Σχεδίαση και Υλοποίηση Ολοκληρωμένου Συστήματος Παθητικής Καταγραφής Ήχων στο Υδάτινο Περιβάλλον με χρήση Field Programmable Gate Array (FPGA)

Abstract

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η σχεδίαση και υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου Συστήματος Παθητικής Καταγραφής και Ανάλυσης Ήχων (Passive Aquatic Listener - PAL) για υδάτινο περιβάλλον. Η γενική λειτουργία του συστήματος αυτού, παρέχει την δυνατότητα καταγραφής και ανάλυσης κάθε ηχητική συχνότητα στο εύρος των 100Hz – 50kHz, ενώ ανάλογα με την μηχανολογική κατασκευή στην οποία θα τοποθετηθεί, επιτρέπεται η χρήση του στο υδάτινο περιβάλλον και σε βάθος από μερικά μέχρι αρκετές εκατοντάδες μέτρα. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση και μέτρηση κάθε ήχου που προέρχεται από δραστηριότητες φυσικές (άνεμος, βροχή), βιολογικές (φάλαινες, θαλάσσια ζώα) ή ανθρώπινες (μηχανές σκαφών). Στο Κεφάλαιο 1 Περιγράφεται η γενική δομή και τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Δίνονται οι γενικές προδιαγραφές της αναλογικής και της ψηφιακής βαθμίδας. Στο Κεφάλαιο2 αναλύεται η θεωρία των βασικών δομικών μονάδων και οι παράμετροι λειτουργίας. Σύντομη θεωρητική περιγραφή της μετατροπής Analog-to-Digital και αντίστροφα, του θεωρήματος δειγματοληψίας, η μετατροπή Discrete Fourier Transform και ψηφιακή ανάλυση με χρήση αλγορίθμου Fast Fourier Transform. Περιγραφή Αναλογικών Φίλτρων και φίλτρων για μετατροπή δεδομένων. Σχεδίαση Eνεργών Αναλογικών Φίλτρων με χρήση Τελεστικών (Operational Amplifiers). Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται η σχεδίαση της αναλογικής βαθμίδας που περιλαμβάνει τον ενισχυτή, τα ενεργά φίλτρα, τον Analog to Digital μετατροπέα (ADC) και της μονάδας τροφοδοσίας. Υλοποίηση της σχεδίασης με επιλογή των κατάλληλων εξαρτημάτων του εμπορίου. Υπολογισμός Θορύβου τελεστικών ενισχυτών και ADC. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται το Xilinx EDK Suite και περιγράφεται η σχεδίαση της Ψηφιακής Βαθμίδας που περιλαμβάνει τον μικροϋπολογιστή PowerPC 440, τον πυρήνα FFT, τους ελεγκτές μνήμης και εξωτερικής αποθήκευσης καθώς και το λογισμικό διαχείρισης του συστήματος.

The purpose of this thesis is the design and implementation of a complete passive sound recorder and analyzer (Passive Aquatic Listener – PAL) for the aquatic environment. The main operation of this system is to record and analyze any frequencies in the range of 100Hz to 50kHz while, according to the mechanical construction that the system is incorporated, allows the deployment in the aquatic environment of several hundred meters depth. These systems are used for recognition and measurement of any kind of sound that comes from physical activities (wind, rain), biological (whales, sea animals) or human (marine engines). In chapter 1 the general structure and the main features are described. The general specifications of the analog and digital stages are also given. In chapter 2 the theory of the structural modules and operation parameters of the system are analyzed. There are short theoretical descriptions of the Analog – to - Digital and Digital – to – Analog conversions, the Discrete Fourier Transform and the digital signal processing using Fast Fourier Transform algorithm. Analog Filters and Filters used for data conversions are described. Designing procedures of Active Filters using Operational Amplifiers are shown. In chapter 3 is described the design of the analog stage which includes the amplifier, the active filter, the Analog to Digital converter and the power supply unit. The implementation of the design with proper selection of commercial components is analyzed. The calculation procedure of noise in Operational Amplifiers and ADC is also shown. In chapter 4 is presented the Xilinx EDK Suite that used for the design of the digital stage which involves the PowerPC processor, FFT ip core, memory and external storage device controllers and the system management software.