基于FPCA的地震信号发生器的设计

胡云亮1，2陈志高2

（1.中国地震局地震研究所，湖北 武汉 430071；

2.中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，湖北 武汉 430071）

【摘要】设计了一种基于FPGA系列的地震波信号发生器，能够发出代替地震源实际的地震波信号，当将标准信号源产生的地震波波形信号传送给待检测仪器，用以确定这类检测仪器的准确性以及精准性，同时也能够实现此类检测仪器的调试工作。具体以Cyclone Ⅳ系列为核心，PC机通过地震波波形数据交换接口模块将由地方台站网监测采样得到的原始地震波波形数据传输至信号发生器数据存储单元中，然后根据不同需求将特定的地震波信号输出至指定待测地震仪器。设计的地震波信号发生器结构简单、体积小，可时时发出符合要求且反映地震源信息的地震波信号。

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关键词 地震波；信号发生器；现场可编程逻辑门阵列

0引言

目前信号处理技术发展迅速，以及研究人员对地震灾害预警的关注与研究越来越多，国内外电子仪器领域出现了不同的各式各样的地震波检测仪器，如何设计更加标准的地震波波形信号发生器产生信号源来检测这些地震仪器的准确性以及标准性，这些工作显得尤为重要。普通的信号发生器只能提供诸如正弦波、方波、三角波等信号源，而不能提供代表不同震源和场地信息的地震波信号，如何输出这种所需的信号源是研究的目的所在。在研究过程中，需要使用接近真实地震的地震波信号来对地震波检测仪器进行准确性和精确度检测和校正，因此迫切需要专用地震波信号发生器。地震波信号发生器可以把代表地震的震源和场地信息的地震波波形抽象出来，以文本的形式存储在发生器的硬件中，以此来代替实测地震波信号并将其发送至各类地震波检测仪器中，方便调试和检查这些仪器的性能指标。

1地震波信号

地震波是指从震源产生向四周辐射的弹性波，其按传播方式可分为纵波（如图1）、横波（如图2）和面波三种类型。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5~7千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性相对来说是比较弱的。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，故只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

结合地震波传播特性，我们可以发现其中P波以相同的速度沿着各个方向传播，不停地交替地拉张和挤压着所有穿过的介质，这里包括地球内部以及地面建筑物，介质颗粒在P波传播的方向上做向后和向上的运动，也就是垂直于波前，P波是最先到达建筑物的波；而S波则是包括剪切力矩和扭矩，使得物体产生扭动和剪切变形而传播的，所以S波穿过地球内部岩石以及地面建筑物时，表现的情况与P波传播过程中的表现完全不一样，介质颗粒在S波传播的方向上做的运动是横过运移的，这个类似于光波在介质中的传播特性，正因为P波和S波所具有的这种特殊的传播性质，使得地震波信号与光波或者声波相比，具有不同的物理表现，表现出更加复杂、特殊的性质。所以由于地震波信号的特殊性，仅仅通过数学模型对地震波信号进行数学模拟以达到产生地震波是很难实现的，或者说模拟的地震波信号不能达到所需要的要求，所以很容易产生的想法就是将由强震台站网络监测到的真实地震波信号通过数模转换，直接传送给检测仪器，本研究真是出于这种考虑而进行的。

2整体结构设计

如图2所示，地震波波形信号发生器系统大致包含七个模块，其分别为：FPGA主控模块，其是整个系统的控制核心；数据交换接口模块，本设计采用的是USB2.0接口技术；显示控制模块；常规信号产生模块以及地震波波形信号存储模块；信号调理模块，其含有数模转换、功率放大以及滤波处理；以及为整个系统供电的电源模块。系统的逻辑关系可以简单地描述为：由地震台网采集的历史地震波波形信号通过USB接口输入至SDRAM存储器中，当需要某段地震波波形信号时，通过控制信号，读取调用至模数转换模块。在转换完成之后，通过滤波处理得到较为纯净的信号后，再将所得信号传输至放大电路以及隔离电路，经过幅度等调整之后，即可从整体系统中输出。

本设计的核心是FPGA模块以及维处理器组合而成的中心控制模块，FPGA芯片选用的是Altera公司Cyclone Ⅳ系列的EP4CE115F29，FPGA是整个地震波波形信号发生器的设计系统的核心，在整个系统设计过程中，利用FPGA平台对整个系统中的所有的数字逻辑进行控制，使其得以很好地实现地震波信号的输出，其中包含产生时钟信号对D/A转换电路加以控制、SDRAM存储器中数据的读写、内置锁相环等等。正因为FPGA的结构与功能优点，从而实现整个系统的逻辑处于可调试可编程的良好状态，也就是说，只需要调试人员按照用户要求及时的对FPGA内部程序进行更新，使得整个地震波波形信号发生器系统实用性更加灵活可靠。

关于正弦波、三角波以及方波等常规波波形的合成，本设计直接采用频率合成技术，即图2中模块1的功能。频率合成技术起源于20世纪30年代，至今已有将近80年的发展历史。频率合成器的实现方法有3种：直接模拟频率合成、间接频率合成以及直接数字频率合成。本文采用的是出现于上个世纪七十年代的直接数字式频率合成技术，相较于前两者频率合成技术，直接数字式频率合成技术是从相位考虑，通过频率合成而得到所需的频率信号，能够更好得到高精度的常规波波形信号。DDS芯片通过来自FPGA芯片的控制信号（包括时钟信号）完成对常规波波形的产生以及信号的频率、幅度、相位等的高精度调理控制，最终输出满足要求的信号。

关于对信号的调理部分，包含数模处理、信号的放大以及信号的低通滤波处理，数模处理主要是选用AD公司研制生产的AD9740芯片实现的：通过来自FPGA芯片的时钟信号控制AD9740芯片的工作状态，有效地实现AD芯片功能，产生模拟形式的地震波波形信号。由于AD芯片输出的信号的幅值大概在1V左右，与所要求设计的地震波波形信号发生器的幅度范围（2mV-10V），所以在电路设计中必须加入放大电路模块。又因为运放具有很高的开环增益，必须跟随反馈电路，只有这样，放大电路模块才有可能正常工作。由于电压反馈的运算放大器的增益带宽积是恒定的，故而问了拓展放大电路的通频带，引入负反馈，但同时是以牺牲电路的增益为代价的。在本设计中，因为设计的信号发生器输出频率范围为：

100μHz-100kHz，输出信号的最大幅度为10V。我们选用的运算放大器为高速电流反馈运放AD8009。其增益为10时，大信号的带宽为320MHz，小信号的带宽则是350MHz。并且其有非常好的压摆率（5500V/μs），当增益为10时，建立时间只需要75ns左右，采用±5V的电源，此时能够对地震波信号实现较好地放大。

在整个滤波模块设计中，我们主要考虑的是对于地震波波形信号的处理。由于输出波形信号含有大量的谐波分量，故而在设计过程中，滤波器的过渡区不能够过于狭窄，当过于狭窄时，很有可能就会将信号中有用的谐波分量不小心滤除，这样就会使得输出的地震波信号出此案波形失真。

现代滤波理论告诉我们：所有的高阶的低通滤波器都可以运用一阶低通滤波器以及二阶低通滤波器进行级联而得到。所以在经过了对于滤波器本身特性、信号频谱特性以及电路设计难易程度考虑之后，最后本设计采用了直接设计法中的级联法，设计出6阶带有Sallen-Key结构的贝塞尔低通滤波器。

3结束语

经过在相关的地震预警系统（包括核电KIS系统以及高铁预警系统）进行测试与应用，根据本设计所产生的地震波波形信号基本能够到达所需要求，其主要技术指标包括：

输出频率：100μHz-100kHz；

输出幅度：2mV-10V（高阻），1mV-5V（50Ω）；

频率误差：≤±4.5×10-6；

幅度误差：≤±1%+0.1mV；

幅度稳定度：优于±1%×10-6。

对记录仪器进行标定以及测试是仪器设计与工作过程中一项相当重要的工作，在地震行业也同样重要。考虑到地震波波形信号的特殊性，如何能产生性能指标逼近真实地震源发出的地震波信号，这项工作显得比较紧迫，而本研究正是出于此目的，通过将真实地震源信号经过相关的模数处理以及一系列的信号调理，尽可能真实的还原地震波信号，然后将其传输给待检测的记录仪器，对记录仪器的准确度以及精确度进行测试。将设计输出的地震波信号与真实地震源信号进行比较，结果表明，所设计的地震波信号发生器的基本参数基本达到了所需要求。

［责任编辑：刘展］