一種寬帶濾波信號處理機(jī)設(shè)計(jì)?

羅 坤 劉晉昌 張立利

（91388部隊(duì) 湛江 524022）

1 引言

在超短基線水聲定位系統(tǒng)對水聲信號處理過程中，除了海洋環(huán)境噪聲直接影響水聽器接收到的水聲信號，電子元器件的電路噪聲也會影響到接收到的信號。一般情況下可將電路噪聲視為白噪聲（因其是不規(guī)則噪聲），如果電路的工作頻帶越寬，則電路噪聲的累積量越大；當(dāng)接收到的信號為微小信號時，電路噪聲會嚴(yán)重影響接收信號的檢測，需想辦法盡可能地減小電路噪聲的干擾。另外當(dāng)模擬信號在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，為了使模擬信號在轉(zhuǎn)換后能完整的體現(xiàn)在數(shù)字信號中，也要對模擬信號進(jìn)行必要的濾波處理，否則轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號可能會失真。因此，需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)濾波器濾除各種干擾噪聲。

2 信號處理接收機(jī)的構(gòu)成

在超短基線水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行聲信號進(jìn)行處理時，會引入較大海洋環(huán)境噪聲，差分信號形式能有效降低傳輸噪聲干擾，由于水聽器收到的水聲信號為差分信號，為了便于在后端減少工作流程，降低模擬接收機(jī)電路的復(fù)雜程度，要設(shè)有差分-單端轉(zhuǎn)換電路；同時水聽器檢測到的水聲信號轉(zhuǎn)化成弱電信號，為了便于對目標(biāo)信號進(jìn)行檢測，要采用前級放大電路對微弱信號進(jìn)行放大；檢測的信號包括各種復(fù)雜噪聲，對此利用帶通濾波器對信號進(jìn)行初步濾波，剔除一部分噪聲，同時在模擬接收機(jī)與數(shù)字處理器之間設(shè)置光耦隔離電路，預(yù)防噪聲互擾。

3 帶通濾波器需求分析與電路

帶寬設(shè)置是濾波電路的重要參數(shù)，由于超短基線水聲定位系統(tǒng)接收信號體制比較復(fù)雜、頻點(diǎn)跨度比較大、還要考慮多普勒頻移對于處在邊界處的頻率的影響，本系統(tǒng)接收的聲源信標(biāo)信號為高頻調(diào)頻信號，考慮到目標(biāo)被要求可裝載不同頻點(diǎn)的聲信標(biāo)，以及邊界頻率的多普勒頻移，本接收機(jī)處理的信號頻率為85kHz～95kHz。

濾波器的階數(shù)是濾波電路的另一重要參數(shù)，設(shè)計(jì)濾波器的階數(shù)要考慮過渡帶衰減速度和電路可達(dá)到的復(fù)雜程度。系統(tǒng)中水聲信號處理模塊采用模擬濾波器主要是為了抑制海洋噪聲。由于聲信標(biāo)發(fā)出的脈沖信號有陡峭的前后沿，這些陡峭的沿具有豐富的頻率成分，其中包括濾波器通帶內(nèi)的頻率成分，如果這些頻率經(jīng)過濾波器后，其時延是不同的，這必然引起波形前后沿的畸變，將會給信號的檢測與還原帶來不必要的麻煩。時延值?t與相移值?ω有如下關(guān)系：

為保證不同頻率通過濾波器的時延值是相同的，就必須保證的?ω值為一個常數(shù)，因此要考慮相位特性好、濾波特性符合的濾波器。即線性相位的濾波器才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求［28～29］。圖 2、圖 3、圖 4分別為給出幾種帶通濾波器的濾波特性曲線六階貝塞爾型帶通濾波器、六階切比雪夫型帶通濾波器、六階巴特沃茲型帶通濾波器的相頻特性曲線。

由圖可以看出六階貝塞爾型帶通濾波器的相位特性最好，為線性相位，故選擇該型帶通濾波器。由于超短基線采用的是時延定位，階數(shù)越高平坦時延的頻帶就越寬，貝塞爾近似的時延特性遠(yuǎn)比巴特沃斯近似和切比雪夫的近似的時延性要好的多，因此階躍響應(yīng)也很好，沒有上沖。

4 帶通濾波器電路的設(shè)計(jì)

模擬濾波器通常可分為單純有電子器件組成的無源濾波器和帶運(yùn)放芯片的有源濾波器兩種。無源和有源模擬濾波器各有優(yōu)缺點(diǎn)：由電阻、電容、電感等簡單濾波器件組成的無源模擬濾波器的優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，缺點(diǎn)是帶負(fù)載能力差，設(shè)計(jì)電路需要大量的計(jì)算調(diào)試，因此對放大倍數(shù)要求較高的信號處理濾波器不適合用無源模擬濾波器；而有源模擬濾波器是由集成運(yùn)放、外圍電容、電阻組成電路，并通過運(yùn)放器作為電流源或電壓源，再配上RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成有源網(wǎng)絡(luò)，因此其優(yōu)點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，并且濾波器電路功耗低、噪聲小，對放大倍數(shù)要求較高的信號處理濾波器適合用有源模擬濾波器。

由于在使用時，對負(fù)載要求不高，而且濾波需求簡單，因而采用了無源濾波。在不增加電路復(fù)雜性的情況下可以得到性能較好的濾波器電路，并且調(diào)試方便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，模擬濾波器的設(shè)計(jì)變得越來越簡便，各種模擬濾波器設(shè)計(jì)軟件很多，而且功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)方便，只要輸入相應(yīng)參數(shù)，軟件會自動選擇濾波器的節(jié)數(shù)，并根據(jù)所選擇的濾波器種類給出相對應(yīng)的原理圖、頻譜圖等。本設(shè)計(jì)中使用的帶通濾波器就是借助計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的，采用的六階貝塞爾濾波器，元器件誤差要求不高，易于調(diào)試。

5 湖上試驗(yàn)

利用此設(shè)計(jì)的接收機(jī)電路我們在湖上進(jìn)行了超短基線水聲定位系統(tǒng)對吊放式標(biāo)校聲源進(jìn)行定位試驗(yàn)。湖試前，已在水池對超短基線定位分系統(tǒng)的時延進(jìn)行了修正，并進(jìn)行了計(jì)量。

湖試主要是驗(yàn)證吊放式標(biāo)校聲源大深度吊放時，超短基線定位分系統(tǒng)的工作性能并進(jìn)行考核。超短基線定位分系統(tǒng)對吊放式標(biāo)校聲源進(jìn)行定位試驗(yàn)的布放圖如下圖所示。吊放式標(biāo)校聲源吊放深度為40m，在頂部裝有GPS，提供一個參考位置，由于是在湖中試驗(yàn)，忽略水流影響，近似認(rèn)為GPS位置即為吊放聲源位置。我們在水平面內(nèi)距浮標(biāo)式超短基線定位分系統(tǒng)距離分別為5m、12.5m和18.7m的三個位置進(jìn)行了試驗(yàn)。

短基線定位系統(tǒng)能給出吊放式標(biāo)校聲源的經(jīng)緯度，吊放式標(biāo)校聲源頂部的GPS能給出吊放式標(biāo)校聲源的參考經(jīng)緯度。我們以參考的經(jīng)緯度中的某點(diǎn)為原點(diǎn)，利用中分緯度法，給出了在一段觀察時間內(nèi)，實(shí)測值和參考值在平面坐標(biāo)中的位置關(guān)系如圖9所示。

圖中分成兩個區(qū)域，靠近原點(diǎn)的為參考經(jīng)緯度測出的結(jié)果，另一個區(qū)域?yàn)閷?shí)測值。由于吊放式標(biāo)校聲源的吊放深度為40m，在水中實(shí)際位置的經(jīng)緯度與參考經(jīng)緯度是有偏差的，在圖中是可以看出的。但在三個測量點(diǎn)的測量值基本上是重合的，說明系統(tǒng)的測量結(jié)果是可靠的。在三個位置時X方向（正北方向）和Y方向（正東方向）的測量值的標(biāo)準(zhǔn)差如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)差圖

針對實(shí)測的經(jīng)緯度與參考經(jīng)緯有偏差，我們分析是吊放式標(biāo)校聲源在水下有漂移，所以我們又將吊放式標(biāo)校聲源吊放至35m、30m、25m和20m進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)隨吊放深度減小，實(shí)測的經(jīng)緯度與參考經(jīng)緯度偏差值變小。

6 結(jié)語

通過湖試結(jié)果檢驗(yàn)可知，信號處理機(jī)設(shè)計(jì)是比較成功的，為其他的水聲信號處理設(shè)備的研制也能提供一個有益的幫助。

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