多通道声纳信号预处理系统设计

代明清, 冯西安, 高天德, 李晓花



多通道声纳信号预处理系统设计

代明清, 冯西安, 高天德, 李晓花

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

模拟预处理系统是声纳接收机的重要组成部分, 为了解决声纳回波信号微弱多变等问题, 设计了一款高精度、多通道模拟预处理系统, 给出了系统整体框图, 分析了其工作原理, 并详细介绍了各部分电路。该系统采用压控放大器VCA810设计自动增益控制, 实现了±40 dB范围内输入信号的线性、无失真以及恒定输出, 并通过截止频率可变的开关电容滤波器实现宽带滤波, 且滤波器通频带可通过拨码开关控制, 灵活可调。该系统具有体积小、低噪声、低功耗及动态范围大等特点, 经试验验证可满足设计要求。

声纳; 回波信号; 预处理系统; 自动增益控制; 开关电容滤波器

0 引言

目前, 声纳已广泛应用于水下目标探测、海洋地质考察、船舶导航及海上石油勘探等方面。一个完整的声纳系统主要包括信号源、发射功率放大器、换能器基阵、模拟预处理机及后级数据采集系统等。

在进行水下探测时, 由于受发射功率大小、收发距离远近及传播衰落等因素的影响, 接收机接收到的水声信号往往比较微弱, 且动态范围很大, 不适合直接进行后级处理。因此, 需要有模拟预处理系统对回波信号进行放大、滤波及自动增益控制(automatic gain control, AGC), 将接收到的信号放大至适当的电平, 并压缩信号的动态范围, 再传给A/D转换器进行数据采集及后级处理。另外, 水声信号处理中普遍采用波束形成技术, 这就要求预处理系统是一种多通道系统, 且各通道间必须具有良好的相位和幅度一致性。

本文根据实际需要, 设计了一款8通道模拟预处理系统, 有效完成了对回波信号的放大、滤波和自动增益控制。系统增益达120 dB, 动态范围为80 dB, 工作频带可调。

1 多通道声纳信号预处理系统设计

1.1 系统总体结构

多通道预处理系统主要由低噪声放大、自动增益控制、带通滤波器、射极跟随和供电电源5部分组成。图1为系统总体结构框图[1]。

图1 系统结构框图

一般放大器在放大倍数较高时很容易自激, 因此, 本系统采用了3级放大形式。1级放大增益为40 dB, 用于放大前端接收到的微弱信号; AGC增益范围为-40~+40 dB, 用于调节通道放大倍数, 压缩信号动态范围, 稳定输出信号幅度; 3级放大增益为40 dB, 用于进一步提高系统的整体增益。3级级联放大保证了系统总体增益高达120 dB, 并可在40~120 dB内自动调节。

滤波器在系统中主要起降低噪声、滤除带外干扰、提高整机稳定性的作用。为了保证滤波器的通带平坦度和阻带衰减, 采用高通滤波器加低通滤波器的方式组成高阶带通滤波器。高通、低通滤波器均采用开关电容滤波器, 由复杂可编程逻辑器件 (complex programmable logic device, CPLD)[2]为其提供外部时钟, 以便改变滤波器截止频率, 调节系统带宽。射极跟随主要用于降低输出阻抗, 并将单端信号变为差分信号, 以便A/D转换器采集数据。

1.2 低噪声放大电路设计

系统内部噪声是影响整机性能的关键因素之一[3], 它直接限制了接收装置的最小可检测信号, 因此, 在设计接收机时, 要尽可能降低系统噪声, 提高信噪比。本系统共由3级放大电路组成, 当第1级放大器的功率增益很高时, 级联放大器的总噪声系数主要受第1级放大器噪声的影响, 所以在低噪声设计中应尽量减小第1级的噪声系数并提高第1级的增益。

式中: , 分别为电感前级上下两端的电感量。系统采用此电路取代一般的电阻反馈式电路, 有效降低了前级噪声, 经试验前级等效输入噪声有效值可低至80 nV。

1.3 自动增益控制设计

由于海洋环境复杂多变, 接收机接收的信号强弱变化范围很大, 信号强度可以从几微伏至几毫伏, 相差几十分贝。如果接收机增益不变, 则容易造成强信号的堵塞或弱信号的丢失。因此需要设计良好的AGC电路调节各通道放大倍数, 使输出信号的幅度保持不变或只有很小的变化。本系统采用TI公司的压控放大器VCA810实现各通道的增益控制。

1.3.1 VCA810性能特点

控制电压与增益间的关系

图3 控制电压与增益间的关系曲线

1.3.2 AGC控制电路

图4 自动增益控制电路

1.4 频带可调8阶带通滤波器设计

系统采用8阶高通滤波器和8阶低通滤波器组成一个高阶带通滤波器[5], 来实现对信号的滤波。其中高通滤波器选用Linear公司的LTC 1068-25, 低通滤波器选用LTC1569-7。两滤波器的时钟频率均由CPLD提供, 若要改变系统通频带, 只需改变CPLD提供的时钟频率即可。

因此, 带通滤波器带宽为

图5为CPLD产生时钟频率的原理图。R4为4位排阻, SW DIP-4为4位拨码开关。当某一位开关闭合时, 其输出端接地, 相应输出电平为低; 当开关断开时, +5V电源通过一个电阻与数据输入端相连, 输出电平为高。通过对CPLD编程产生16组高通滤波器时钟(HCLK)和低通滤波器时钟(LCLK), CPLD根据的值, 选择其中一组时钟频率提供给开关电容滤波器, 即可实现相应频带内的滤波功能。

实际中, 可采用Linear公司提供的专用软件FilterCAD设计滤波器。设计时只需给出滤波器截止频率、阶数及类型, 便可快速设计出合适的电路, 且可查看滤波器的频率响应曲线及阶跃、脉冲时间响应曲线等。图6、图7分别为高通滤波器和低通滤波器电路原理图。

图6 高通滤波电路

图7 低通滤波电路

采用开关电容滤波器设计滤波电路, 既简化了设计的复杂性, 又保证了系统可靠性、通用性及各通道间的相位和幅度一致性, 是本系统设计的一大关键技术。

1.5 电源设计

模拟预处理机所用的电源是直流稳压电源[6], 这种电源的交流分量、纹波系数、稳定性都比较差, 如果直接给系统供电, 势必会引入干扰, 因此必须对电源进行稳压和滤波处理。图8为本系统电源滤波网络[7]。

图8 电源滤波网络

2 系统测试

为检验系统稳定性, 原理样机调试完成后, 在消声水池做了水池试验。试验布局如图9所示, 试验中利用信号源为发射换能器提供30 kHz的正弦信号, 预处理系统对接收换能器基阵接收到的信号进行处理, 并用Agilent数字万用表和示波器分别测量预处理前后的信号。经测试表明, 该模拟预处理系统能达到预定指标。表1为一组测量结果。由测量结果可看到, 各通道放大倍数正常, 通道输出幅度相近, 一致性良好。

图9 试验布局

表1 测量结果(f=30 kHz)

3 结束语

本文针对水声信号处理的特点, 设计了一款8通道模拟预处理系统, 经过试验验证, 该系统能有效实现对回波信号的放大、滤波和自动增益控制, 且各通道幅度和相位一致性良好, 动态范围大, 性能稳定, 噪声小且功耗低, 具有良好的应用前景。

[1] 杜秀群, 冯西安, 王静, 等. 一种水下主动探测系统的模拟预处理机设计[J]. 计算机测量与控制, 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] 王诚, 吴继华. Altera FPGA/CPLD设计[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.

[3] 张岳锋, 张鼎. 运算放大器应用技术手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2009.

[4] 赵志刚. 舷侧阵主、被动自导实验系统的硬件设计[D]. 西安: 西北工业大学, 2009.

[5] 王峰, 赵俊渭, 李洪升, 等. 高精度声纳信号预处理系统的研究[J]. 数据采集与处理, 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] 戴征坚. 宽频带模拟信号预处理机的研制[D]. 西安: 西北工业大学, 2001.

[7] 杨稳积. 一种可变带宽预处理电路设计[J]. 鱼雷技术, 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] 谭博学, 苗汇静. 集成电路原理及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 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.

教育部高校博士点基金(20106102110011).

代明清(1987-), 男, 在读硕士, 主要从事数字信号处理、电子技术应用等方向的研究.

(责任编辑: 杨力军)