多通道聲納信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代明清, 馮西安, 高天德, 李曉花

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多通道聲納信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代明清, 馮西安, 高天德, 李曉花

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

模擬預(yù)處理系統(tǒng)是聲納接收機(jī)的重要組成部分, 為了解決聲納回波信號(hào)微弱多變等問題, 設(shè)計(jì)了一款高精度、多通道模擬預(yù)處理系統(tǒng), 給出了系統(tǒng)整體框圖, 分析了其工作原理, 并詳細(xì)介紹了各部分電路。該系統(tǒng)采用壓控放大器VCA810設(shè)計(jì)自動(dòng)增益控制, 實(shí)現(xiàn)了±40 dB范圍內(nèi)輸入信號(hào)的線性、無失真以及恒定輸出, 并通過截止頻率可變的開關(guān)電容濾波器實(shí)現(xiàn)寬帶濾波, 且濾波器通頻帶可通過撥碼開關(guān)控制, 靈活可調(diào)。該系統(tǒng)具有體積小、低噪聲、低功耗及動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn), 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可滿足設(shè)計(jì)要求。

聲納; 回波信號(hào); 預(yù)處理系統(tǒng); 自動(dòng)增益控制; 開關(guān)電容濾波器

0 引言

目前, 聲納已廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)探測(cè)、海洋地質(zhì)考察、船舶導(dǎo)航及海上石油勘探等方面。一個(gè)完整的聲納系統(tǒng)主要包括信號(hào)源、發(fā)射功率放大器、換能器基陣、模擬預(yù)處理機(jī)及后級(jí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

在進(jìn)行水下探測(cè)時(shí), 由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠(yuǎn)近及傳播衰落等因素的影響, 接收機(jī)接收到的水聲信號(hào)往往比較微弱, 且動(dòng)態(tài)范圍很大, 不適合直接進(jìn)行后級(jí)處理。因此, 需要有模擬預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波及自動(dòng)增益控制(automatic gain control, AGC), 將接收到的信號(hào)放大至適當(dāng)?shù)碾娖? 并壓縮信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍, 再傳給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及后級(jí)處理。另外, 水聲信號(hào)處理中普遍采用波束形成技術(shù), 這就要求預(yù)處理系統(tǒng)是一種多通道系統(tǒng), 且各通道間必須具有良好的相位和幅度一致性。

本文根據(jù)實(shí)際需要, 設(shè)計(jì)了一款8通道模擬預(yù)處理系統(tǒng), 有效完成了對(duì)回波信號(hào)的放大、濾波和自動(dòng)增益控制。系統(tǒng)增益達(dá)120 dB, 動(dòng)態(tài)范圍為80 dB, 工作頻帶可調(diào)。

1 多通道聲納信號(hào)預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多通道預(yù)處理系統(tǒng)主要由低噪聲放大、自動(dòng)增益控制、帶通濾波器、射極跟隨和供電電源5部分組成。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖[1]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

一般放大器在放大倍數(shù)較高時(shí)很容易自激, 因此, 本系統(tǒng)采用了3級(jí)放大形式。1級(jí)放大增益為40 dB, 用于放大前端接收到的微弱信號(hào); AGC增益范圍為-40~+40 dB, 用于調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù), 壓縮信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍, 穩(wěn)定輸出信號(hào)幅度; 3級(jí)放大增益為40 dB, 用于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整體增益。3級(jí)級(jí)聯(lián)放大保證了系統(tǒng)總體增益高達(dá)120 dB, 并可在40~120 dB內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

濾波器在系統(tǒng)中主要起降低噪聲、濾除帶外干擾、提高整機(jī)穩(wěn)定性的作用。為了保證濾波器的通帶平坦度和阻帶衰減, 采用高通濾波器加低通濾波器的方式組成高階帶通濾波器。高通、低通濾波器均采用開關(guān)電容濾波器, 由復(fù)雜可編程邏輯器件 (complex programmable logic device, CPLD)[2]為其提供外部時(shí)鐘, 以便改變?yōu)V波器截止頻率, 調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶寬。射極跟隨主要用于降低輸出阻抗, 并將單端信號(hào)變?yōu)椴罘中盘?hào), 以便A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)。

1.2 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)內(nèi)部噪聲是影響整機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一[3], 它直接限制了接收裝置的最小可檢測(cè)信號(hào), 因此, 在設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí), 要盡可能降低系統(tǒng)噪聲, 提高信噪比。本系統(tǒng)共由3級(jí)放大電路組成, 當(dāng)?shù)?級(jí)放大器的功率增益很高時(shí), 級(jí)聯(lián)放大器的總噪聲系數(shù)主要受第1級(jí)放大器噪聲的影響, 所以在低噪聲設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小第1級(jí)的噪聲系數(shù)并提高第1級(jí)的增益。

式中: , 分別為電感前級(jí)上下兩端的電感量。系統(tǒng)采用此電路取代一般的電阻反饋式電路, 有效降低了前級(jí)噪聲, 經(jīng)試驗(yàn)前級(jí)等效輸入噪聲有效值可低至80 nV。

1.3 自動(dòng)增益控制設(shè)計(jì)

由于海洋環(huán)境復(fù)雜多變, 接收機(jī)接收的信號(hào)強(qiáng)弱變化范圍很大, 信號(hào)強(qiáng)度可以從幾微伏至幾毫伏, 相差幾十分貝。如果接收機(jī)增益不變, 則容易造成強(qiáng)信號(hào)的堵塞或弱信號(hào)的丟失。因此需要設(shè)計(jì)良好的AGC電路調(diào)節(jié)各通道放大倍數(shù), 使輸出信號(hào)的幅度保持不變或只有很小的變化。本系統(tǒng)采用TI公司的壓控放大器VCA810實(shí)現(xiàn)各通道的增益控制。

1.3.1 VCA810性能特點(diǎn)

控制電壓與增益間的關(guān)系

圖3 控制電壓與增益間的關(guān)系曲線

1.3.2 AGC控制電路

圖4 自動(dòng)增益控制電路

1.4 頻帶可調(diào)8階帶通濾波器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用8階高通濾波器和8階低通濾波器組成一個(gè)高階帶通濾波器[5], 來實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波。其中高通濾波器選用Linear公司的LTC 1068-25, 低通濾波器選用LTC1569-7。兩濾波器的時(shí)鐘頻率均由CPLD提供, 若要改變系統(tǒng)通頻帶, 只需改變CPLD提供的時(shí)鐘頻率即可。

因此, 帶通濾波器帶寬為

圖5為CPLD產(chǎn)生時(shí)鐘頻率的原理圖。R4為4位排阻, SW DIP-4為4位撥碼開關(guān)。當(dāng)某一位開關(guān)閉合時(shí), 其輸出端接地, 相應(yīng)輸出電平為低; 當(dāng)開關(guān)斷開時(shí), +5V電源通過一個(gè)電阻與數(shù)據(jù)輸入端相連, 輸出電平為高。通過對(duì)CPLD編程產(chǎn)生16組高通濾波器時(shí)鐘(HCLK)和低通濾波器時(shí)鐘(LCLK), CPLD根據(jù)的值, 選擇其中一組時(shí)鐘頻率提供給開關(guān)電容濾波器, 即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)頻帶內(nèi)的濾波功能。

實(shí)際中, 可采用Linear公司提供的專用軟件FilterCAD設(shè)計(jì)濾波器。設(shè)計(jì)時(shí)只需給出濾波器截止頻率、階數(shù)及類型, 便可快速設(shè)計(jì)出合適的電路, 且可查看濾波器的頻率響應(yīng)曲線及階躍、脈沖時(shí)間響應(yīng)曲線等。圖6、圖7分別為高通濾波器和低通濾波器電路原理圖。

圖6 高通濾波電路

圖7 低通濾波電路

采用開關(guān)電容濾波器設(shè)計(jì)濾波電路, 既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性, 又保證了系統(tǒng)可靠性、通用性及各通道間的相位和幅度一致性, 是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大關(guān)鍵技術(shù)。

1.5 電源設(shè)計(jì)

模擬預(yù)處理機(jī)所用的電源是直流穩(wěn)壓電源[6], 這種電源的交流分量、紋波系數(shù)、穩(wěn)定性都比較差, 如果直接給系統(tǒng)供電, 勢(shì)必會(huì)引入干擾, 因此必須對(duì)電源進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波處理。圖8為本系統(tǒng)電源濾波網(wǎng)絡(luò)[7]。

圖8 電源濾波網(wǎng)絡(luò)

2 系統(tǒng)測(cè)試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性, 原理樣機(jī)調(diào)試完成后, 在消聲水池做了水池試驗(yàn)。試驗(yàn)布局如圖9所示, 試驗(yàn)中利用信號(hào)源為發(fā)射換能器提供30 kHz的正弦信號(hào), 預(yù)處理系統(tǒng)對(duì)接收換能器基陣接收到的信號(hào)進(jìn)行處理, 并用Agilent數(shù)字萬用表和示波器分別測(cè)量預(yù)處理前后的信號(hào)。經(jīng)測(cè)試表明, 該模擬預(yù)處理系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。表1為一組測(cè)量結(jié)果。由測(cè)量結(jié)果可看到, 各通道放大倍數(shù)正常, 通道輸出幅度相近, 一致性良好。

圖9 試驗(yàn)布局

表1 測(cè)量結(jié)果(f=30 kHz)

3 結(jié)束語

本文針對(duì)水聲信號(hào)處理的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)了一款8通道模擬預(yù)處理系統(tǒng), 經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證, 該系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的放大、濾波和自動(dòng)增益控制, 且各通道幅度和相位一致性良好, 動(dòng)態(tài)范圍大, 性能穩(wěn)定, 噪聲小且功耗低, 具有良好的應(yīng)用前景。

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Design of Multi-channel Sonar Signal Preprocessing System

DAI Ming-qing, FENG Xi-an, GAO Tian-de, LI Xiao-hua

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Analog preprocessing system is one of the key components of sonar receiver. A multi-channel analog preprocessing system is designed with high precision to process weak and variable sonar echo signals. The block diagram of the system is given, its working principle is analyzed, and each circuit is discussed. A voltage-controlled amplifier VCA810 is applied to the automatic gain control (AGC) circuit of underwater acoustic signals, achieving a constant and undistorted output for the input signals in the range of-40 dB to40dB. The system employs switched capacitor filters for wide band filtering, and the band width can be changed flexibly by dial switch. Experimental result shows that the proposed system meets the design requirements with the features of small size, low noise, low power consumption, and large dynamic range.

sonar; echo signal; preprocessing system; automatic gain control(AGC); switched capacitor filter

TJ630.34; TN911.7

A

1673-1948(2012)03-0175-05

2011-05-19;

2011-07-05.

教育部高校博士點(diǎn)基金(20106102110011).

代明清(1987-), 男, 在讀碩士, 主要從事數(shù)字信號(hào)處理、電子技術(shù)應(yīng)用等方向的研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)