水聲信號預(yù)處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)

肖鵬斌，孫偉瑋

(1.海軍駐蘭州某軍代室，蘭州 730030;2.海軍駐太原某軍代室，太原 030000)

對水聲信號而言，換能器輸出的信號是信噪比極低的弱信號，預(yù)處理電路用于放大有用的信號，衰減噪聲信號，提高信號的信噪比，以利于后續(xù)電路進(jìn)行檢測和處理，其性能決定了系統(tǒng)對弱信號的檢測能力［1］。很多論文已經(jīng)研究了窄帶系統(tǒng)對提高信噪比和檢測能力的作用，在電路中可通過低噪聲放大器LM382 對弱信號進(jìn)行放大，由開關(guān)電容有源濾波器芯片LTC-1068 構(gòu)成的頻帶可轉(zhuǎn)移窄帶帶通濾波器來濾除噪聲信號，提高信噪比［2］。

1 前置放大電路設(shè)計

該放大電路采用低噪聲音頻運放LM382 構(gòu)成。LM382具備較強(qiáng)的降噪能力，當(dāng)輸入信號頻率大于1kHz 時，噪聲輸入小于10滿足系統(tǒng)要求。同時，其最大放大增益達(dá)100 dB，并且在通帶內(nèi)極為平坦，非常利于構(gòu)成電路前的固定增益放大級［3］。前置放大電路原理圖如圖1 所示。

圖1 前置放大電路原理

電路中LM382 采用12 V 單電源供電，放大得到的信號幅度不超過6 V。換能器輸出信號幅度較低，為幾mV 至幾十mV，假設(shè)換能器輸出信號幅度以50 mV 為上限［4］。若要求輸出信號不超過6 V，則設(shè)前置放大器的放大倍率為125倍。實測幅頻特性如圖1 所示，該芯片能夠?qū)?00 Hz ～30 kHz 的信號進(jìn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確地放大［5］。

圖2 低噪聲放大電路的幅頻響應(yīng)

2 窄帶帶通濾波器電路設(shè)計

窄帶帶通有源濾波器采用開關(guān)電容有源濾波器芯片LTC-1068 構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

LTC1068 分為4 種，分別是LTC1068 -25，LTC1068 -50，LTC1068 -100 和LTC1068 -200，其后綴為分頻系數(shù)，濾波器中心頻率f0與時鐘頻率fclk的關(guān)系為

其中，Ratio 為分頻系數(shù)。除中心頻率與時鐘頻率關(guān)系不同外，不同分頻系數(shù)的芯片對應(yīng)的工作頻率也不相同。

圖3 LTC-1068 結(jié)構(gòu)框圖

LTC1068 包含4 個獨立的中心頻率可調(diào)的濾波模塊，通過外接幾個電阻之后，每個濾波模塊都可以完成高精度、低噪聲的2 階濾波功能。在不同的連接方式下，每個濾波模塊又有4 種工作狀態(tài)，分別可以完成不同功能的濾波。如圖4所示為Mode 1b 工作狀態(tài)，以此為例對LTC1068 的工作狀態(tài)進(jìn)行介紹。

圖4 LTC1068 的Mode 1b 工作狀態(tài)

在Mode 1b 狀態(tài)下，濾波模塊可以完成帶通、帶阻和低通濾波功能。其濾波特性為:

其中:f0為通帶中心頻率;fn為阻帶中心頻率;Q 為品質(zhì)因子;HON為帶阻阻帶增益;HOBP為帶通通帶增益;HOLP低通通帶增益。

通過對4 個濾波模塊的不同工作模式設(shè)置，每個LTC1068 芯片可以完成四個2 階濾波、雙4 階濾波或者8 階濾波功能。

在電路設(shè)計中，采用LTC1068 -25 芯片完成了8 階窄帶帶通濾波功能，設(shè)計了一個通帶帶寬為400 Hz，中心頻率可轉(zhuǎn)移的窄帶帶通濾波器。其原理圖如圖3 所示，圖中FILTER1為時鐘端，該濾波器時鐘由FPGA 電路產(chǎn)生。由式(1)可知，通過調(diào)節(jié)濾波器時鐘頻率，可以改變?yōu)V波器的中心頻率，使濾波器的通帶在不同的頻移之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)移。圖5 為設(shè)計的濾波器的電路圖，圖6 為濾波器中心頻率為10 kHz 時的幅頻特性。

圖5 窄帶帶通濾波器電路

圖6 窄帶帶通濾波器幅頻特性

3 結(jié)束語

水聲信號具有信噪比低、噪聲干擾強(qiáng)等特點，針對這一特點，研制了此水聲信號預(yù)處理電路。電路以頻帶寬而平坦的前置放大電路和通帶窄且可轉(zhuǎn)移的帶通濾波器組成，一方面實現(xiàn)了對水聲信號的無差別放大，另一方面又可以有效實現(xiàn)對噪聲的過濾，提高輸出信號的信噪比，這對聲納系統(tǒng)具有重要的意義。經(jīng)水下實驗結(jié)果表明，該電路具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，因而具有工程應(yīng)用價值。

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