（水声工程专业论文）超短基线定位系统接收机及其应答器的设计.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r as h o r tb a s el i n ep o s i t i o n i n gs y s t e mr e a l i z e sp o s i t i o n i n g ，t r a c k i n ga n d d a t at r a n s m i s s i o no ft h eu n d e r w a t e rt a r g e t s ，u s i n gt h et e c h n o l o g yo fu n d e r w a t e r a c o u s t i cp o s i t i o n i n g a st h es y s t e mi ss m a l l - s i z e ，e a s y i n s t a l l e da n dl o w - c o s t ，i t h a sb r i g h tf u t u r eo fa p p l i c a t i o ni nt h eu n d e r w a t e rp o s i t i o n i n gf i e l d t h eh a r d w a r e o fr e c e i v e ra n dt r a n s p o n d e ro ft h es y s t e mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，a n dt h e s o f t w a r eo ft r a n s p o n d e ri sa l s od e v e l o p e d i no r d e rt og e te x c e l l e n tp h a s ec o n s i s t e n c ya m o n gc h a n n e l s ，m a n yf a c t o r sa r e t a k e ni n t oa c c o u n ti nt h ep r o c e s so fr e c e i v e rd e s i g n ，s u c ha st y p eo ff i l t e r , c i r c u i t l a y o u ta n da c c u r a c y o f c o m p o n e n t a tt h e s a m et i m e ，t h ec a l c u l a t i o no f c o m p o n e n tv a l u e si sd i s c u s s e d ，a n dt h ed e s i g np a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d d u r i n g t h ed e s i g no fu n d e r w a t e ra c o u s t i ct r a n s p o n d e r ，晰也av i e wo fh i g hr e l i a b i l i t ya n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，p e r i p h e r a l so fm s p 4 30 f1611a r ef u l l yu t i l i z e dt o a c c o m p l i s hw a t c hc i r c u i t w h i l et h ea r i t h m e t i co fm c u s o f t w a r ei ss i m u l a t e d ，t h e d i g i t a lf i l t e r i n gi sr e a l i z e d 、析t i lt h eu s e o fa d a p t i v en o t c hf i l t e r , a n dt h ep r o g r a mo f s i g n a ld e t e c t i n gi sa l s oa c c o m p l i s h e d c o n s i d e r i n gt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n d e m a n do ft h es y s t e m ，c i r c u i to fs i g n a lp r o c e s s i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hc o n s i s t so f d a t as a m p l i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g e ，s i g n a lt r a n s f o r m a t i o na n di n t e r r u p t c o n t r o l l i n g ，a n du n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o na m o n gt a r g e t si sa c h i e v e d w i t hi t a st h es o f t w a r eo fm s p 4 30 f1611a n dc i r c u i t slu l lw e l li nt h ee x p e r i m e n t ，t h e p r e d e f i n e dr e q u i r e m e n t sa r ef u l f i l l e d k e yw o r d s ：u l t r as h o r tb a s el i n e ；r e c e i v e r ；t r a n s p o n d e r ；a c o u s t i cp o s i t i o n i n g 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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) ：区盘当 日期：2 d p 髟年弓月ge i 哈尔演t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 地球上的海洋总面积约占地球表面积的7 0 以上，其中蕴藏着丰富的尚 未完全开发利用的资源。伴随着人类能源消耗的快速增长，陆地上的资源日 益匮乏，人们开始将目光投向这片蓝色的水域，希望能够从海洋中开发人类 所需的能源。积极发展海洋高新技术，抢占和开发海洋空间及资源，从海洋 中获得更大的利益已成为众多国家本世纪的发展战略。 我国是拥有两千多公里海岸线的海洋大国，在这广袤的海洋中蕴含着极 其丰富的资源，保护和开发本国海洋资源，己成为我国的重要任务。为此， 我国加大了对海洋资源开发技术的研究力度，大力发展深水资源的勘探开发 技术，以缩短我国海洋资源勘探开发技术与世界先进水平的差距。“超短基线 定位系统研制”的目标是：开发超短基线定位系统，为建立水下立体高精度定 位系统，解决水下探测和作业的高精度定位问题提供技术装备。 1 2 超短基线定位系统简介 水声定位系统主要指的是可用于局部区域精确定位导航的系统1 。水声 定位系统分为长基线系统，短基线系统和超短基线系统。这些定位系统有多 个基元( 接收器或应答器) ，基元间的连线称为基线。一般用基线的长度来判 断属于哪类系统。表1 1 列出了三种定位系统的分类。 表1 1 水声定位系统分类 定位类型基线长度m简称 长基线 1 0 0 6 0 0 0l b l 短基线 l 5 0s b l 超短基线 lu s b l 或s s b l 三种定位系统各有优劣特点，需要根据不同的定位情况和精度要求，选 择适合的定位系统。 超短基线系统的特点是基阵尺寸特别小，可以在较小的载体上使用。发 哈尔滨工程大学硕十学位论文 射换能器和几个水听器可以组合成一个整体，称为声头，其尺寸只有几厘米 至几十厘米。声头可安装在船体底部，也可以悬挂于小型水面船的一侧。由 于只用一个尺寸不大的声头，使用较为方便灵活，且易于在载体上选择噪声 干扰较小的位置安装或吊放。正因为水听器基阵的尺寸很小，不能利用短基 线系统中的常规脉冲包络检波和相对到达时间测量方法。必须利用相位差或 相位比较法，通过相位差测量，确定信标( 或应答器) 在基阵坐标系中的方 位，从而进行定位解算。 若按照工作方式来划分，以上三种定位系统都可以选择使用同步信标工 作方式或应答器工作方式。采用同步信标工作方式，要求在待测目标或测量 船上都安装高精度同步时钟系统，信标按规定的时刻定时发射信号，并据此 确定目标位置。应答器工作方式要求在应答和测量船上都安装询问( 应答) 发射机和接收机口1 。 超短基线( u l t r as h o r tb a s el i n e ：u s b l ) 定位系统利用水声定位技术对水 下目标进行定位、跟踪和数据传输。系统采用应答器工作方式；由于基阵尺 寸很小，所以安装比较方便；而且设备成本相对较低，使用十分灵活。其工 作示意图如图1 1 所示： “弓 图1 1 超短基线定位系统工作示意图 本系统主要解决高精度测时测向、高性能水声换能器成阵、复杂信号编 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 码、远距离水声通信和数字信号处理软硬件等技术难点，研发具有自主知识 产权，达到国际先进水平的试验样机。该系统具有体积小、精度高和使用方 便等优点，可广泛应用于深海或大洋资源调查、勘探与开发，海洋工程及水 下作业等领域。 13 水声应答器的发展与现状 超短基线定位系统在深海资源探测与开发中扮演着重要的角色，而水声 应答器是水声定位系统的重要部分，因此，研s u c h 应的深海应答器就成了一 项重要的工作。 目前团内还没有专门从事应答器生产的公司，国外在这方面起步较早， 其产品型号较全，基本可以满足不同海洋条件下特定任务的需要。其中法国 的o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公司始建于1 9 7 7 年，是一家专业从事水声设备、海 洋学仪器和水下导航设备开发的公司，在2 0 0 2 年该公司与i x s e a 公司合并。 许多发达国家的海军及海洋研究所都有o c e a i l o t e c h n o l o g i e s 公司的产品，同 时其产品也已经成为业内的标准，代表着当今世界的先进水平”1 。 2 甏溜2 耀 0 c e a n 0 m t 9 5 1 s 图12o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公司的应答器产品 如图12 所示，e t 8 6 1 s 、e t 8 6 1 g 和m t 8 6 1 s 是o c e a n ot e c h n o l o g i e s 公 司的几款应答器产品，它们的工作频率为8 k h z 到1 6 k h z ，最人工作深度为 6 0 0 0 m ，命令编码采用f s k 方式。 美幽的b e n t h o s 公司也是一家从事水声设备研制的公司，其研制的水下 1 霪w 彬 jrk艮，轧醚 哈自；滨l 程大学硕士学位论文 m o d e m 产品，使得组建水下局域网成为可能；同时，其研制的p i n g e r 产品， n ，以安装在飞机上，一旦e 机失事沉入海中，可以利用p i n g e r 发出的信号迅 速找到准确的位置，为水声产品的民用化迈出了重要的一步。 图13b e n t h o s 公司的应答器产品t r 6 0 0 0 和x t 6 0 0 0 如图13 所示，t r 6 0 0 0 和x t 6 0 0 0 为b e n t h o s 公司的最新两款应答器产 品，其外部采用球形玻璃壳体结构，这种结构能够承受很大的压力，使其能 够投放到更深的海域工作，而且其整体结构本身具有浮力，省去了浮体装置， 操作起来更加方便。t r 6 0 0 0 的内部结构如图i4 所示。 图14 应答器t r 6 0 0 0 的内部结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t r 6 0 0 0 还装有释放机械装置。其采用电熔断释放机构，当接收到水面发 射机的释放命令后，释放器中的熔丝熔断，重物脱落，玻璃球依靠自身的浮 力浮出海面。b e n t h o s 公司峥1 还生产了水下m o d e m 产品d s 7 0 0 0 ，t r 6 0 0 0 和 其配套使用可以很好地完成水下定位和导航的任务。下面就o c e a n o t e c h n o l o g i e s 公司，b e n t h o s 公司的应答器产品作一对比。 表1 2 水声应答器性能比较 比较项目 e g 8 6 1 g ( o c e a n o )t r 6 0 0 0 ( b e a t h o s ) 最人深度 6 0 0 0 m6 7 0 0 m 工作距离1 0 ，0 0 0 m 1 0 ，0 0 0 m 接收频带 8 1 6 k h z7 1 5 k h z 频点带宽 2 0 0 h z2 5 0 h z 频点步长 5 0 0 h z2 5 0 h z 最小脉宽 6 m s1 0 m s 检测闽7 8 + 6 d b ( 背景噪声)8 5 d b ( 背景噪声) 指令编码方式 r z f s k 8 个独立的频率通道 发射频带 7 5 - 18 l 州z7 5 l7 l ( h z 发射声源级 1 9 2 d b 4 - 4 d br e f l u p a l m19 2 d b ( 9 - 13 k i - i z ) 发射信号 c w c h i r p 未知 p i n g e r 模式 有无 垂直状态诊断 有无 电池电压诊断 有无 功耗7 0 0 u a ( 7 5 v d c )未知 电池类型 碱性电池锂电池1 6 安时碱性电池 接收电池寿命5 年( 碱性电池)2 年 发射电池寿命 15 0 ，0 0 0 5 0 0 ，0 0 0c w 未知 换能器指向性 向上半空间 向上半空间 封装 17 ”耐压玻璃钢 1 7 ”1 3 ”2 4 ”玻璃钢 重量( 空气中) 3 l k g 2 6 k g ( 1 7 ”) 重量( 水中)1 5 k g 1 7 k g ( 1 7 ”) 尺寸 4 7 0 + 4 7 0 木6 2 0 m m 直径1 7 ”13 ”2 4 ”球形 压力传感器 可选无 声学释放器无 有 水声通信功能无无 备用接口可选无 辅助遥控设备 1 v r 3 0 1 7 0 11 3 i $ 7 0 0 0 哈尔滨工稃大学硕士学位论文 伴随着现代电子技术的发展，高速、大规模集成电路的出现，水声应答 器产品无论在性能上或是成本上都比以往有了质的飞跃。 1 4 论文的主要工作 本论文主要的研究内容是设计实现超短基线定位系统接收机及其应答 器，主要工作包括以下几个方面： 1 系统接收机硬件电路的设计与实现。 2 应答器的接收预处理板、值班电路板和信号处理板硬件电路的设计 与实现。 3 自适应数字滤波算法的仿真。 4 值班电路的软件设计。程序采用汇编语言编写，运行于m s p 4 3 0 单片 机上，主要实现系统自检、信号检测和电源控制等功能。 6 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第2 章系统接收机的设计 2 1 接收机的组成 声纳接收机的任务是接收和处理来自接收基阵的信掣7 1 ，其性能的优劣 将直接影响整机系统的性能。在超短基线定位系统中，最常用的是相位信息， 若接收机各通道的相频特性不好或各通道之间的相位一致性差，会直接影响 到系统的定位精度。接收机一般组成如图2 1 所示。 醴忸 h j 丑1 瑟) ( 叵卜郾n 图2 1 接收机一般组成框图 接收机的输入信号一般为毫伏级甚至是微伏级，信号在进入滤波器之前 需要进行前级放大；信号经过滤波器后，通带内信号可能会有衰减，一般在 滤波器后加一级后级放大：射随一般用来提高接收机带负载能力；在最后加 一级耦合隔离，可以避免后级高频数字信号对前级模拟部分的干扰。 本系统接收机组成框图2 2 所示。 图2 2 本系统接收机组成框图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在图2 2 中，差分输入转单端输出电路先将差分信号转换为单端信号；同 时，将信号放大到合适电平，然后进行滤波。为了适应系统在不同海域的测 试作业，在电路中加入了一级模拟开关，增大了接收机的灵活性。监控测试 电路能适时、方便地监视信号的有无。隔离级采用变压器耦合方式，以避免 后级对前级的影响。 超短基线定位系统接收基阵为8 元阵，相应地接收机有8 个通道的放大、 滤波电路，下面分别对通道的各部分进行详细的讨论。 2 2 硬件电路的设计 2 2 1 差分转换电路 + 为了有效地消除传输过程中的共模干扰，系统水听器采用差分方式输出 信号。因此，接收机各通道需要将接收到的差分输入信号转换成单端信号输 出，以便后级处理。 v v 图2 3 差分输入转单端输出的传统电路 差分输入转单端输出的传统电路如图2 3 所示。这种电路需要3 片放大 器，功耗较大；而且占用体积空间相对较大，会增加电路板的制作成本。本 设计选择美国t i 公司的全差分放大器t h s 4 1 3 0 实现差分输入向单端的转换。 全差分放大器t h s 4 1 3 0 可在单5 v 至士1 5 v 供电条件下工作，静态电流 在士5 v 条件下为1 2 3 m a ，具有关断模式，在关断模式下静态电流仅有9 6 0 i t a 。 输入端等效噪声e 。= 1 3 n v , f h - - z ，i 。= o 4 p a h z ( 在1 0 k h z 频率下测得) 。在 哈尔滨 = 程大学硕士学位论文 士1 5 v 供电下，单位增益带宽达1 5 0 m h z ，可有效抑制谐波失真，其平衡的差 分输入和差分输出可以有效地抑制共模噪声p 1 ，完全满足本设计的需要。 全差分放大器t h s 4 1 3 0 的差分输入转换成单端输出的电路如图2 4 所 示。 r f 图2 4 差分输入转单端输出电路 其输出端信号增益可以由式( 2 1 ) 求出。 r ， 驴意 ( 2 - 1 ) 本设计要求差分输入转单端输出电路的增益为2 0 d b 。选择元件值时，为 了满足输入前端的低噪声要求，取& g ) 的值为1 0 0 q ，则由公式( 2 1 ) 可得q 的 值为l k o 。 2 2 2 运算放大电路 集成运算放大器广泛用于模拟信号的处理和发生电路之中，因其高性能、 低价位，在大多数情况下，已经取代了分立元件放大电路p 1 。集成运放在电 子技术的各个领域都有着十分广泛的应用，特别是在水声领域，集成运算放 大器有着不可替代的作用。 本系统接收机的前级、后级放大电路设计都采用集成运算放大器。正确、 合理地选择集成运放，是电路设计能满足指标要求的可靠保证，根据接收信 号的频率范围和系统对功耗、噪声的要求，本设计采用美国a d 公司的低功耗 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 单集成运算放大器a d 8 6 4 1 。 a d 8 6 4 1 噪声特性好0 1 ，其输入电压噪声和电流噪声均很低，由合适的 输入电阻和反馈电阻构成前置放大器或高增益放大器能达到降低噪声的效 果：最大工作电流为2 5 0a ，满足系统的低功耗要求；输入阻抗高，且偏置 电流低，最大输入偏置电流只有1p a ，能够很好地保证输入信号不失真地进 入接收通道。 放大电路采用反向输入比例运算放大器结构，如图2 5 所示： 图2 5 反向输入比例运算放大电路 其输出端信号增益可以由式( 2 2 ) 求出。 = 等一鲁 ( 2 - 2 ) 接收机电路的总增益为6 0 d b ，每级运算放大电路的增益为2 0 d b ，考虑 到系统功耗的要求，选定局的值为5 1 k o 、则由公式( 2 - 2 ) 可得是的值为5 1 k q 。 2 2 3 滤波电路 如今模拟滤波器广泛应用于各种模拟信号处理系统中，应用领域已经遍 及整个电子、通信工程、仪器仪表、控制和计算机等。不同领域的应用会遇 到各种不同类型的干扰，因而需要应用到各种不同性能要求的模拟滤波器 一、滤波器的功能和分类 滤波器根据其功能分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤 l o 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 波器和全通滤波器。 低通滤波器通带由0 延伸到某一规定的上限频率 ，阻带则由疋延伸到 无限大频率，通带和阻带间的频段即九疋称为过渡带；高通滤波器其频率 特性与低通滤波器相反，低频段o f 是阻带，高频段九是通带；带通 滤波器的通带限定在两个有限频率点这间；带阻滤波器频率特性和带通滤波 器相反；全通滤波器则允许0 - - 一o o 的频率都能通过，其主要用途是用来校正系 统的相位( 或延迟) 畸变。 根据“逼近特性函数”的标准，滤波器分为巴特沃兹( b u t t e r w o r t h ) 滤波器、 贝塞尔( b e s s e l ) 滤波器、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 滤波器和椭圆函数( e l l i p t i c ) 滤波 器即考尔( c a u e r ) 滤波器等。 b u t t e r w o r t h 近似主要特点是：通带内有最大平坦段；过渡带衰减较慢； 选择性较差，但换来了通带内的相频特性接近线性1 1 。c h e b y s h e v 滤波器过 渡带特性优于b u t t e r w o r t h 近似；相频特性更加非线性；椭圆滤波器主要特 点为通带和止带都等波纹波动，过渡带优于c h e b y s h e v ，但时延性很差；b e s s e l 滤波器可以有很好的相位特性，保证网络的群时延特性在通带内为常数。但 是作为应该具有频率选择功能的滤波器，其幅频特性几乎是不能容忍的。 滤波器按所使用元件的类型可以分为无源l c 滤波器、有源r c 滤波器、 集成有源滤波器和开关电容( s c ) 滤波器等。 l c 无源滤波电路主要由电感和电容组成，其特点是电路结构简单、成 本低廉，但传输有衰减，输出需要匹配。由于感性元件的存在，易受感应干 扰。为避免空间干扰需加磁屏蔽，在相同阶数的滤波器中其体积和重量要大 很多( 特别在频率不高的电路中) ，l c 无源滤波器多在高频电路中采用。有 源r c 滤波器由于其结构多样可变，性能优良，成本低廉，成为模拟信号调 理的首选。有源r c 滤波器由运算放大器、电阻和电容构成，其核心环节是 积分器。集成有源滤波器( 有源滤波芯片) 是把半导体工艺容易实现集成的 运算放大器和电容集成到一个芯片中，通过外接电阻组成实用滤波器，并通 过调节外围电阻的大小和外接位置实现滤波器的带宽和滤波器结构形式的改 变。开关电容滤波器是通过利用开关电容网络构成的滤波器，基本环节还是 积分器。不同的是由开关电容取代滤波器积分环节的电阻，滤波功能是靠开 关电容开断充电实现的。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 二、滤波器的选择 模拟滤波器性能是通过幅频特性、输出线性特性和输出相移特性来表征 的，其中模拟滤波器的幅频特性可以通过良好的设计和相关元器件参数的选 择得以提高。根据不同参量测量对信号调理的需要，还需要对滤波器的输出 线性度以及输出相移特性进行研究。 在超短基线定位系统中，最常用的是相位信息，滤波器不仅要有良好的 幅频特性，而且要具有极好的相位特性。若接收机各通道的相频特性不好或 各通道之间的相位一致性差，会直接影响到系统的定位精度。b e s s e l 滤波器 有很好的相位特性，但是用b e s s e l 型滤波器设计具体电路时需要的阶数过高， 难以实现。b u t t e r w o r t h 滤波器虽然过渡带衰减较慢，但其通带内的相频特性 接近线性，此设计中采用b u t t e r w o r t h 型滤波器。 本系统接收机滤波模块的具体电路设计采用有源r c 滤波器。 选择有源r c 滤波器的主要因素列： 低频尤其是甚低频范围，其它各种滤波器都不适宜，而有源r c 滤 波器可以实现。 有源滤波电路中的运算放大器可加电压串联负反馈，可以获得高输 入阻抗和低输出阻抗，从而可在输入与输出之间进行很好的隔离。 这样可以通过级联的形式得到高阶的滤波器器，不必像l c 滤波电 路那样需要考虑级间的影响。 由于不使用电感元件，体积小、重量轻，不需要磁屏蔽。 有源r c 滤波器理论已很成熟，工程上已有一整套方便的设计方法。 综合上述因素，本系统接收机的滤波模块的设计采用b u t t e r w o r t h 型的有 源r c 滤波器。 三、滤波器的参数设计 本系统接收机滤波器的中心频率五的值为1 0 5 k h z ，通带带宽口厂的值为 6 k h z ，f o 1 3 f 2 ，该滤波器属于宽带带通，可以采用高通和低通链接的方 法构成。模拟滤波器的阶数越高，其性能越好，但系统的整体结构和功耗指 标等因素决定了滤波器的阶数不能过高。综合上述因素，本设计采用8 阶低 通滤波器和8 阶高通滤波器链接的方式构成带通滤波器。 高阶有源滤波器设计和实现的各种方法中，“级联”结构是技术上最成熟、 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结构较简单、调整较容易的一种结构， 电路的基本节，然后将它们级联起来， 器。 因此本设计采用单放大器二阶节作为 构成8 阶低通滤波器和8 阶高通滤波 单放大器二阶节按照r c 网络与放大器不同的联接方式归纳为三种二阶 节电路： 1 单放大器构成负增益放大器，然后再与r c 网络结合在一起，这种 构成方式称为k r c 实现。 2 单放大器直接与r c 网络结合在一起，这种方式称为无限增益实现。 3 单放大器构成正增益放大器，然后再与r c 网络结合在一起，这种 构成方式称为+ k r c 实现。 在r c 元件数目、元件值的范围、调整的难易程度及对于温度变化的稳 定性等方面都比较优越的是无限增益多重反馈电路和+ k r c 电吲”1 ，但是， 在具体应用中，在q 较小的场合，+ k r c 电路对放大器增益要求低，通过对 k 的调整可以补偿r c 元件的误差，因此本设计采用+ k r c 类单放大器二阶 节电路作为构成滤波器的基本节。8 阶低通滤波器的电路结构如图2 6 所示： ii工i 图2 68 阶低通滤波器电路结构图 高通滤波器的设计也采用同样的方法，采用+ k r c 类单放大器二阶节电 路作为构成滤波器的基本节，将四个基本节级联起来，构成8 阶高通滤波电 路，其电路结构与低通滤波器的电路结构相似，只要将低通滤波器电路中的 电阻与电容的位置互换，就可以构成高通滤波器电路，如图2 7 所示： b l1 3 3 1 3 5 1 3 7 图2 78 阶高通滤波器电路结构图 上述8 阶低通滤波电路与8 阶高通滤波电路链接起来，就可以构成带通 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i i i i i i i i i i i i 声i ；i 暑暑宣；i i i ；i i 青i , i _im_mi i ；i i i i 宣 滤波器。 本论文采用图表法计算滤波器电路中的实际元件值。图表法通过直接查 表的方式得到滤波电路中的归一化元件值，与直接计算法相比，可以节省设 计的时间，提高工作效率4 1 。 表2 1 巴特沃思滤波器有源结构归一化电容值 n c lc 2c 3c 4 c 5c 6c 7 c 8c 9c l o 1l 21 4 1 4 30 7 0 7 l 320 51 42 6 1 3 00 3 8 2 71 0 8 2 30 9 2 3 9 5 3 2 3 6 20 3 0 91 2 3 6 90 8 0 9l 63 8 6 3 90 2 5 8 31 4 1 4 20 7 0 7 11 0 3 5 20 9 6 5 9 74 4 9 4 30 2 2 2 51 6 0 3 80 6 2 3 51 1 0 9 90 9 0 0 91 85 1 2 5 50 1 9 5 11 8 0 0 20 5 5 5 51 2 0 2 70 8 3 1 51 0 1 90 9 8 0 95 7 5 8 70 1 7 3 62o 51 3 0 5 40 7 6 6 01 0 6 40 9 3 91 1 06 3 9 1 8o 1 5 6 42 2 0 2 40 4 5 41 4 1 4 20 7 0 7 11 1 2 2o 8 9 11 0 10 9 8 7 表2 1 列出了巴特沃思型低通滤波器从1 到1 0 阶的归一化电容值，从这 些归一化电容常数值可求出滤波器电路的实际元件值。设计时，先从表2 1 中找出8 阶巴特沃思型低通滤波器的归一化电容值e ，然后确定适合的电阻 值r ，这样8 阶低通滤波器的实际电容值c 口可以简单地由公式( 2 - 3 ) 地求出。 r e 2 最( 2 - 3 ) a z 心 式中： e 一归一化电容值，f 妙一滤波器的截止频率，h z r一选定的电阻值，q 设计8 阶高通滤波器时，将低通滤波器的归一化电容值e 代入公式( 2 4 ) ， 即可求出高通滤波器的归一化电阻值。 1 r = ( 2 4 ) 哈尔滨_ t 程大学硕士学位论文 与设计低通滤波器时一样，先选择合适的电容值g ，然后按照( 2 5 ) 即求 出8 阶高通滤波器的实际电阻值尺。 兄：每( 2 - 5 ) l o 式中： r 。 一归一化电阻值，q 纸一滤波器的截止频率，h z c 0 一 选定的电容值，f 2 3 性能测试 接收机的正弦输入信号采用a g i l e n t 公司的3 3 2 2 0 a 信号源产生，其幅度 值设为1 0 m v 。测试过程中，调节输入信号频率，每隔2 0 0 h z 纪录一个输出 信号幅度值。采用m a t l a b 分析纪录结果，得到如图2 8 所示的接收机幅频 特性图。 雩 图2 8 接收机幅频特性图 从图2 8 中可以看出，接收机的通频带为8 6 k h z 到1 5 1 k h z ，增益为6 0 d b 左右，满足系统指标要求。 测量接收机的相位一致性时，在其各通道前端输入同一正弦信号，同时 保证信号频率值在其通带范围内。接收机正常供电后，采用3 5 7 5 a 型相位计 哈尔溟工程大学硕十学位论文 测量各通道输出端信号相位值，测得各通道间的相位差在1 0 以内，基本满足 系统定位解算的要求。 将接收机输入端短路接地，测量其输出电压有效值，结合接收机的放大 量，得到其输入等效噪声为6 p v 。接收机各通道同时正常工作时，测得其功 耗为3 6 0 m a 。 2 4 本章小结 本章从介绍超短基线定位系统接收机的组成结构出发，论述了接收机各 部分硬件电路的设计过程。其中，在设计滤波电路时，充分考虑了系统对接 收机各通道间相位一致性的要求，并对滤波器类型的选择和电路元件值的计 算作了详细的讨论，给出了设计参数。 1 6 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 第3 章应答器的硬件设计 3 1 应答器的构成及主要功能 超短基线应答器系统一般工作于海底，只能采用电池供电，而应答器的 体积是固定的，其内部只能装入一定数量的电池，所以其硬件电路的设计必 须遵从低功耗的原则。超短基线应答器的硬件电路构成如图3 1 所示，包括 信号处理板、值班电路板、接收预处理板、线性功放板、匹配电感板和母板 等部分。 图3 1 应答器硬件电路构成框图 其中母板完成各板之间的信号传递功能；接收预处理板实现对换能器输 出信号的放大、滤波，提高接收信号的信噪比；值班电路板完成系统的电源 管理和基本应答等功龇f i e , ；数字信号处理板主要实现系统的通信功能；线性功 放板完成信号的发射功能；匹配电感完成与换能器的阻抗匹配功能。 超短基线应答器作为定位系统的关键水下单元之一，处于整个系统的末 端，为终端节点，其主要功能有： 1 系统自检： 2 基本应答：接收声询问信号并转发声应答信号； 3 响应遥控编码指令； 4 信标； 5 水声通信； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 自动释放：响应释放指令，产生释放控制命令，定时接收不到释放 指令，可以自行释放； 3 2 接收预处理部分 接收预处理板接收来自水听器的信号，完成信号的预处理，提高信噪比， 其电路由前级放大、模拟开关、带通滤波器和后级放大等几部分组成。图3 2 为接收预处理板组成框图。 接收预处理板对接收频带内的信号进行预处理，提高信号信噪比5 1 。其 前级和后级放大电路均采用反相比例放大电路，中间加入了一级增益控制电 路，由单片机产生控制信号，实现增益控制，以满足系统在不同海域的测试。 耸瓣大2 0 最d b 前级放 大2 0 d b 前级放 大2 0 d b 黼吲模拟开关( 2 1 )控制信号卜_ 卅”“兀、“ 带通 滤波赢大2 0 d b 崔广1 图3 2 接收预处理板组成框图 综合考虑功耗和噪声的要求，滤波器电路设计采用的运算放大器为t i 公司的o p a 2 3 4 8 ，其静态电流在+ 5 v 供电时为4 5 衅，可在单+ 2 1 v 至5 5 v 供电条件下工作，输入端等效噪声为3 5n v 以云，单位增益带宽1 m h z 。 图3 3 带通滤波器二阶节电路图 1 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 图3 3 为用g i c ( 通用导抗变换器) 实现的二阶节滤波电路，其对拐点 频率和q 值有非常强的控制能力引。本设计采用此种电路作为构成带通滤波 器的基本二阶节，将四个二阶节滤波电路级联起来，构成接收预处理板带所 需的8 阶带通滤波器。 系统要求滤波器的中心频率为1 3 5 k h z ，带宽为3 k h z ，实际电路中存在 电阻和电容的精度问题，为了达到系统的指标要求，调试滤波器电路时需精 心挑选高精度的电阻和电容。在实验室测得接收预处理板的功耗为7 0 0r t a ， 输入等效噪声为5 肛v 。 3 3 单片机值班电路部分 值班电路是应答系统中的常开电路，其设计必须遵从低功耗的原则。以 往的应答器一般采用模拟器件设计组成值班电路，以节省系统功耗。但是， 这种模拟电路无法检测编码信号，灵活性不强。鉴于系统对电路的功耗和灵 活性的要求，本设计采用美国t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机作为应答器值 班电路的核心处理器。 几软件配置 接收预处理板的输出 接收预处理板增益控制 a d 采 集 4 3 0 的 p ( i o ) 口 4 3 0 的串口 m s p 4 3 0 单片机 4 3 0 的p ( i 0 ) 口 4 3 0 的d a 输出 高速时钟 低速时钟 发射机电源控制| ii ld s p 信号处理板通信 发射机输入 8 1 1 h z 晶振 7 6 8 k h z 晶振 图3 4 值班电路各功能模块框图 值班电路各功能模块结构如图3 4 所示。单片机的片内a d 转换模块对 1 9 哈尔滨工程大学硕士学何论文 接收预处理板输出的模拟信号进行采样，检测唤醒信号；单片机的片内d m a 控制器直接将f l a s h 存储器中的数据传送给其d a 转换模块，为发射机提 供驱动信号；两种时钟的使用，有利于值班电路降低功耗，高速时钟用于算 法计算，低速时钟用于系统计时；单片机可以通过串行接口接收主机或其它 设备的数据，完成软件的基本配置。 3 3 1m s p 4 3 0 单片机简介 t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机【哪饽1 是一种超低功耗的混合信号控制器， 其中包括一系列片内外设，它们针对不同的应用而由不同的模块组成。这些 微控制器被设计为用电池工作，而且可以长时间使用。它们具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中的1 6 个寄存器和常数发生器使m s p 4 3 0 微控制器能达到最高 的代码效率；灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制振荡 器( d c o ) 可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6 螂的时间内激活到活跃的 工作方式。 系统采用的单片机m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 口0 1 的主要技术指标： 供电电压范围：1 8 - - 3 6 v ； 活动模式：3 3 0 衅 1 m h z ，2 2 v ； 待机模式：1 1 衅； 关闭模式：0 2 衅； 5 种节电模式： 1 6 位r i s c 结构，1 2 5 n s 指令周期； 三通道内部d m a ； 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器，自身带采样保持； 双通道d a 输出； 两个带有捕捉比较寄存器的1 6 位定时器： 两通道串行通信接口； 1 2 c 通信模块： 硬件乘法器； 串行在线系统编程； 安全熔丝的程序代码保护。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 从以上指标介绍可以看出m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 具有丰富的外部资源，值班电 路的大部分功能就是由单片机内部集成的外围模块完成的。 3 3 2 值班电路功能模块 一、基础时钟模块 基础时钟模块对于达到低廉的系统成本和微弱的系统功耗的设计目标是 非常重要的，利用其3 个内部时钟信号，开发工程师可以在系统的低功耗和 高性能之间得到最佳平衡。 l f x t l c l k x t 2 c l k d c o c l k 基本时钟模块 a c l k m c l k s m c l k 图3 5m s p 4 3 0 单片机基础时钟模块 如图3 5 所示，m s p 4 3 0 单片机基础时钟模块有3 个时钟输入源： l f x t l c l k ( 低频时钟) ：低频钟表晶体、标准晶体、陶瓷谐振器或 外接时钟源工作。 x t 2 c l k ( 高频时钟源) ：标准晶体、陶瓷谐振器或外接4 5 0 k h z - 8 m h z 时钟信号源工作。 d c o ( 时钟源) ：数控( d c o ) r c 振荡器。 基础时钟模块可以提供3 种时钟信号： a c l k ( 辅助时钟) ：a c l k 是l f x t l c l k 信号经1 、2 、4 、或8 分频后得到的，可以用软件选择分频因子。a c l k 可以用软件选作 各外围模块的时钟信号。 m c l k ( 主时钟) ：m c l k 可由软件选自l f x t l c l k 、x t 2 c l k 或 d c o 信号，经1 、2 、4 、或8 分频后得到，可以用软件选择分频因 子。m c l k 用于c p u 和系统。 s m c l k ( 子系统时钟) ：s m c l k 可由软件选择来自l f x l c l k 、 x t 2 c l k 、d c o c l k 三者之一，然后经1 、2 、4 或8 分频后得到， 分频系数由软件控制。s m c l k 主要用于各外围模块。 2 l 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 值班电路设计中采用两个标准晶体作为单片机的外接时钟输入源， 3 2 7 6 7 k h z 晶振接l f x t lc l k ，此时钟经1 分频得到a c l k ，供定时器作为 输入时钟；8 m h z 晶振接x t 2 c l k ，m c l k 选择x t 2 c l k 作为时钟输入源， 并作为系统工作的主时钟；s m c l k 也选择x t 2 c l k 作为时钟输入源，作为 子系统时钟。在调试基础时钟模块时，必须要等待晶振完全起振后再对时钟 控制寄存器设置，否则时钟设置将不会成功。 二、定时器模块 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 有三种定时器：看门狗定时器( w d t ) 、定时器a ( t i m e ra ) 、 定时器b ( t i m e r 鳓。 看门狗定时器实质上是一个定时器，其主要功能是：当程序发生故障时 能够使受控系统重新启动。如果w d t 超过所定时的时间，即发生系统复位。 如果系统不需要看门狗功能，也可将它当作定时器使用，当到达w d t 所定 时的时间时能产生中断。本设计没有使用看门狗定时器，在调试时用软件指 令将其关闭。 定时器a 是m s p 4 3 0 所有系列器件都有的模块，是一个用途非常广泛的 通用1 6 位定时器计数器。定时器a 主要特点有： 1 6 位计数器，4 种工作模式； 多种可选的计数器时钟源； 具有多个可配置输入端的捕获i l z k 较寄存器； 有8 种输出模式的多个可配置的输出单元。 定时器a 可支持同时进行多种时序控制、多个捕获l ：k 较功能及多种输出 波形( p w m ) ，也可以是几种功能的组合。每个捕获i l z k 较寄存器可以以硬件的 方式支持实现串行通信。定时器a 还具有中断能力。中断可由计数器溢出引 起，也可来自具有捕获或比较功能的捕获i z k 较寄存器。每个寄存器可独立编 程，由捕获或比较外部信号以产生中断，外部信号可以是上升沿，也可是下 降沿，也可二者都有。 定时器a 有一个专门的控制寄存器( t a c t l ) 和一个计数寄存器( t a r ) ， 中断允许和中断标志在s f r ( 特殊功能寄存器) 中。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 表3 1 寄存器t a c t l 定义 1 5 1 09876543210 未用s s e l ls s e l ol d li d om c lm c o未用c l rt a l et a i f g t a i f g ：定时器中断标志位。 t a i e ：中断使能位。该位使能定时器中断请求。 c l r ：计数寄存器清除位。 m c l ，m c 0 ：模式控制位。选择定时器的工作模式。 i d l ，i d 0 ：输入分频位。选择输入时钟源的分频系数。 s s e l l ，s s e l 0 ：输入时钟源选择位。 定时器a 的控制寄存器t a c t l 的各位功能定义如表3 1 所示。本设计 在配置定时器a 时，先通过对时钟源选择位s s e l l 、s s e l o 的软件配置，选 择8 m h z 的s m c l k 作为定时器的时钟输入源，接着配置i