多通道聲納信號預處理系統設計

代明清, 馮西安, 高天德, 李曉花

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多通道聲納信號預處理系統設計

代明清, 馮西安, 高天德, 李曉花

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

模擬預處理系統是聲納接收機的重要組成部分, 為了解決聲納回波信號微弱多變等問題, 設計了一款高精度、多通道模擬預處理系統, 給出了系統整體框圖, 分析了其工作原理, 并詳細介紹了各部分電路。該系統采用壓控放大器VCA810設計自動增益控制, 實現了±40 dB范圍內輸入信號的線性、無失真以及恒定輸出, 并通過截止頻率可變的開關電容濾波器實現寬帶濾波, 且濾波器通頻帶可通過撥碼開關控制, 靈活可調。該系統具有體積小、低噪聲、低功耗及動態范圍大等特點, 經試驗驗證可滿足設計要求。

聲納; 回波信號; 預處理系統; 自動增益控制; 開關電容濾波器

0 引言

目前, 聲納已廣泛應用于水下目標探測、海洋地質考察、船舶導航及海上石油勘探等方面。一個完整的聲納系統主要包括信號源、發射功率放大器、換能器基陣、模擬預處理機及后級數據采集系統等。

在進行水下探測時, 由于受發射功率大小、收發距離遠近及傳播衰落等因素的影響, 接收機接收到的水聲信號往往比較微弱, 且動態范圍很大, 不適合直接進行后級處理。因此, 需要有模擬預處理系統對回波信號進行放大、濾波及自動增益控制(automatic gain control, AGC), 將接收到的信號放大至適當的電平, 并壓縮信號的動態范圍, 再傳給A/D轉換器進行數據采集及后級處理。另外, 水聲信號處理中普遍采用波束形成技術, 這就要求預處理系統是一種多通道系統, 且各通道間必須具有良好的相位和幅度一致性。

本文根據實際需要, 設計了一款8通道模擬預處理系統, 有效完成了對回波信號的放大、濾波和自動增益控制。系統增益達120 dB, 動態范圍為80 dB, 工作頻帶可調。

1 多通道聲納信號預處理系統設計

1.1 系統總體結構

多通道預處理系統主要由低噪聲放大、自動增益控制、帶通濾波器、射極跟隨和供電電源5部分組成。圖1為系統總體結構框圖[1]。

圖1 系統結構框圖

一般放大器在放大倍數較高時很容易自激, 因此, 本系統采用了3級放大形式。1級放大增益為40 dB, 用于放大前端接收到的微弱信號; AGC增益范圍為-40~+40 dB, 用于調節通道放大倍數, 壓縮信號動態范圍, 穩定輸出信號幅度; 3級放大增益為40 dB, 用于進一步提高系統的整體增益。3級級聯放大保證了系統總體增益高達120 dB, 并可在40~120 dB內自動調節。

濾波器在系統中主要起降低噪聲、濾除帶外干擾、提高整機穩定性的作用。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電容濾波器, 由復雜可編程邏輯器件 (complex programmable logic device, CPLD)[2]為其提供外部時鐘, 以便改變濾波器截止頻率, 調節系統帶寬。射極跟隨主要用于降低輸出阻抗, 并將單端信號變為差分信號, 以便A/D轉換器采集數據。

1.2 低噪聲放大電路設計

系統內部噪聲是影響整機性能的關鍵因素之一[3], 它直接限制了接收裝置的最小可檢測信號, 因此, 在設計接收機時, 要盡可能降低系統噪聲, 提高信噪比。本系統共由3級放大電路組成, 當第1級放大器的功率增益很高時, 級聯放大器的總噪聲系數主要受第1級放大器噪聲的影響, 所以在低噪聲設計中應盡量減小第1級的噪聲系數并提高第1級的增益。

式中: , 分別為電感前級上下兩端的電感量。系統采用此電路取代一般的電阻反饋式電路, 有效降低了前級噪聲, 經試驗前級等效輸入噪聲有效值可低至80 nV。

1.3 自動增益控制設計

由于海洋環境復雜多變, 接收機接收的信號強弱變化范圍很大, 信號強度可以從幾微伏至幾毫伏, 相差幾十分貝。如果接收機增益不變, 則容易造成強信號的堵塞或弱信號的丟失。因此需要設計良好的AGC電路調節各通道放大倍數, 使輸出信號的幅度保持不變或只有很小的變化。本系統采用TI公司的壓控放大器VCA810實現各通道的增益控制。

1.3.1 VCA810性能特點

控制電壓與增益間的關系

圖3 控制電壓與增益間的關系曲線

1.3.2 AGC控制電路

圖4 自動增益控制電路

1.4 頻帶可調8階帶通濾波器設計

系統采用8階高通濾波器和8階低通濾波器組成一個高階帶通濾波器[5], 來實現對信號的濾波。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。兩濾波器的時鐘頻率均由CPLD提供, 若要改變系統通頻帶, 只需改變CPLD提供的時鐘頻率即可。

因此, 帶通濾波器帶寬為

圖5為CPLD產生時鐘頻率的原理圖。R4為4位排阻, SW DIP-4為4位撥碼開關。當某一位開關閉合時, 其輸出端接地, 相應輸出電平為低; 當開關斷開時, +5V電源通過一個電阻與數據輸入端相連, 輸出電平為高。通過對CPLD編程產生16組高通濾波器時鐘(HCLK)和低通濾波器時鐘(LCLK), CPLD根據的值, 選擇其中一組時鐘頻率提供給開關電容濾波器, 即可實現相應頻帶內的濾波功能。

實際中, 可采用Linear公司提供的專用軟件FilterCAD設計濾波器。設計時只需給出濾波器截止頻率、階數及類型, 便可快速設計出合適的電路, 且可查看濾波器的頻率響應曲線及階躍、脈沖時間響應曲線等。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

采用開關電容濾波器設計濾波電路, 既簡化了設計的復雜性, 又保證了系統可靠性、通用性及各通道間的相位和幅度一致性, 是本系統設計的一大關鍵技術。

1.5 電源設計

模擬預處理機所用的電源是直流穩壓電源[6], 這種電源的交流分量、紋波系數、穩定性都比較差, 如果直接給系統供電, 勢必會引入干擾, 因此必須對電源進行穩壓和濾波處理。圖8為本系統電源濾波網絡[7]。

圖8 電源濾波網絡

2 系統測試

為檢驗系統穩定性, 原理樣機調試完成后, 在消聲水池做了水池試驗。試驗布局如圖9所示, 試驗中利用信號源為發射換能器提供30 kHz的正弦信號, 預處理系統對接收換能器基陣接收到的信號進行處理, 并用Agilent數字萬用表和示波器分別測量預處理前后的信號。經測試表明, 該模擬預處理系統能達到預定指標。表1為一組測量結果。由測量結果可看到, 各通道放大倍數正常, 通道輸出幅度相近, 一致性良好。

圖9 試驗布局

表1 測量結果(f=30 kHz)

3 結束語

本文針對水聲信號處理的特點, 設計了一款8通道模擬預處理系統, 經過試驗驗證, 該系統能有效實現對回波信號的放大、濾波和自動增益控制, 且各通道幅度和相位一致性良好, 動態范圍大, 性能穩定, 噪聲小且功耗低, 具有良好的應用前景。

[1] 杜秀群, 馮西安, 王靜, 等. 一種水下主動探測系統的模擬預處理機設計[J]. 計算機測量與控制, 2009, 17(6): 1813-1815.

Du Xiu-qun, Feng Xi-an , Wang Jing, et al. Design of Analog Pretreatment Circuit for a Kind of Underwater Active Detection System[J]. Computer Measurement & Control, 2009, 17(6): 1813-1815.

[2] 王誠, 吳繼華. Altera FPGA/CPLD設計[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2011.

[3] 張岳鋒, 張鼎. 運算放大器應用技術手冊[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2009.

[4] 趙志剛. 舷側陣主、被動自導實驗系統的硬件設計[D]. 西安: 西北工業大學, 2009.

[5] 王峰, 趙俊渭, 李洪升, 等. 高精度聲納信號預處理系統的研究[J]. 數據采集與處理, 2002, 17(1): 81-84.

Wang Feng, Zhao Jun-wei, Li Hong-sheng, et al. Signal Preprocessing System for High Precision Sonar[J]. Journal of Data Acquisition & Processing, 2002, 17(1): 81-84.

[6] 戴征堅. 寬頻帶模擬信號預處理機的研制[D]. 西安: 西北工業大學, 2001.

[7] 楊穩積. 一種可變帶寬預處理電路設計[J]. 魚雷技術, 2006, 14(4): 46-49.

Yang Wen-ji. Design of a Preprocessor Circuit for Variable Bandwidth Analog Signals[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(4): 46-49.

[8] 譚博學, 苗匯靜. 集成電路原理及應用[M]. 北京: 電子工業出版社, 2006.

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.

教育部高校博士點基金(20106102110011).

代明清(1987-), 男, 在讀碩士, 主要從事數字信號處理、電子技術應用等方向的研究.

(責任編輯: 楊力軍)