（通信与信息系统专业论文）大动态范围接收系统和小型化发射系统的研制.pdf

哈尔滨f 稃大学硕十学何论文 摘要 一直以来接收机和发射机是声纳系统的重要组成部分，随着微电子芯片 的发展，接收和发射系统的硬件实现方式越来越灵活。本论文就是围绕接收 机和发射机的设计展开的。 论文中设计的接收机主要由前置放大、信号调理以及模数转换部分组成， 其中信号调理电路完成对接收换能器输出信号的放大、滤波、隔离等调理工 作，是接收机系统信号预处理的主体部分。设计中所有器件都是按照噪声小、 功耗低的特点选型，设计中采用d s p 自动增益算法实时改变接收机放大倍 数，避免了大信号阻塞、失真和小信号的漏检。 论文中设计的发射机主要由信号发生、功率放大以及匹配网络组成。本 文将集成化的数字音频功率放大技术应用到水声发射机中。在设计过程中从 基本理论出发，结合现代音响功放的经验和设计方法，应用1 r i 公司集成芯片 提出了一种全新的小型水声信号发射机设计方案。信号源和控制部分以数字 信号处理器( d s p ) 和可编程逻辑器件( c p l d ) 为核心，使系统稳定可靠并为今 后的功能扩展提供了方便。由于负载阻抗随频率是起伏的，因此匹配技术的 难点在于宽带匹配，这里仅仅是做了一些尝试。 经过湖试和海试的验证，所设计的小型化发射机达到预期的效果，并且 接收机也实现了低噪声、低功耗、大动态范围的特性。 关键字：自动增益；音频功率放大；匹配；变压器 哈尔滨- 1 ：稗大学硕十学位论文 宣i i ；昌；宣；i i 宣；宣昌i 暑；i ；i 宣；i i i i ；i ；i ；i ；1 一i i m i i i ；篁i 昌i a bs t r a c t t h er e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rh a sa l w a y sb e e nt h ei m p o t a n tp a r to fs o n a r s y s t e m ，a n dw i t h t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i cc h i p s ，t h eh a r d w a r e r e a l i z a t i o no fr e c e i v e ra n dt r a n s m i t t e rh a sb e c o m em o r ea n dm o r ef l e x i b l e t h er e c e i v e rd e s i g n e di n t h i sp a p e ri sc o m p o s e do fp r e a m p l i f i e r , s i g n a l c o n d i t i o n i n ga n da n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o nc o m p o n e n t s a m o n gt h e ms i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i ti st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h er e c e i v e r , i tc a l lp r e 。p r o c e s s t h ei n p u ts i g n a ls u c ha sa m p l i f i n g ，f i l t e r i n g ，c o n d i t i o n i n ga n di s o l a t i n g a l lc h i p s i nt h i ss y s t e ma r es e l e c t e di na c c o r d a n c ew i t hl o wn o i s ea n dl o wp o w e r b yu s i n g d s pa u t o g a i na l g o r i t h m s ，t h es y s t e mc a l lc h a n g et h er e c e i v e r sm a g n i f i c a t i o ni n r e a lt i m et oa v o i dl a r g e - s i g n a lo b s t r u c t i o n ，d i s t o r t i o na n d s m a l ls i g n a ll o s s i n g t h et r a n s m i t t e rd e s i g n e di n t h i ss y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fs i g n a l g e n e r a t o r , p o w e ra m p l i f i e ra n dm a t c h i n gn e t w o r k s i nt h i sp a p e rw eb r i n gt h e i n t e g r a t e dd i g i t a la u d i op o w e ra m p l i f i e rt e c h n o l o g yt ot h ea c o u s t i ct r a n s m i t t e r i n t h ed e s i g np r o c e s sb a s e do nt h eb a s i ct h e o r y , c o m b i n e dw i t hm o d e r na u d i o a m p l i f i e rd e s i g nm e t h o d sa n dt h ee x p e r i e n c eo fu s i n gt i si n t e g r a t e dc h i p ，t h e p a p e rb r i n gf o r w a r dan e ws c h e m et od e s i g np o r t a b l ea c o u s t i cs i g n a lt r a n s m i t t e r t h es i g n a ls o u r c ea n dc o n t r o lp a r tu s ed s pa n dc p l d ，a sk e yc h i p sw h i c hm a k e s t h es y s t e mm o r es t a b l ea n dc o n v e n i e n tf o rf u t u r eu p g r a d e a st h el o a di m p e d a n c e f u c t u a t e sw i t ht h ef r e q u e n c y , t h ed i f f i c u l t yo fm a t c h i n gt e c h n o l o g yi sb r o a d b a n d m a t c h i n g ，w eo n l ym a k es o m et r i e sh e r e l a k ea n do c e a ne x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ep o r t a b l et r a n s m i t t e rh a so nw h i c h a c h i v e dt h ep r e - d e t e r m i n e dt a r g e t sa n dt h er e c e i v e rh a sr e a l i z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fl o wn o i s e ，l o wp o w e ra n dl a r g ed y n a m i cr a n g e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cg a i n ；a u d i op o w e ra m p l i f i e r ；m a t c h i n g ；t r a n s f o r m e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ： 哈尔滨j 程大学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 引言 声呐系统最主要应用于军事中的水下目标探测，并且随着海洋事业的发 展，在海底地貌测绘、海洋地质考察、船舶导航、遥控遥测、海上石油勘探 和开采等方面也都得到了广泛的应用。对于主动声呐系统来说，通过检测系 统发射出信号的回波进行目标探测，主要由换能器、发射机、接收机、控制 器、显示器等几个部分组成；而被动声呐系统用于检测目标自身发出的声音， 工作原理与主动类似，只是没有发射机部分。 声呐接收机的任务是接收和处理来自接收基阵的信号，并将处理结果送 至终端显示器供操作员观察。因此从广义角度而言，一部声呐接收机是完成 包括对接收信号进行放大、滤波、检测、判决以及显示控制功能在内的一种 复杂设备。不管主动声纳还是被动声纳，声呐接收机都是不可缺少的主要组 成部分之一。 声呐发射机在主动声呐中起着产生具有某种特定形式的大功率电信号的 作用，一般要经过匹配网络提高发射机输出效率，再经过换能器将电信号能 量转换成声信号能量辐射到水介质中去。主动声呐发射的声波，可以采用连 续波，也可采用脉冲调制波，目前绝大多数用于探测目的的主动声呐，都采 用脉冲调制波。 1 2 发展现状和论文背景 纵观国内外，随着声纳技术的发展，研制大动态范围接收机系统和小型 化宽带发射机势在必行。在实际应用中，往往要求加到声呐换能器上的电信 号功率要达到几千瓦，甚至兆瓦的量级，所以必须进行功率放大并对换能器 进行阻抗匹配，以便能够以足够高的效率向水中辐射足够的声信号能量。在 5 0 年代至6 0 年代初，要产生这样大的输出功率几乎都是采用大功率电子管 电路。随着微电子技术的飞速发展，半导体器件迅速涌现出来。由于晶体管 具有体积小、重量轻、寿命长、耐冲击、振动性能以及不需要预热时问等优 点，因而逐渐取代了电于管。目前采用大功率晶体管的功率放大器已可达到 哈尔滨稗大学硕十学何论文 千瓦量级的功率输出能力。如果要求更大的功率输出，可以采用一些新的技 术，如功率合成技术，利用功率合成网络将多个功率放大器的输出功率在负 载( 换能器) 上相加，以达到大功率输出的目的。同时，随着水下通信技术 的发展，水下通信网等的构建，使得宽带发射机的研制显得更加重要。 早期的接收机只是含有放大滤波功能的单通道设备或双通道设备。随着 电子技术的发展，近代声呐接收机中大多采用各种信号处理技术，以提高系 统输出信噪比和在干扰中检测的能力。数字技术，特别是计算机和超大规模 集成的数字信号处理器( d s p ) 的发展，使得许多信号处理技术在工程上得以成 功地应用。使接收信号的大动态范围适应有限的接收机终端( 例如显示器或 a d 转换器) 的动态范围，并在显示器上获得具有恒定的空间和时间方差背 景的技术。称为动态范围压缩和归化技术。大动态范围的接收机系统使得 声纳系统可以更好地实现水下目标检测等“卫。 本论文就是围绕大动态范围的接收机和小型化宽带发射机的设计和实现 展开的。 1 3 系统总体框图与主要指标 图1 1 是声纳发射、接收系统的总体框图。包括大动态范围接收机、半 数字式发射机和全数字式发射机。在此基础上，确定了系统的技术指标和设 计方案。如图1 1 ( a ) 所示，微弱电信号从水听器输出给前置放大，经过滤波、 放大，以及可控衰减、线性隔离，一个大小、频带合适的信号进入a d c 采 样最终输出采集到的数字信号；如图1 1 ( b ) 所示，d s p 作为信号源，通过d a c 将原始数字信号转换为阶梯状信号，并且通过滤波、衰减和隔离得到了一个 比较干净的功率放大输入端的模拟信号，此信号经过集成功放和匹配网络接 到发射换能器上，将电源能量提出转换为预定形式的声信号，由于( b ) 中的数 字功率放大前端信号为模拟方式，所以只可以称为半功率型数字放大：如图 1 1 ( c ) 所示，这是一个全数字式，整个过程中的信号都是开关型数字信号， 系统结构相对而言比较简便，相对于以前的功率设计，这是一种全新的理念。 并且最后实现的发射电路体积小、工作时间长，完全可以达到设计的技术指 标。 2 哈尔滨- | 秤大学硕十学位论文 ( a ) 一- - - i 一_ 一 i 半数字式 i l 全数字式 i ( b ) 图1 1 系统框图 接收机主要指标： 低噪声、低功耗设计； 动态范围8 0 d b ； 放大倍数可调3 0 。5 0 d b ： 3 哈尔滨t 秤大学硕十学何论文 数字、模拟分别供电，皆为5 v ： 带通频带5 - 6 k h z ； 半数字式发射机主要指标： 信号形式：c w 信号、双曲调频信号、钟形信号： 脉冲宽度：1 5 0 m s 、6 0 0 m s 、2 4 0 0 m s ； 脉冲周期：6 s 、1 0 s ： 最大声源级：1 7 0 d b ； 频率：5 2 k h z 、5 5 k h z 、5 8 k h z ； 工作要求：系统工作方式可方便切换； 全数字式发射机主要指标： 信号形式：c w 信号； 脉冲宽度：5 0 0 m s 、1 0 0 0 m s ； 脉冲周期：2 s 、4 s ； f 最大声源级：1 8 0 d b ； 频率：5 5 k h z ( 窄带) 、3 7 k h z ( 宽带) ： 工作要求：系统工作方式可方便切换； 1 4 接收机系统 1 4 1 接收机系统的构成 一个典型的近代声呐接收机的框图如图1 2 所示。它包括接收基阵、前 置放大器、滤波器、波束形成器、动态范围压缩、归一化电路以及信号处理、 显示判决、程序控制等功能模块。信号处理和判决实际上已成为近代声呐接 收机的核心。信号处理的根本目的是在于提高接收机的处理增益。 图1 2 声纳接收机的框图 4 哈尔滨t 稗大学硕十学传论文 1 4 2 接收机系统的主要指标 接收机系统主要技术指标包括以下几个方面1 1 j 1 3 l ： ( 1 ) 动态范围： 动态范围指能够正常检测时，接收机输入端的信号变化范围。这个范围 的下限受接收机灵敏度的限制，在没有采用信号处理技术的条件下，接收机 动态范围的下限受等效到接收机输入端噪声电平的限制；其上限则受到放大 器过载饱和或波形非线性失真的规定值的限制。 ( 2 ) 总放大倍数： 总放大倍数是指对于有用信号，接收机电路输出不限幅的电压与其输入 电压的比值。为了拓宽接收机的动态范围，经常将总放大倍数设计为可调。 ( 3 ) 通频带： 接收机通频带一般指接收机放大系数从最大值下降3 d b 时的频带宽度。 声呐接收机的通频带会影响接收机的输出信噪比，通频带太宽收到的干扰就 比较大，太窄则收到的信号能量减少，所以设计通频带时必须适合，将信号 频段正好包括而将噪声进行带外衰减。 ( 4 ) 处理增益： 接收机输出信噪比相对于输人信噪比提高的倍数。这个和滤波以及接收 机后续的信号处理有关。 ( 5 ) 检测阈： 其实该指标是整个接收机( 包括信号处理检测部分) 中最重要的指标。 简单地可理解为刚好完成某检测功能时，接收机输入端需要的信噪比门限。 对于给定虚警概率下，接收机输出的信噪比门限要求一定，除以不同的接收 机对应不同的处理增益，可以推出输入端需要的信噪比门限即检测阈d t 。 此外失真度、抗干扰性能、可靠性与可维修性、工作环境条件的要求、 体积、重量、造价、功耗等等也是接收机的重要指标。 1 5 发射机系统 1 5 1 发射机系统的构成 主动声呐发射机的基本组成如图1 3 所示，主要由三个部分组成。第一 5 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 部分是波形发生器。它的功能是产生一定形式的波形信号，其工作频率、脉 冲长度和重复周期都可以选择，信号可以是单频脉冲调制波，也可以是调频 脉冲波或其它信号波形。第二部分是发射多波束信号形成器。在简单的主动 声呐中，这个部分可以省去。第三部分是功率放大器。由波形产生器产生的 信号功率很小，不能够直接驱动换能器向水中辐射足够的声波能量。在实际 应用中，必须进行功率放大并对换能器进行阻抗匹配，以便能够以足够高的 效率向水中辐射足够的声信号能量弘“孤。 图1 3 主动声纳发射机的框图 1 5 2 发射机系统的主要指标 根据声呐总体指标的要求，声呐发射机的指标通常有以下这些1 ： ( 1 ) 发射机电功率： 发射脉冲持续时间内发射机消耗的平均电功率。 ( 2 ) 发射声源级： 发射声源级定义为在声轴上距声源1 m 处声源强度与参考强度之比的分 贝数，通过测量用声纳方程测出发射声源级。 ( 3 ) 电声效率： 声源级公式为： 乩= 1 7 1 5 + l o l g ( 1 1 ) 由式( 1 1 ) 可以推导发射声功率 只= 1 0 e x p ( 与竽) ( 1 - 2 ) 电声效率 叼= 詈1 0 0 ( 1 - 3 ) 6 哈尔滨+ f ：稗大学硕十学何论文 ( 4 ) 信号频率范围： 发射机的发射频率，也就是主动声呐的工作频率，它是一个很重要的指 标，直接关系到声波在水中的传播衰减、换能器的指向性指数以及在这个频 率范围上的环境背景干扰电平或电路噪声电平。所以应以声呐探测的最大作 用距离来确定一部声呐的最佳工作频率。 ( 5 ) 脉冲宽度f ： 在满足最小作用距离和距离分辨率的情况下，适当增加脉冲宽度，将增 加作用距离。 ( 6 ) 脉冲周期： 脉冲周期是发射脉冲的间隔时间，设计中取决于声呐的最大作用距离。 ( 7 ) 发射机平均功率： 发射机平均功率的计算公式如下： f 名= 只 ( 1 4 ) 为了适应不同需求的情况，所以目前的发射机一般都具有几种不同脉冲 宽度、脉冲周期、工作方式及可供选择的信号调制方式。这样可以根据实际 情况，任意选择其中的一种脉冲宽度及信号调制方式对目标进行探测和识别。 另外，频率稳定度、可靠性、可维修性以及工作环境要求也是声呐发射 机的重要指标。 1 6 论文主要研究内容 本论文主要内容是关于大动态范围接收机和小型化发射机的电路系统研 制，并不涉及换能器的内部问题。特别提及的，接收机系统本论文只进行前 端的模拟滤波处理，不涉及采集后检测估计部分，因此相对于广义的接收机 来说动态范围、处理增益和检测阈等可能就不太严格，这里只按照不包括信 号处理检测的电路指标来设计接收系统。 1 设计了接收机系统的硬件的组成和增益算法控制。分别对前置放大模 块、信号调理模块、模数转换模块和数字处理模块进行低噪声、低功耗设计， 为提高系统性能在d s p 中设计了自动增益控制软件算法。 2 设计了信号发生器、功率放大电路和匹配网络，设计出了两个数字功 7 哈尔滨r 稃人学硕+ 学伊论文 率发射机，分别为半数字式窄带发射机、全数字式发射机。 3 对设计的接收机和发射机进行电学、声学测量，记录整机的各项测试 结果并分析。 8 哈尔滨t 稗大学硕十学1 奇：论文 第2 章大动态范围接收机 2 1 接收机系统简述 换能器将声信号转换为微弱的电信号，根据换能器的类型不同，该电信 号分为电流型和电压型。不管是那种类型它都不适合直接检测处理，必须经 过模拟电路一系列的放大滤波处理，再进一步采集处理。设计中所有器件都 是按照噪声小、功耗低的特点选型，特别是构成放大、滤波电路的基本运算 放大器，其增益带宽积比较大。a d c 器件本身的动态范围，以及固定放大倍 数时的前端电路电噪声、供电范围，这些都可能成为信号动态范围限制的瓶 颈h 。一般接收机系统主要包括前置放大模块、信号调理模块、模数转换模 块和数字处理控制模块四部分，如图2 1 所示： 换能 的信 图2 1 本设计接收机系统框图 2 2 前置放大模块 2 2 1 前置放大模块框图 前置放大模块的框图如图2 2 所示，换能器输出的信号进入前置放大器 将微弱信号放大，防止在换能器至主体接收机之间弱信号收到外界的e m i 干 扰而被淹没；由于接下来可能有长距离的传输，所以紧接着信号进入线驱动 器，以增强输出信号的带负载能力。前置放大模块距离接收换能器尽可能的 近，以减小信号受影响的机会。一般情况下，前置放大模块离换能器约一米 处，其电路置于密封罐中，罐的外壳连接传输线的屏蔽层p 1 ，它们都与信号 地共地以起到屏蔽作用防止外界干扰1 6 1 。 9 哈尔滨t 氍大学硕十学何论文 换能器 输出的信 前置放大器线驱动器 调理电路 的信号 图2 2 前置放大模块框图 2 2 2 前置放大电路 前级放大电路采用a d 公司的a d 6 2 0 放大器芯片。该芯片是一款低成本、 低功耗、高性能的放大器。增益范围从1 到1 0 0 0 ，工作电压( v s ) 范围很宽从 2 3 v 到1 8 v ，正常模式下最大输入电压1 8 伏，差分输入模式下最大输 入电压2 5 伏，输入电流1 3 m a 以下。本设计采用5 伏供电，典型电路如 图2 3 所示。 放大量g 是由接在a d 6 2 0 的第1 和第8 管脚间的电阻尺。调节，如公式 ( 2 1 ) 所示川。 g ；4 9 _ 4 x - 1 0 3 f 2 + 1 ( 2 - 1 ) r 图2 3 前级放大器电路图 2 2 3 线驱动电路 根据一般接收阵的结构，在信号加载到模拟接收板之前还要有好几米的 距离，就需要线性驱动器来提高电流。这里采用线驱动器l h 0 0 0 2 ，其输入 阻抗高，输出阻抗低；信号带宽达3 0 m h z ：工作电压范围从5 v 到2 0 v 。 1 0 哈尔滨t 稃大学硕+ 学何论文 l h 0 0 0 2 电路连接图如图2 4 所示例： 图2 4 线驱动器电路图 2 3 信号调理模块 2 3 1 信号调理模块框图 前置放大模块的框图如图2 3 所示，广义的说，常将接收机系统中a d c 之前的电路统称为信号调理电路。经过了前置放大模块信号虽然有所放大， 但是还是微弱信号，不适合a d c 采样，信噪比也不够，所以必须经过调理 模块。对于信号调理电路来讲，对这种微弱信号的预处理理想情况是在不引 入新的噪声条件下能够对目标信号合理的放大、滤波。为后续的a d 转换产 生合适的信号。但是这种不引入新的噪声条件的理想情况是不存在的，噪声 通常是无法消除的，它只能被尽量减小。并且不可能仅靠单一的解决办法就 能减小噪声问题。通常要对噪声源、耦合路径、敏感接收机等全面考虑去减 小噪声1 6 1 1 9 1 。 这里的信号调理完成了小信号的放大、带外干扰的滤波、采样前的抗混 叠滤波、增益控制、模数信号隔离等功能。这一系列的设计主旨就是尽量地 减少噪声，把信号放大至合适大小。 图2 5 为信号调理模块的框图： 哈尔滨r 稗大学硕十学何论文 咂一肇睢弹茎一匿帕十；留一 二- 数嘉娄耦卜1 向霆蔷益i 隔离卜1 控制1 图2 5 信号调理模块框图 2 3 2 射随电路 系统前置放大电路后是射随电路又称电压跟随器电路，是同相比例电路 的一种特殊形式，根据理想运放的虚短、虚断原理知1 1 0 l ：v o = 。 电压跟随器电路如图2 6 所示。其四个特点是电压增益为1 ，输出与输入 同相位、输入阻抗高、输出阻抗低。在多极放大电路中，往往在前后两极之 间插入电压跟随器，以便减轻前极的负载，提高后极带负载的能力。电压跟 随器通常被用作阻抗变换或隔离缓冲。 v o = 图2 6 射随电路 2 3 3 一级和二级放大电路 接收系统采用两级放大电路，都是采用反相放大电路，如图2 7 所示： + ，v 图2 7 反相比例放大电路 根据理想运放的虚短、虚断原理可得放大倍数： 1 2 哈尔滨i 。程大学硕十学能论文 g ：堡。堕 墨 ( 2 2 ) 同时输入端虚短至电源2 5 v ，因此共模抑制比要求低，而且不易自激， 是选用反向放大电路连接方式的原因。正向和反向放大一样是负反馈应用， 而且输出阻抗也和反向方式一样都很小，而且输入阻抗比反向大。 射随、放大和滤波电路的运算放大器是b u r r b r o w n 公司的 o p a 2 3 4 4 1 1 。该芯片内部集成了两个运算放大器，封装结构如图2 8 所示。 o p a 2 3 4 4 o p k 2 3 4 5 o u t a na + i na v l 、“ o u tb 小b + i nb s o - 8 m s o p - 8 ，8 - p i nd i p ( o p a 2 3 , 弛o n h ，) 图2 8o p a 2 3 4 4 结构图 它具有1 m h z 的增益带宽，增益值大于等于1 ，是一款高精度、低功耗、 低噪声的运算放大器。 2 3 4 增益调节电路 在接收系统中，由于受发射功率大小、收发距离远近及传播衰落等各种 因素影响，接收机所接收的信号强弱变化范围很大，信号强度的变化可以从 几微伏至几毫伏，相差几十分贝，也就是说接收机要求的动态范围很大。如 果接收机增益不变，则信号或噪声太强时会造成接收机的饱和或阻塞，甚至 使接收机损坏；而太弱时又可能被丢失。自动增益控制可以实现根据噪声和 接收信号的功率大小进行调节。当接收到的信号功率或噪声功率过大时，通 过增益调节电路降低接收增益；反之，则提高接收增益。本设计使用d s p 控 制数字电位计实现其功能，原理和算法部分在2 5 2 节介绍，这里只描述选用 的数字电位计a d 公司的a d 8 4 0 0 。它是一款单通道可调节数字电位计，最 大输出电阻为1 0 0 k f f 2 ，具有2 5 6 个档位的输出调节能力，最大串行数据输入 1 3 哈尔滨t 群人学硕+ 学何论文 频率1 0 m h z 。a d 8 4 0 0 其实就是一个数字可控的变阻器。 a d 8 4 0 0 结构图如图2 9 所示2 。 图2 9 a d 8 4 0 0 结构图 图中c s 、c l k 、s d l 分别为数字电位计的使能信号，时钟信号和串行输 入信号。其中a 1 和b 1 管脚间是固定电阻值1 0 0 k q ，可将a 1 或b 1 对地再 串联一电阻，由w l 管脚作为输出。使用a 1 ，w l 管脚，由公式( 2 3 ) ( 见) = ( 2 5 6 一q ) 2 5 6 x + 凡( 2 3 ) r w 一5 0 f f 2 ，t 1 0 0 k f 2 。使用b 1 ，w l 管脚，公式为( 2 4 ) ： ( 见) = ( 见) 2 5 6 x + 凡( 2 - 4 ) r w 一5 0 f 2 ，一1 0 0 k f 2 。其中4 为电阻控制码，由串行s d i 口输入控 制。 使能信号( c s ) ，时钟信号( c l k ) 和串行输入控制信号( s d i ) 是由d s p 产 生，经数字光耦隔离后送入数字电位计的相应管脚。自动增益控制的主要工 作之一，就是控制数字电位调节接收增益。 2 3 5 滤波电路 滤波电路结构采用通用型二阶滤波电路，由三个运算放大器和外围电阻 电容构成，不同运放输出抽头方式为不同的滤波类型，第一个运算放大器的 输出为高通，第二个为带通，第三个为低通。采用级联而成的带通滤波器， 比同等结构和带宽的直接型的带通滤波器有更好的滤波效果，并且方便调试。 因此设计时滤波电路习是由低通滤波和高通滤波级联而成的带通滤波电路。 1 4 哈尔滨t 科大学硕十学何论文 低通滤波电路原理如图2 1 0 所示。 图2 1 0 低通滤波电路 低通滤波器的截止频率是由电阻尺4 和恐决定的，计算公式为： r 。= r 5 = 5 0 3 1 0 7 厂o ( 2 5 ) 其中无为低通截止频率。低通截止频率为6 k h z ，故心= 4 - 8 8 k q 。 高通滤波电路原理如图2 1 1 所示。 图2 1 1 高通滤波电路 类似于低通滤波电路，截止频率是由电阻心。和r ，决定的，计算公式为： r 2 6 = r 2 ，= 5 0 3 x 1 0 7 厂o ( 2 6 ) 其中厂。为高通截止频率。高通截止频率为5 k h z ，故尺：。= 尺：，= 1 0 k q 。 1 5 哈尔滨- r 稃大学硕十学何论文 2 3 6 光耦隔离电路 为了降低电路板上模拟信号与数字信号相互干扰，提高其抗干扰能力， 这里用数字光耦h c p l 0 7 0 8 隔离数字部分，选用线性光耦i l 3 8 8 隔离模拟部 分。光耦两边的地必须分开，光耦是一个电流输入输出器件，内部通过电能 至光能再到电能的转换，实现了两端的电压隔离作用。 数字电位计的片选信号、时钟信号和串行输入控制信号均是由d s p 产生 的，为避免数字与模拟间的相互干扰，经过数字光耦进行隔离后送入数字电 位计。数字光耦h c p l 0 7 0 8 最高转换率达1 5 m b a u d ，它兼容c m o s 电平， 最高6 0 n s 的传输延时。 h c p l 0 7 0 8 的内部结构和真值表习如图2 1 2 所示，它由一个高速发光二 极管和c m o s 检测电路组成。检测电路集成一个光敏二极管、放大器和驱动 输出的电压比较器。显然，当外部输入为高电平时光耦输出为低电平，也就 是说该数字电位计的输出是反相的。 在实际电路中为了给h c p l 0 7 0 8 提供一个大小合适的电流，在输入端串 联了1 0 0 q 的电阻，保护数字光耦。 眦 h e c t h o o e h c 圈 图2 1 2h c p l 0 7 0 8 的内部结构图和真值表 模拟信号经过模拟接收系统处理后也要经过光耦隔离电路。这里选用线 性光耦i l 3 8 8 ，其灵敏度高，信号失真度小于- - 8 0 d b 。因此，线性光耦i l 3 8 8 可以在保证很高线性度的基础上对模拟信号和数字信号进行有效的隔离，避 1 6 雌 帅 哈尔滨一l i 稗大学硕十学何论文 免相互干扰，满足系统的要求。 线性光耦隔离电路由i l 3 8 8 1 6 1 和两个o p a 2 3 4 4 组成。i l 3 8 8 需电流驱动， 故使用两个o p a 2 3 4 4 。首先，前端的运算放大器将电压转换为电流用于驱动 线性光耦。输出端运算放大器将光耦输出电流再转换为电压。通过调节a 、 b 之间电阻的大小可以调节电流的大小，防止输出波形的失真。图2 1 3 是该 电路的原理图： 图2 1 3 线性光耦原理图 2 4 模数转换模块 模数转换器即a d c 的任务是将一个连续的模拟输入信号用一个数字化 的值来表示，以便于进一步由d s p 处理。系统中a d c 选用的是 b u r r b r o w n 公司的a d s 8 3 2 0 7 1 ，它是单通道、1 6 位、高速、低功耗模数 ( a d ) 转换器。动态范围可以达到9 6 d b 。电源为2 7 v - - 5 2 5 v 可选。当工作 在2 7 v 电源和1 0 0 k h z 的最高采样率下，它的功耗只有1 8 m w 。即使工作在 1 0 0 k h z 的全速状态下功耗也非常低。在采样率较低的情况下，由于芯片的转 换效率较高，可以使其在大量时间内都工作在省电模式下。因此，在采样率 为1 0 k h z 时，芯片的平均功耗低于1 0 0 , u w 。可见，芯片的效率高、功耗低， 满足系统需要。 1 7 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 图2 1 4 a d s 8 3 2 0 结构图 a d s 8 3 2 0 的内部结构如图2 1 4 所示，显然这是一款逐次逼近型的模数转 换器。主要由接收放大器、c d a c 模块、电压比较器、s a r ( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o nr e g i s t e r ) 、串行接口和控制模块组成。它支持差分输入，并提 供一个同步串行接口( 与s p 鹏s i 兼容) 。 图2 1 5 所示的是基本时序图。c s s h d n 是转换的使能信号，该信号为 低时转换开始。前几个周期是采样时间，紧接着是转换后的输出，在d c l o c k 的每个上升沿输出1 b i t 数据，共1 6 个时钟周期。这样c s s h d n 的低状态至 少保持2 2 个d c l o c k 周期，然后c s s h d n 由低变高进入省电模式，一个 转换周期结束。外部时钟通过d c l o c k 脚送入a d s 8 3 2 0 ，其频率k 懈范 围为：2 4 k h z - 2 4 m h z 。转换后的串行数据从d o u t 引脚输出，在最高数据 位( m s b ) 输出前的一个d c l o c k 周期d o u t 输出为零，最高有效位首先输 出，直到最低有效位输出结束。当最低有效位输出完成且片选信号仍为低时， 那么d o u t 将重复输出上一次的转换结果，只是这时是最低位首先输出。 i ，一c 撕c y a e 一一。i 厂 兰斗懒一1 号i s 跏p i e 十撇一1 些竺些叫 k 几几几几几几几几几几几f 几几几几几n 几几几几几几几厂 - t l 气 l u 3 e 咖黼e d 9 妨岫啾 d o o r ：一一帆一十一t c 铷。i 图2 1 5a d s 8 3 2 0 基本时序图 外部参考电压v r e f 是a d s 8 3 2 0 的最高可采样电压，由于是1 6 b i t 的 1 8 哈尔滨l ：稗人学硕十学何论文 a d c ，分辨率为v r e f 6 5 5 3 6 。本系统的外部参考电压是5 v ，故该系统中 a d c 的分辨率是7 6 靴v 。a d c 的输出为1 6 b i t 无符号数，范围是：0 0 0 0 h - - f f f f h 。不论芯片的电源电压为多少，a d s 8 3 2 0 的数字输入可以兼容最高 5 5 v 的逻辑电平。因此，即使a d s 8 3 2 0 采用3 v 供电仍可接收5 v 的输入。 a d s 8 3 2 0 的逻辑输入电压范围是：0 - v r e f ，为了满足这个需要，模拟 接收系统对于接收的模拟信号均加上了2 5 v 的直流电平。本系统接收信号采 样率为4 0 k h z ，也就是说d s p 缓冲串口的接收帧同步信号频率应为4 0 k h z ， 转换后的串行数据由串行输入引脚读入d s p 内存中，由d s p 进一步处理。 为了便于进行运算，需要将采样数据由无符号数转换成有符号数。 2 5 数字处理模块 2 5 1d s p 器件 随着数字信号处理技术的迅速发展及其应用的日益广泛，针对数字信号 处理的专用处理器，即d s p 应运而生。由于数字信号处理有别与普通的科学 计算，它强调运算处理的实时性；因而d s p 除了具备普通微处理器所强调的 高速运算和控制功能外，其针对实时信号处理，在处理器结构、指令系统、 指令流程上都作了很大改进。 与通用微处理器相比，d s p 具有以下一些显著特剧”1 ： ( 1 ) 采用改进的哈佛结构，片内有独立的程序总线和数据总线，可以同 时访问指令和数据； ( 2 ) 支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行； ( 3 ) 在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法运算； ( 4 ) 硬件支持低开销或无开销循环及跳转； ( 5 ) 具有单独的d m a 控制器，可以在不影响d s p 处理速度的情况下做 并行的高速数据传输。 在本系统的设计与实现过程中，选用了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基础上发展起来的，能够与c 5 4 x 兼容。c 5 5 x 通 过增加功能单元，增强了d s p 的运算能力，而且性能更好，功耗更低，是目 前t m s 3 2 0 家族中最省电的芯片。这些特性使之更适合应用于数据速率高， 运算量大，又要求功耗低的水声系统中。 1 9 哈尔滨r 样大学硕十学位论文 i i t m s 3 2 0 c 5 5 x ”w 由c 5 5 x 处理器( c p u ) 、接i z l 控制器、存储器和多种接口 电路构成，目前已形成了包括c 5 5 0 9 、c 5 5 0 9 a 和c 5 5 1 0 等型号的c 5 5 x 定点 d s p 系列。 c 5 5 x 与c 5 4 x 相比，c 5 5 x 在c p u 的功能单元方面作了如下扩展： ( 1 ) 总线增加了两条，一条读操作总线( b b ) ，条写操作总线( f b ) ； ( 2 ) 乘加单元( m a c ) 增加了一个； ( 3 ) 增加了一个1 6 比特的a l u ； ( 4 ) 将累加器增至4 个，即a c o 、a c i 、a c 2 和a c 3 ； ( 5 ) 临时寄存器增至4 个，即阳、t 1 、t 2 和乃。 与c 5 4 x 相比，c 5 5 x 不仅增加了硬件资源，也优化了资源的管理，所以 性能得到了大大的提高，其处理能力可达4 0 0 - - 一8 0 0 m i p s ，被广泛用于移动 通信终端设备中，c 5 5 x 结构例如图2 1 6 所示。 图2 1 6t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 的结构示意图 系统选用的t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列中的5 5 0 9 a 是一款高性能，功耗较c 5 4 x 系列更低的高性能d s p 。其支持最高时钟频率2 0 0 m h z ，具有6 4 k b y t e s 的 2 0 哈尔滨：稗人学硕十学位论文 d a r a m 空间和1 9 2 k b y t e s 的s a r a m 空间，支持外部存储器接口( e m i f ) 。 这些特点使该系列d s p 特别适合与水声信号处理领域。 2 5 2 自动增益控锌i l ( a g c ) 算法 自动增益控制是接收机中不可缺少的部分，它可以延拓整个接收机的动 态范围p 1 1 。根据噪声能量和接收信号包络的大小进行调节信号调理电路的放 大倍数。 2 5 2 1 自动增益控制的基本方法 传统的接收机多采用模拟自动增益控制电路。如图2 1 7 所示，电路主要 包括可控增益放大器、包络检波器、比较器和控制电压产生器等模块。环路 中输入信号吃。通过可控增益放大器( 设可控增益放大器的增益为4 ，得到 输出信号一吃4 ，然后通过包络检波器得到输出信号的包络，该包络信 号在比较器中与预先设置的门限值进行比较并得到一个误差信号，最后误差 信号通过控制电压产生器得到最终的增益控制信号k 以控制可控增益放大 器的增益4 ，使得输出信号电平( 包络k ) 将保持几乎恒定的值，或仅在较 小的范围内变化。其中可控增益放大器中的衰减器有线性律衰减器、指数律 衰减器和平方律衰减器等阎。 图2 1 7 模拟自动增益控制电路 但是由于模拟电路自身固有的一些缺陷，比如它对干扰信号很敏感，容 易使传输中的信号的幅值或相位发生畸变等，所以模拟电路的可靠性和稳定 性都是比较差的。而采用数字自动增益控制技术就可靠性高、灵活性强。这 里增益调节的方法由d s p 控制数字电位计a d 8 4 0 0 实现。 对于数字自动增益控制，输入信号取a d c 采集之后的数字信号，并且 将模拟电路中的包络检波、比较器和控制器都放在了数字算法之中。数字运 2 1 哈尔滨t 群人学硕十学侍论文 算中的包络检波，若仍是按照模拟的平方检波方式，原始数据的平方和i i r 、 f i r 滤波器需要大量的乘法器。出于对资源的节省和运算速度的提高，将包 络检波的方法进行了调整。如图2 1 8 所示。 图2 1 8 模拟和数字的包络检波方式 2 5 2 2 系统中自动增益控制算法 采用数字检波的时候，由于滑窗求和或者最大值法消耗的d s p 内部存储 器过多，所以使用了另一种方法。一阶递归数字滤波器阳1 的公式为： y ( 咖百1 训+ 等y ( 以_ 1 ) ( 2 - 8 ) 其中，y o ) 是一阶递归滤波器的第刀个输出值，y 伽一1 ) 为滤波器的第 甩一1 次输出值，x 伽) 是一阶递归滤波器的第t t 个输入信号，m 1 为常数。 由上式可知，一阶递归数字滤波器的第刀个输出值，不仅与滤波器的第以个 输入值有关，而且也和滤波器的第r l l 一1 次输出值有关。这是一种平滑滤波器， 其输出值将跟随输入信号而变化，并且当m 的值越接近1 时，y 伽) 便越接近 于x ( n ) 。当m 的值偏离1 时，滤波器输出y ) 受上次输出值y ( n 一1 ) 的影响 较大，y ( n ) 将随x o ) 而缓慢平滑的变化。即使x 0 ) 出现剧烈抖动，y o ) 的 变化也会相对平滑。 由上面的分析可知，对于一阶递归滤波器，常数m 的取值大小将直接影 响，滤波器输出y ) 对于输入x 仰) 的跟随程度。也就是说，当m 的值越大 时，r ( n ) 对于输入x 仰) 变化的反应速度越慢；反之，当m 的值越小时，y ) 对于输入x 伽) 变化的反应就越灵敏。因此，对于混有噪声干扰的脉冲信号， 分别通过两个m 值大小不同的一阶递归滤波器，当接收到脉冲信号时，其m 值较小的滤波器输出值就能较早的反应脉冲信号前沿的出现。 图2 1 9 脉冲信号通过一阶递归滤波器的输出 图21 9 给出脉冲信号通过两个不同m 值的一阶递归滤波器的仿真结果。 其r f