一種移動水聲跳頻通信接收系統的幅度均衡電路

吳劍明，張小康，黃身欽，許肖梅

(廈門大學 信息科學與技術學院，水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建廈門361005)

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一種移動水聲跳頻通信接收系統的幅度均衡電路

吳劍明，張小康，黃身欽，許肖梅*

(廈門大學 信息科學與技術學院，水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室,福建廈門361005)

摘要：介紹一種適用于移動水聲跳頻通信接收系統的幅度均衡電路，電路采用初級放大—濾波—次級放大(反饋至初級放大)的閉環信號調理機制，可將調理后的輸出信號穩定在某期望量值附近，能有效解決移動水聲跳頻通信中由于收發端相對距離變化、聲傳播衰減、信道頻率選擇性衰落、收發端電路頻率響應不均勻等因素引起的接收聲信號幅度隨頻率大起伏變化的問題.海上試驗結果表明，該電路具備良好的幅度均衡性能，能大幅度提高信號檢測準確度，明顯提高水聲通信質量.

關鍵詞：水下移動通信；跳頻技術；幅度均衡

水聲信道的復雜特性會引起嚴重聲信號衰減、頻率選擇性衰落，再加上收發端相對距離變化、調理電路頻率響應不均勻等因素造成水聲通信接收系統接收到的原始信號幅度強度變化范圍大，普遍在幾十dB上下，不僅可能超出模數轉換芯片限定的輸入范圍，引起信號失真，還會影響通信系統的誤碼率和算法復雜度，尤其是采用非相干能量解調的水聲跳頻通信系統.因此，水聲通信系統的接收端常采用幅度均衡(amplitude equalizing,AE)電路，可將原始信號調整到限定的輸入范圍內，還可以減少碼元信號能量起伏以利于提高檢測準確率[1].目前，幅度均衡技術從實現方式上可以分為2種：數字方式和模擬方式[2].數字方式是當前水聲通信領域研究的熱點，主要依賴于均衡算法，在均衡性能、噪聲引入等方面有優勢，但其算法運算量大、收斂時間長等因素制約了數字均衡技術在成熟水聲通信系統中的應用[3-6]；模擬方式主要依賴硬件電路實現，在收斂時間、系統復雜度等方面有明顯優勢[7-11].本文中設計的幅度均衡電路屬于模擬方式，采用兩級間接級聯放大反饋回路，形成放大-濾波-次級放大的閉環信號調理機制，能有效提高幅度均衡性能、降低電路噪聲，集合了模擬和數字幅度均衡的優點，通過海上現場測試驗證了電路性能.

1電路結構介紹

本研究介紹的幅度均衡電路結構如圖1所示.該電路由阻抗變換電路、自動增益控制電路和帶通濾波器3部分組成.其中，阻抗變換電路以運算放大器LT1678為核心器件，實現水聲換能器輸出阻抗與自動增益控制電路低輸入阻抗之間的變換；自動增益控制電路以可變增益放大器AD603為核心器件，通過兩片間接級聯實現初、次兩級的增益自適應控制，增益控制動態范圍可達84 dB；帶通濾波器以模擬濾波器MAX274為核心，構成8階切比雪夫帶通濾波器.

圖1　幅度均衡電路結構示意圖Fig.1The diagram of the circuit of amplitude equalizing

1.1阻抗變換電路

阻抗變換電路如圖2所示.電阻R1、高阻值電阻R2和雙向導通二極管D1構成限幅電路，允許換能器接收到的微弱回波信號通過，而在大功率信號激勵換能器發射時，可起到限幅作用，保護接收端電路；以運算放大器LT1678為核心組成的電壓串聯負反饋放大電路，具有大的輸入阻抗和小的輸出阻抗，實現換能器輸出端和自動增益控制電路輸入端間信號無損傳遞；R3、R4和C2構成的反饋支路具有選頻增益控制作用，對帶寬內低頻信號實施小增益放大，而對高頻信號實施大增益放大，一定程度上補償了水聲信道頻率選擇性衰落.

圖2　阻抗變換電路Fig.2The circuit of impedance conversion

圖3　自動增益控制電路Fig.3The circuit of auto gain control

1.2自動增益控制電路

自動增益控制電路如圖3所示.該電路主要由線性可變增益放大電路和反饋調節電路構成.

線性可變增益放大電路是由兩片AD603間接級聯構成兩級放大，初級放大后先經過帶通濾波器再進行次級放大.這種機制可以通過控制初級放大增益，降低噪聲放大，提高調理信噪比.AD603芯片引腳5和7之間的外接電阻R11、R12的阻值用于選擇-22～102 dB區間內最大84 dB的可編程增益范圍，外接阻值均為0時，增益范圍是-22～62 dB，外接阻值趨近∞時，增益范圍是18～102 dB；AD603芯片引腳1與2之間的電壓差值可線性控制輸出增益值，比例系數是25 mV/dB，為了保證級聯電路具有最佳的線性控制能力，芯片U3引腳2與芯片U2引腳2之間的電壓差應穩定在1.05 V左右(剛好對應單片AD603的最大增益42 dB)[13].

反饋調節電路由一對互補三極管Q1和Q2構成，Q2集電極可穩定提供300 μA輸出電流，分別流向Q1集電極和電容C132個支路；Q1和R13組成半波檢測電路，根據次級放大電路輸出信號幅度反向調節電容C13充電電流大小，改變C13兩端電壓，進而控制線性可變增益放大電路的輸出增益，實現反饋，取得穩定幅值的輸出信號；反饋調節的靈敏度由C13的容值大小決定，容值越小，充放電越快，靈敏度越高，但容值的選擇要與被調理信號頻率相匹配；穩定輸出的信號幅值通過R13電阻確定，阻值越大輸出電壓越大.

1.3帶通濾波器

帶通濾波器采用單片集成有源濾波芯片MAX274來實現.設計的8階切比雪夫帶通濾波器具有陡峭的滾降，可以有效濾除帶外噪聲.

帶通濾波器置于自動增益控制電路的初級放大和次級放大之間，形成初級放大—濾波—次級放大(反饋至初級放大)的閉環信號調理機制.相比傳統的放大—濾波開環調理機制，該機制能夠在保證輸入到帶通濾波器的信號幅度足以克服濾波器本體噪聲前提下，盡量減小初級放大增益，從而降低噪聲放大，再在次級放大電路中放大有用信號，大大提高處理信噪比，使帶寬內不同頻率信號取得更穩定的幅值輸出，實現幅度均衡.

2試驗結果

現場測試在廈門五緣灣淺海域進行，海域平均水深約為10 m，沙底質，測試距離設置為890 m，水聲信道測試結果如圖4所示.可以看出，時延5 ms內的信道多途結構穩定.測試平臺采用4FH-16FSK調制，卷積碼為信道編碼的水聲跳頻通信系統，每個通信幀包含1個碼元寬度粗同步信號、1個碼元寬度細同步信號、80個數據碼元和若干個碼元寬度的保護間隔，每個碼元寬度為10 ms.

圖6　跳頻頻點全集頻譜分析結果Fig.6Spectrums of all the frequency hopping points

圖4　水聲信道沖擊響應Fig.4The pulse responses of underwater acoustic channels

為了驗證本文介紹的幅度均衡電路性能，在系統接收端設計了一個預處理模塊，如圖5所示.該模塊包含直連(direct connection,DC)、線性放大+濾波(linear amplifier and filter,LAF)和AE 3種信號調理電路.在同等條件下，采集了各電路的調理輸出信號，分別用ro、rl和ra來表示，經過同步捕獲后準確切割碼元，并對每個碼元采用快速傅里葉變換鑒頻.

圖5　信號預處理模塊Fig.5The signal pre-processing module

分別從ro、rl和ra中提取出64個跳頻頻點碼元進行頻譜分析，得到如圖6所示結果.橫軸代表歸一化頻率，用于分析頻率f與采樣頻率fs的比值，測試平臺使用的通信帶寬在0.2fs～0.3fs之間.理想的頻點信號譜圖在通帶內應該具有一致的頻率響應，在經過信道傳輸后，通帶頻率發生不同程度的衰減，見圖6(a)；采用LAF調理方法僅增強通帶強度，無法克服通帶內的起伏，見圖6(b)；而采用AE調理后，有效克服了通帶頻率起伏問題，見圖6(c).

圖7所示為ro、rl和ra中截取的某一幀信號.圖7(a)的原始接收信號幅度小且波形起伏大；圖7(b)是LAF調理后的信號，幅度增大但起伏并沒有克服，在原始信號幅度已經很強的情況下，還有可能引起調理輸出信號飽和削頂失真(模數轉換器(ADC)輸入范圍是±1.2 V)；圖7(c)是經過AE調理的信號，幅度穩定地保持在±0.5 V之間(設定Vpp=1 V)，信號增強和時域起伏問題都得到解決.

圖7　經過3種調理電路預處理后的某一幀信號波形Fig.7The conditioned signal waveforms by the three circuits

為了定量分析3種信號調理電路的性能差別，分別從ro、rl和ra中提取若干碼元(數量分別是9 200，8 880和7 120)，通過快速傅里葉算法對碼元進行頻譜分析，提取各碼元的主瓣峰值、第一旁瓣峰值，并計算其均值、標準差、偏差等參數，如表1所示.

表1中顯示：AE、LAF調理對主瓣信號和第一旁瓣信號均提供放大增益，但LAF調理是提供近似于線性的放大增益，而AE調理可對主瓣信號提供大增益、對第一旁瓣信號提供較小增益，一定程度上提高了碼元信噪比.經LAF調理和AE調理后輸出碼元主瓣峰值均值和第一旁瓣峰值均值的比值δ分別是：

(1)

(2)

提高的碼元處理信噪比(SNR)為：

(3)

圖8　碼元頻譜主瓣峰值和第一旁瓣峰值歸一化分布圖Fig.8The normalized peaks of the main lobe and the first side lobe extracted from frequency spectrums of symbols

表1　碼元頻譜分析的統計結果

Tab.1　Statistical results of spectral analysis of symbols

調理電路分析碼元數主瓣峰值第一旁瓣峰值均值標準差偏差/%均值標準差偏差/%AE7120194.4649.9625.6981.7522.1227.06LAF8880113.7246.7541.1177.1329.8938.76DC92003.322.0060.431.330.4936.53

從各電路調理碼元中提取1 000個，并將其主瓣峰值和第一旁瓣峰值以各自調理電路統計所得的最大值為參照進行歸一化處理，顯示成散點圖，如圖8所示.圖8(a)顯示原始接收信號第一旁瓣峰值基本涵蓋在主瓣峰值的浮動區間內；圖8(b)顯示經過LAF調理后，部分第一旁瓣峰值移出了主瓣峰值分布區間，但不顯著；圖8(c)顯示AE調理使主瓣峰值向更高值區間移動，讓主瓣峰值和第一旁瓣峰值呈現明顯的分離趨勢.

對采用非相干能量檢測的水聲跳頻通信系統，碼元的第一旁瓣峰超過主瓣峰時，會導致檢測誤判，形成誤碼.而以上分析與3種調理電路試驗時統計得到的傳輸誤碼率變化趨勢相一致，如表2所示.

表2　3種調理電路誤碼率Tab.2　Statistical results of spectral analysis of symbols

3結論

本研究介紹的幅度均衡電路，可以有效克服水聲跳頻通信中接收聲信號時域波形大起伏變化問題，穩定輸出期望幅度信號；在頻域上，能對目標頻點(主瓣)和干擾頻點(旁瓣)施加不同放大增益，提高處理SNR，輸出的目標頻點具有較平穩的強度，克服了接收信號通帶頻域內的起伏.經過海上現場比較試驗，表明該幅度均衡電路具備良好時域、頻域均衡的性能，能顯著提高水聲通信質量.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512031

收稿日期：2015-12-28錄用日期：2016-04-07

基金項目：國家自然科學基金(41376040)；福建省中青年教師教育科研項目(JA15001)

*通信作者：xmxu@xmu.edu.cn

中圖分類號:P 733.24

文獻標志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)04-0575-05

An Amplitude Equalization Circuit for the Frequency Hopping Receiving System of Underwater Acoustic Mobile Communication

WU Jianming,ZHANG Xiaokang,HUANG Shenqin,XU Xiaomei*

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,School of Information Science and Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:The paper presents an amplitude equalization circuit for the frequency hopping receiving system of underwater acoustic mobile communication.The circuit is composed of a primary amplification circuit,bandpass filter and a secondary amplification circuit feeding back to the primary amplification circuit.For the closed-loop mechanism,the conditioning signal output has a stable amplitude,so the circuit can effectively solve the problem of signal amplitude fluctuation with frequency caused by the distance change between transmitter and receiver,propagation attenuation,frequency selective fading of underwater acoustics channel and the uneven frequency response of transmitting and receiving circuit.The comparative experiments in the field of Wuyuan Bay show that the circuit has a good performance at amplitude equalization,and can greatly improve the signal detection accuracy to improve the quality of underwater acoustic communication.

Key words:underwater acoustic mobile communication；frequency hopping；amplitude equalization

引文格式：吳劍明，張小康，黃身欽，等.一種移動水聲跳頻通信接收系統的幅度均衡電路[J].廈門大學學報(自然科學版)，2016,55(4)：575-579.

Citation：WU J M, ZHANG X K, HUANG S Q,et al．An amplitude equalization circuit for the frequency hopping receiving system of underwater acoustic mobile communication[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：575-579．(in Chinese)