。

所述实时数字信号解调处理模块基于数控振荡器实现射频直采数字序列的数字下变频，数控振荡器根据参数产生两路正交本振序列，将输入的数字射频信号序列与两路正交本振序列分别相乘，经低通滤波后降采样得到两路正交基带信号，滤波器的阶数根据系统响应时间确定。

所述实时数字信号解调处理模块完成通过正交基带信号完成相位解调、频率解调，将得到的两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，即可得到大动态范围的相位解调，将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，即可以实现频率解调，得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。

所述实时数字信号解调处理模块中的数控振荡器，振荡频率由传感网络的传感器的静态输出结果确定，该振荡频率以系统定常参数存储于非易失存储器中，并根据实际传感器重复设定。

所述实时数字信号解调处理模块事先在非易失存储器中存储传感器定标常数，用于数字解调结果的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。

所述实时数字信号解调处理模块将解调结果进行数字滤波、降采样处理，最终以总线、以太网信号传输方式送下一级控制处理单元。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明基于软件无线电思想，对光纤激光传感器输出的光载微波宽带大动态传感信号用高速模数转换器进行直采，用通用、标准化的数字信号处理平台实时解调传感信号，该系统减轻了复杂的射频模拟电路设计负担，系统架构简洁，系统的主要功能用软件方式实现，便于系统功能的调整、升级。基于高速数字信号处理平台的解调精度高、速度快、鲁棒性强，且无需系统参数校准。

附图说明

图1是本发明应用于光纤激光传感器解调过程的示意图；

图2是基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，将动态待测物理量作用于光纤激光传感器，调制光纤内的光波输出光载微波调频信号，经基于软件无线电的传感信号实时解调系统处理，解调系统输出恢复的传感信息，从而达到测量目的。

如图2所示，本实施例的多通道并行解调系统包括光电转换模块1、射频信号处理通道模块2、高速模数转换模块3、实时数字信号解调处理模块4、时钟信号产生模块5；

所述光电转换模块1的输入端接入传感网络6的光载微波信号，输出端与射频信号处理通道模块2的输入端连接，完成光信号到电信号的转换并输出外差调频信号，传感网络6具有多个传感器；

所述射频信号处理通道模块2对射频信号进行自动增益放大、带通滤波，得到确定带宽、功率的射频信号后送入高速模数转换模块3；

所述高速模数转换模块3对确定带宽的射频信号进行带通直采，实现射频信号的模拟数字转换，并将输出的数字信号输送到实时数字信号解调处理模块4；

所述实时数字信号解调处理模块4控制光开关7切换传感线路，并在同步信号的控制下完成对射频数字信号的实时解调处理，获得传感信号，并将解调结果传送到下一级处理单元；

所述时钟信号产生模块5将采样时钟、系统时钟分别送入高速模数转换模块3和实时数字信号解调处理模块4。

所述射频信号处理通道模块2包括依次连接的低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器、带通滤波器。所述数字程控衰减器，为单片数控电调衰减器，反馈控制通过数字信号实现。控制环路简洁，且具有插入损耗低、体积小等特点，能实现小步进衰减、大动态范围控制。

所述高速模数转换模块3实现对带通射频信号的带通直采。由于光纤激光传感器的拍频频率通常很大，而传感器测量物理量(如振动加速度物理量、水声声压物理量)产生的瞬时频变相对而言属窄带信号，因此使用带通直采方式可以降低采样要求，提高系统解调响应能力。

所述实时数字信号解调处理模块4利用标准化的通用数字信号硬件平台，完成光开关7的控制，并对高速模数转换模块3带通直采数据进行解调。所述实时数字信号解调处理模块4具有多个并行的数控振荡器通道NCO和对应的解调处理模块，所述实时数字信号解调处理模块4利用数字信号处理平台对数字化的射频信号进行数字下变频，完成数字正交鉴相、鉴频处理，解调时多个通道并行，各通道NCO参数随光开关7控制信号同步切换，NCO参数与传感器一一对应，单个通道分时复用解调处理模块。

所述实时数字信号解调处理模块4基于数控振荡器实现射频直采数字序列的数字下变频，数控振荡器根据参数产生两路正交本振序列，将输入的数字射频信号序列与两路正交本振序列分别相乘，经低通滤波后降采样得到两路正交基带信号，滤波器的阶数根据系统响应时间确定。

所述实时数字信号解调处理模块4完成通过正交基带信号完成相位解调、频率解调，将得到的两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，即可得到大动态范围的相位解调，将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，即可以实现频率解调，得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。对相位解调结果在时域和频域分析，可以得到待测物理量的幅度、频率等信息。

所述实时数字信号解调处理模块4中的数控振荡器，振荡频率由传感网络6的传感器的静态输出结果确定，该振荡频率以系统定常参数存储于非易失存储器中，并根据实际传感器重复设定。

所述实时数字信号解调处理模块4的构建基于软件无线电思想，使用通用的数字信号处理硬件平台，信号的处理用软件实现。用于完成信号解调的数控振荡器、数字滤波器、相位解调、频率解调实现可根据系统参数的变动、算法升级进行反复重构。

所述实时数字信号解调处理模块4事先在非易失存储器中存储传感器定标常数(如加速度频率偏移灵敏度参量、水声声压频率偏移灵敏度参量)，用于数字解调结果的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。

所述实时数字信号解调处理模块4将解调结果进行数字滤波、降采样处理，最终以总线、以太网信号传输方式送下一级控制处理单元。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，包括光电转换模块、射频信号处理通道模块、高速模数转换模块、实时数字信号解调处理模块、时钟信号产生模块；

所述光电转换模块的输入端接入传感网络的光载微波信号，输出端与射频信号处理通道模块的输入端连接，完成光信号到电信号的转换并输出外差调频信号，传感网络具有多个传感器；

所述射频信号处理通道模块对射频信号进行自动增益放大、带通滤波，得到确定带宽、功率的射频信号后送入高速模数转换模块；

所述高速模数转换模块对确定带宽的射频信号进行带通直采，实现射频信号的模拟数字转换，并将输出的数字信号输送到实时数字信号解调处理模块；

所述实时数字信号解调处理模块控制光开关切换传感线路，并在同步信号的控制下完成对射频数字信号的实时解调处理，获得传感信号，并将解调结果传送到下一级处理单元；

所述时钟信号产生模块将采样时钟、系统时钟分别送入高速模数转换模块和实时数字信号解调处理模块。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述射频信号处理通道模块包括依次连接的低噪声放大器、数字程控衰减器、补偿放大器和带通滤波器。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述数字程控衰减器，为单片数控电调衰减器，反馈控制通过数字信号实现。

4.根据权利要求1所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块具有多个并行的数控振荡器通道NCO和对应的解调处理模块，所述实时数字信号解调处理模块利用数字信号处理平台对数字化的射频信号进行数字下变频，完成数字正交鉴相、鉴频处理，解调时多个通道并行，各通道NCO参数随光开关控制信号同步切换，NCO参数与传感器一一对应，单个通道分时复用解调处理模块。

5.根据权利要求4所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块基于数控振荡器实现射频直采数字序列的数字下变频，数控振荡器根据参数产生两路正交本振序列，将输入的数字射频信号序列与两路正交本振序列分别相乘，经低通滤波后降采样得到两路正交基带信号，滤波器的阶数根据系统响应时间确定。

6.根据权利要求4所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块完成通过正交基带信号完成相位解调、频率解调，将得到的两路正交基带信号进行相除，并进行四向限反正切运算，再对反正切结果进行周期扩展，即可得到大动态范围的相位解调，将相位解调获得的相位信号进行数字微分处理，即可以实现频率解调，得到与传感器测量物理量成正比的频率信号。

7.根据权利要求4所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块中的数控振荡器，振荡频率由传感网络的传感器的静态输出结果确定，该振荡频率以系统定常参数存储于非易失存储器中，并根据实际传感器重复设定。

8.根据权利要求4所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块事先在非易失存储器中存储传感器定标常数，用于数字解调结果的定标转换处理，将定标常数与测频结果相乘，以得到最终的传感器测量输出。

9.根据权利要求4所述的基于FPGA的光纤激光传感网络多通道并行解调系统，其特征在于，所述实时数字信号解调处理模块将解调结果进行数字滤波、降采样处理，最终以总线、以太网信号传输方式送下一级控制处理单元。