相位均衡器技術(shù)在水聲接收機(jī)的應(yīng)用

勇俊，靳桐

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相位均衡器技術(shù)在水聲接收機(jī)的應(yīng)用

勇俊，靳桐

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，黑龍江哈爾濱 150001)

濾波器相位的非線(xiàn)性引起的信號(hào)失真是超短基線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)中必須要解決的問(wèn)題之一。采用常規(guī)濾波器與全通網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的方法設(shè)計(jì)了一種相位均衡器，解決了僅使用常規(guī)濾波器帶來(lái)的非線(xiàn)性相位問(wèn)題，使超短基線(xiàn)接收機(jī)在帶寬內(nèi)保持線(xiàn)性相位。給出了全通網(wǎng)絡(luò)的原理、電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)，分析了該網(wǎng)絡(luò)中各參量對(duì)相位的影響。在設(shè)計(jì)實(shí)例中，相位均衡技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際硬件電路中進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行評(píng)估。測(cè)試結(jié)果證明了相位均衡器可以實(shí)現(xiàn)相位的均衡校正功能，在水聲接收機(jī)領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景。

超短基線(xiàn)接收機(jī)；相位均衡器；群時(shí)延；全通網(wǎng)絡(luò)

0 引言

超短基線(xiàn)定位系統(tǒng)在水聲定位聲吶系統(tǒng)中一直發(fā)揮著重要的作用[1]，超短基線(xiàn)的接收機(jī)性能對(duì)定位距離、定位精度等更為重要。相位線(xiàn)性度不僅是衡量超短基線(xiàn)接收機(jī)重要的性能指標(biāo)，也是反映信號(hào)傳輸質(zhì)量的重要影響因子。若接收機(jī)各通道的相頻特性是非線(xiàn)性的或不同頻率的信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的相移不同造成波形畸變、相位失真，都會(huì)直接影響系統(tǒng)的定位精度。模擬濾波器[2]性能是通過(guò)幅頻特性、輸出線(xiàn)性特性和輸出相移特性來(lái)表征的，對(duì)于理想濾波器，其頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有線(xiàn)性相移，即群時(shí)延為一條水平直線(xiàn)，其值理論上是一個(gè)常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用的濾波電路很難達(dá)到線(xiàn)性相位，而同時(shí)滿(mǎn)足幅頻特性和相頻特性就更為困難，群時(shí)延波動(dòng)也非常大。如何取得濾波器理想的帶內(nèi)相位，是濾波器的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)[3]。解決辦法一是采用巴特沃茲函數(shù)逼近，使其通帶內(nèi)具有最大平坦段，階數(shù)越大平坦度越好，但是過(guò)渡帶衰減較慢導(dǎo)致選擇性較差[4]，而且在實(shí)際電路中也難很達(dá)到最佳的線(xiàn)性相位。二是修改傳遞函數(shù)，這樣做的代價(jià)是破壞了濾波器的幅頻響應(yīng)[5]。

為使濾波器的幅頻特性和相頻特性在折衷的條件下達(dá)到各自的最佳狀態(tài)，本文采用了相位均衡器的設(shè)計(jì)方法[6]，在超短基線(xiàn)接收機(jī)的濾波單元之后接入相位均衡器，在工作通帶內(nèi)擬合一條水平直線(xiàn)作為理想的曲線(xiàn)初值，優(yōu)化元件參數(shù)[7]，使群時(shí)延特性曲線(xiàn)向這條直線(xiàn)逼近。實(shí)例設(shè)計(jì)表明該方法效果十分理想。

1 相位均衡器的設(shè)計(jì)原理

圖1 濾波器TF級(jí)聯(lián)全通濾波器TAP

由于信號(hào)的相位是頻率的函數(shù)，如果不同頻率的信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延(相移)不同，則會(huì)使信號(hào)發(fā)生畸變[8]。群時(shí)延[9]是描述傳輸系統(tǒng)相頻特性的重要指標(biāo)，為了方便研究，用群時(shí)延代表系統(tǒng)的相頻特性，其定義為

為了使接收機(jī)的相位接近線(xiàn)性相位特性，需要對(duì)接收機(jī)的相位特性進(jìn)行校正，但不改變接收機(jī)的幅頻特性。全通濾波器具有幅頻響應(yīng)為1、相位響應(yīng)隨著頻率而變化的特性，所以設(shè)計(jì)的均衡器應(yīng)是一種全通網(wǎng)絡(luò)，并與原系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，可達(dá)到校正作用。

圖2所示為相位均衡的整體設(shè)計(jì)思路。

根據(jù)以上原理，完成恒定群時(shí)延系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，大致分兩部分：

(1) 計(jì)算超短基線(xiàn)接收機(jī)中濾波單元提供的群時(shí)延；

圖2 相位均衡的設(shè)計(jì)思路

2 全通網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)與基本特性

2.1 一階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖3所示為一階有源全通網(wǎng)絡(luò)。

圖3 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖

一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

群時(shí)延特性為：

可見(jiàn)群時(shí)延特性由各個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的極點(diǎn)頻率決定，通過(guò)設(shè)計(jì)極點(diǎn)頻率來(lái)滿(mǎn)足所需的群時(shí)延特性。根據(jù)式(6)可發(fā)現(xiàn)，群時(shí)延隨著頻率的增加而減小[10]，如圖4所示。

通常在簡(jiǎn)單的情況下，利用一階全通網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)一些最小的時(shí)延均衡。對(duì)于更復(fù)雜的需求，優(yōu)先使用二階全通網(wǎng)絡(luò)模塊。例如在帶通網(wǎng)絡(luò)中，工作頻帶不包括零頻，階數(shù)不能取0.5的奇整數(shù)倍，一定要取偶正整數(shù)才行，所以帶通網(wǎng)絡(luò)中，只能用二階全通模塊，不能用一階全通。

圖4 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延特性

2.2 二階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖5所示為二階有源全通網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為

相頻特性為

群時(shí)延為

圖5 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖[11]

圖6 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延特性

3 全通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法

3.1 初始值估算

3.2 加平過(guò)程

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 指標(biāo)要求

表1 接收機(jī)中一個(gè)帶通濾波器的群時(shí)延特性

4.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

根據(jù)超短基線(xiàn)接收機(jī)的群時(shí)延特性，需要級(jí)聯(lián)六階全通網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位均衡，經(jīng)過(guò)初始值的選定以及多次迭代所得各節(jié)全通網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)、極點(diǎn)頻率如表2所示。

表2 全通網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)頻率和品質(zhì)因數(shù)

圖7(a)所示為超短基線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)的相頻特性，圖7(b)為超短基線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)的群時(shí)延特性，發(fā)現(xiàn)群時(shí)延有40 μs的波動(dòng)。圖7(c)、7(d)分別是極點(diǎn)頻率為23 kHz、品質(zhì)因數(shù)為2.5的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時(shí)延特性。圖7(e)、7(f)分別是極點(diǎn)頻率為31 kHz、品質(zhì)因數(shù)為3.57的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時(shí)延特性。圖7(g)、7(h)分別是極點(diǎn)頻率為20 kHz、品質(zhì)因數(shù)為0.3的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時(shí)延特性。

4.3 結(jié)果分析

圖8 相位均衡前后超短基線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)的性能對(duì)比

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于解決超短基線(xiàn)接收機(jī)系統(tǒng)中濾波器相位非線(xiàn)性問(wèn)題的相位均衡系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)硬件制作與調(diào)試，對(duì)相位均衡器應(yīng)用在超短基線(xiàn)接收機(jī)的相頻特性和群時(shí)延特性等性能進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)通過(guò)有無(wú)相位均衡器的比較實(shí)驗(yàn)證實(shí)了相位均衡器能夠有效改善群時(shí)延波動(dòng)，使接收機(jī)系統(tǒng)的相位達(dá)到了很好的線(xiàn)性效果，充分展現(xiàn)了均衡技術(shù)在水聲接收機(jī)中具有非常高的研究和應(yīng)用價(jià)值。

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Application of phase equalizer in underwater acoustic receiver

YONG Jun, JIN Tong

(National Demonstration Center for Experimental Underwater Acoustic Engineering Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The signal distortion caused by the phase nonlinearity of filter is one of the problems that must be solved in ultra-short baseline receiver system. In this paper, the cascade method of common filter and all-pass network is used to design the phase equalizer, which solves the nonlinear phase problem brought by using only the conventional filter, and makes the ultra-short baseline receiver maintain linear phase within the entire bandwidth. The principle and circuit structure of the all-pass network are described, and the influence of the network parameters on the phase is analyzed. In a design example, this method is applied to the actual hardware circuit system for test, and combined with experimental data and analysis of simulation result, the performance of the system is evaluated. The test results show that the phase equalizer can achieve phase equalization and correction, and has a good application prospect in underwater acoustic receivers.

ultra-short baseline receiver; phase equalizer; group delay; all-pass network

TN715.2

A

1000-3630(2019)-03-0354-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.020

2018-06-16;

2018-10-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0304102-5)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61701504)

勇俊(1974－), 男, 吉林長(zhǎng)春人, 副教授, 研究方向?yàn)槁晠认到y(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海洋儀器的研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)等。

勇俊, E-mail: yongjun@hrbeu.edu.cn