一種新型水聲Modem模擬電路設計與實現

廖建宇, 申曉紅, 呂小鵬, 王海燕

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一種新型水聲Modem模擬電路設計與實現

廖建宇, 申曉紅, 呂小鵬, 王海燕

(1. 西北工業大學 海洋聲學信息感知工業和信息化部重點實驗室, 陜西 西安, 710072; 2. 西北工業大學航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對傳統水聲Modem體積大、功耗高、通信距離近的不足, 從水聲Modem總體設計出發, 對其中發射通道和接收通道的關鍵問題進行了研究, 包括D類功放電路設計、雙諧振回路阻抗匹配電路設計和接收預處理電路設計, 提出了一種體積小、轉換效率高的D類功放電路, 以及一種新型組合帶通濾波器設計方法和程控自動增益控制(AGC)實現方法。將上述方法運用到試驗樣機中, 并通過了水池試驗和丹江口水庫通信試驗。試驗結果表明, 該樣機相較于傳統樣機, 在聲源級方面提升了10 dB, 通信距離達到4.8 km, 驗證了方案的可行性。該設計可為水聲Modem樣機研發提供參考。

水聲Modem; 功放電路; 阻抗匹配

0 引言

隨著海洋經濟的發展, 水下網絡因在海洋監測、資源開發、漁業發展等領域占據了重要地位, 受到越來越多的關注, 而水聲Modem是水下網絡節點間相互通信的平臺, 是水下網絡正常工作的重要保障。目前, 常用的水聲Modem發射通道主要采用AB類線性功放, 但其體積大、功耗高、效率低、抗干擾能力差。文中采用D類功率放大器, 具有轉換效率高、散熱量低、體積小等特點。與傳統水聲Modem中接收通道采用模擬自動增益控制(automatic gain control, AGC)電路不同, 文中采用程控放大電路的實現方法提升了電路的可靠性和集成度。該研究成果已運用到國家重大研發計劃“海洋聲學探測技術研究”的試驗樣機中, 并經過外場試驗, 驗證了設計方案的可行性。

1 樣機總體設計

水聲Modem是水聲通信得以實現的硬件平臺[1], 文中設計的樣機原理框圖如圖1所示。其中發射和接收通道是通信系統的重要組成部分, 其性能直接影響到系統的作用距離及通信性能。系統采用了寬帶擴頻技術, 主要是因為擴頻通信具有很強的抗干擾能力, 能較好地抑制信號在傳播過程中遇到的噪聲和干擾, 提高接收端信噪比, 在發射功率相同的情況下增加通信距離[2]。文中重點對聲信號接收和發送模塊進行了設計。聲信號接收和發送模塊主要包括2個通道: 發射通道和接收通道, 二者的原理框圖如圖2所示, 其中的核心部分分別為D類功放電路和AGC電路, 且在發射通道和接收通道間加入收發控制電路, 使得換能器能夠在收發模式間合理轉換。

發射通道設計參數: 工作頻率6~16 kHz; 電源電壓+24~28 V; 效率不低于80%; 系統聲源級≥180 dB。接收通道設計參數: 靈敏度50 μV; 帶寬Δ=11 kHz(3 dB帶寬頻率6~17 kHz); 動態范圍17~83 dB。

2 PWM調制技術

為了驅動D類功率放大器, 還需要將信號進行脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)。

PWM 技術的理論基礎是等面積原理, 以正弦信號為例, 將正弦波沿時間軸等分, 當的值足夠大時, 可得到份等寬不等幅、脈沖幅值按正弦規律變化的矩形, 根據面積相等的原理, 可以用頻率相同, 占空比不同, 但面積對應相等的脈沖來代換, 即可得出該正弦波的PWM信號。

PWM 調制的產生方式一般分為2種: 一種是模擬法產生 PWM 調制信號, 其原理框圖如圖3所示, 利用模擬電路產生高頻率的三角波或鋸齒波, 在信號輸入端輸入待調制的低頻信號。也可通過現有的PWM芯片外加外圍電路來實現。

另一種為數字法, 即數字信號處理(digital signal processing, DSP), 其原理是, 利用數字芯片產生輸入低頻信號與高頻三角波信號, 然后以同一采樣率對2種信號進行采樣處理, 比較抽樣后的數值大小, 進而輸出高低電平。與模擬法相比, 數字法具有操作簡單和調制精準度高等優點, 文中即采用DSP產生 PWM 調制信號, 該方法原理框圖如圖4所示。

3 功率放大電路設計

D 類功放形式的水聲發射機具有以下優點: 輸出效率較高、易于實現寬頻帶發射、電路結構簡單、抗干擾能力強, 與傳統發射機相比, 具有體積更小、生產成本更低的特點。因此, 水聲發射機目前多使用 D 類功放的形式。

4 匹配網絡

阻抗匹配網絡是水聲功率放大器和換能器之間必不可少的部分, 它包括變阻匹配和調諧匹配兩部分[3]。

水聲功率放大器與換能器的變阻匹配通常使用變壓器來完成, 通過變壓器可以將換能器的阻值調整為一個可以滿足作為功率放大器負載要求的值。文中設計變壓器初、次級匝數比為1:7。

最常用的水聲功率放大器與換能器的調諧匹配方法為諧振法, 它主要應用于窄帶系統中, 可分為單一頻率上的單調諧匹配和2個諧振點上的雙調諧匹配。諧振法的基本原理是利用電感元件或電容元件來與容抗換能器和感抗換能器進行匹配, 抵消負載的電抗, 當在工作頻率點處達到諧振時, 虛功最小, 功率因數最大, 此時能量的轉換效率達到最高值。

4.1 單諧振回路

為方便討論, 串聯匹配采取電阻()電抗()的形式, 并聯電感采用電導()電納()的形式。其中,為中心角頻率。參考電路圖如圖6所示。

對于串聯匹配形式, 計算得負載阻抗為

需使負載為純阻, 即

為了方便與并聯匹配比較, 將負載等效阻抗和串聯電感表示為電導電納的形式為

對于并聯電感匹配, 計算出負載導納為

可以看出, 當輸出功率一定時, 對于單頻匹配來說, 串聯形式的等效電阻小, 所需的輸出電壓小, 有利于減輕變壓器的質量和體積。

4.2 雙諧振回路

5 接收通道預處理電路設計

預處理電路的主要任務是對接收信號放大、濾波并且控制信號的輸出動態范圍, 其關鍵核心電路是前級放大電路和AGC電路。電路原理框圖如圖8所示。

由換能器接收的信號經變壓器隔離前后級影響后輸入給前級放大電路[5], 再由變壓器隔離前后級后輸入給AGC專用芯片, 然后通過帶通濾波, 最后經過AD轉化輸入給DSP處理。

5.1 濾波放大電路設計

考慮到低功耗和低噪聲的要求, 前置模擬放大電路由三極管放大電路構成。與傳統的帶通濾波器設計不同, 文中通過前級三級管放大電路和后級的高通濾波電路共同組合成帶通濾波器。后級的高通濾波器采用低噪聲、低功耗的濾波器芯片TLC2272A[5], 組合成通帶為5.5~17 kHz的帶通濾波器, 具體Multisim仿真電路如圖9所示。該仿真主要為驗證組合帶通濾波器的可行性。

在三級管阻容耦合放大電路的輸出端接入一個接地電容, 使三極管輸出具有一定的高頻抑制特性。仿真結果如圖10所示。

從左至右分別為高通濾波器、三極管前級放大電路、組合帶通濾波器的幅頻響應圖, 可見帶通效果越來越明顯, 3 dB點帶寬也逐漸滿足要求, 最終形成合適的3 dB點帶寬。該設計的特點是可通過改變阻容耦合電路中接地電容的大小改變濾波電路3 dB帶寬中截止頻率的位置, 滿足后期樣機對較高頻率信號接收的要求。

5.2 程控放大電路選擇

實現AGC功能的電路方法有很多, 如采用二極管、三極管、場效應管等分立元件搭建電路實現; 使用AGC專用芯片、幅值檢測器、比較器和低通濾波器組成模擬電路實現; 采用程控放大器和DSP控制組成數字電路實現; 采用級聯放大器、比較器等電路實現[6]。

文中采用程控放大電路的實現方法, 以程序形式控制增益電路的模式, 可靠性和集成度較模擬AGC電路提高了很多。

VGA專用芯片選擇低功耗、低噪聲、大動態增益范圍、雙通道的AD605電路, 在FBK端和OUT端短接時可以實現-24 ~ +68 dB的增益控制, 其中, Gain Scaling是由芯片16引腳參考電壓(voltage reference, VREF)控制, 對于低精度的20 dB/V的應用, VREF可以通過電容接地, Gain Control由DSP控制, DSP輸出控制信號加在1、2通道的VGN1、VGN2引腳, 控制增益放大倍數。通道增益可由式(6)計算。其經典電路如圖11所示。

當VGN端輸入電壓為800 mV時, 即程控放大電路無增益作用時, 測得實際幅頻響應如圖12所示。通過實際測量, 得到接收通道動態范圍為17~83 dB。

6 試驗驗證

依據上述原理研制出一對試驗樣機, 并進行了消聲水池試驗以及丹江口水庫試驗。水庫試驗示意圖如圖13所示, 其中, 固定船保持位置不變,機動船向逐漸遠離固定船的方向移動, 并分別在兩船相距1 km、2 km、3 km、4 km和5km處進行通信試驗, 試驗內容包括短數字短字母測試、1024數據包測試和2048數據包測試。

試驗結果表明, 試驗樣機可在4.8 km內正常通信, 在6~17 kHz頻帶內, 聲源級最高可以達到181.9 dB, 而傳統的D類發射機發射聲源級僅為120~171 dB[7], 通過對比可知, 這種新型水聲樣機具有聲源級高、體積小等優點。

7 結束語

文中提出了一種新型水聲Mdoem發射通道和接收通道方案, 并運用到試驗樣機中。其中, 通過新型D類功放電路設計提高了發射聲源級, 縮小了電路體積; 設計了滿足通帶要求的組合帶通濾波器; 采用程控AGC方法提升了電路的集成度和穩定性。通過水庫試驗, 結果表明, 與傳統水聲Modem相比, 該樣機具有聲源級高、體積小、通信距離遠等優點, 為之后水下網絡節點通信平臺研制打下堅實基礎。

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Design and Implementation of a New Type of Acoustic Modem Analog Circuit

LIAO Jian-yu , SHEN Xiao-hong, Lü Xiao-peng, WANG Hai-yan

(1. Key Laboratory of Ocean Acoustics and Sensing (Northwestern Polytechnical University), Ministry of Industry and Information Technology, Xi’an 710072 China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In view of the large volume, high power consumption and short communication distance of the traditional underwater acoustic modem, this study analyzed the key issues of relating the transmitting channel and the receiving channel in the overall design of the underwater acoustic modem. These issues include class-D power amplifier circuit design, dual resonant circuit impedance matching circuit design and receiving preprocessing circuit design. Subsequently, a class-D power amplifier circuit with small volume and high conversion efficiency, as well as a new combined bandpass filter design method and program-controlled automatic gain control(AGC) implementation method, was proposed. These methods were applied to the test prototype, and the prototype passed the pool test and the Danjiangkou reservoir communication test. The test results show that the sound source level of the prototype is improved by 10 dB, and its communication distance reaches to 4.8 km compared with the traditional prototype, which verifies the feasibility of the proposed scheme. This design may provide a reference for the development of underwater acoustic modem prototype.

acoustic modem; power amplifier circuit; impedance matching

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0487-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.017

2018-07-26;

2018-08-30.

國家重點研發計劃(2016YFC1400200).

廖建宇(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為信號檢測及其自動化.

廖建宇,申曉紅,呂小鵬,等.一種新型水聲Modem模擬電路設計與實現[J].水下無人系統學報,2018,26(5):487-491.

(責任編輯: 陳 曦)