小平台探测接收机设计与实现

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 王 伟

小平台探测接收机设计与实现

中国船舶重工集团公司第七一○研究所 王 伟

为了接收水下目标回波，研究设计了一款适用于无缆定点剖面检测仪的小型化水声接收机，系统采用硬件电路实现对微弱、强干扰噪声影响的输入信号预处理，使其满足后端数字处理要求。考虑到工作环境，设计中降低系统噪声与功耗，湖试结果表明，该接收机能有效接收目标信息，具有灵敏度高、一致性好等优点。

接收机；低噪声；探测

0 引言

到今天为止，人们发现声波是在水介质中传播距离最远、传播衰减最小的信息载体，水声技术被用于对水下目标进行探测、定位，在军事救援和民用捕捞等众多方面都有着不可替代的地位。无缆定点剖面监测仪为一小型化水下监测平台，探测系统包括小型声基阵、接收机、信号处理机三部分，基阵信号经接收机放大滤波处理，被A/D芯片采样后进入单片机进行数字信号处理。

探测系统为了保证能有效的检测出微弱的水声信号，接收机电路必须是低噪声的，否则声信号就会淹没在电路噪声里，使得后置处理电路无法可靠检测到有用信号。且由于剖面仪长期连续工作在水下，整体电路是一个无人值守的全自动信号接收、处理平台，所以最大限度的降低功耗也成为系统设计必须考虑的关键问题之一。然而，在一种电子芯片中低功耗与低噪声指标是相互制约的，功耗指标低时其噪声指标就偏高，为此，接收机选用低噪声运算放大器TLC2262，对微弱水声信号进行预处理；信号处理机采用低功耗单片机MSP430和DSP芯片TMS320C5509采样接收机的输出信号，工作电流仅为1mA。

1 主要性能指标

性能指标表征了一个设备的用途及功能，人们通过这些指标来衡量设备性能的优劣，并据此进行工程设计。本接收机的主要性能指标为：

(1)接收机灵敏度：≤10uV

(2)接收机噪声：≤5uV

(3)输入阻抗：≥100kΩ

(4)固定增益：≥60dB

(5)滤波器通频带：10Hz～1kHz

(6)滤波器阻带衰减：≥40dB

(7)通道数：2

(8)通道输出幅度一致性：＜1.5dB

(9)供电方式：±5V

(10)电流：≤1mA

2 水声接收机原理

经过远距离海洋介质传输，水声信号不仅会有衰减损失，还可能会发生信号畸变，严重影响到数字处理器接收端的信号检测。因此，我们希望提高接收端的信号噪声比，放大微弱的有用信号，滤除通频带外噪声与高次谐波，这样就可以方便后续的A/D采样与处理。本接收机是一个双通道的水声通信系统，采用多个换能器组合成一定的基阵，达到目标参数的接收基阵孔径，形成接收波束，用于接收特定带宽内的水声信息。单通道内的模拟预处理电路包括预放大、带通滤波器、补偿放大、电平抬升、电压跟随器以及数字接口等几部分，结构如图1所示。

图1 接收机原理图

3 主要功能模块及实现

3.1 放大电路

由于集成运算放大器具有体积小、重量轻、成本低、耗电低、可靠性强和易于调试等优点，近年来得到了电子设计者的广泛使用。为满足此探测系统噪声低和频带宽的要求，需要选择一款低噪声级的前放，而第一级前放的噪声级也直接决定了水声接收机的灵敏度。在此选用运算放大器TLC2262，其电压噪声谱密度只有12nV/Hz1/2，增益带宽积可达0.71MHz。每个预处理通道内采用多级放大电路串联的方式满足整机放大不少于60dB的要求，且如果第一级增益足够的高，则其后各级的噪声影响可忽略不计，因此，这里第一级应该设计选择较大的增益，但又不宜过大，要保证输入端最大幅值的回波信号输出时不能限幅。

运算放大器TLC2262被设计构成同相放大器，接收机每个通道上由两级放大器级联，每级放大40倍，采用级间阻容耦合方式防止电路产生自激。

3.2 跟随电路

在电子电路中，有时后级电路会对前级电路产生较强干扰，或有些前级电路的输出带负载能力较弱，这时要用到缓冲电路，其具有的高输入阻抗、低输出阻抗特性能达到前后级阻抗匹配和增强电路带载能力的目的。跟随器就是一种满足上述功能的缓冲电路。

由于跟随电路输入阻抗高，输出阻抗低，可以构成很好的驱动电路。所以，系统选用TLC2254构成电压跟随器，放置在接收机输出端，增强了接收机的驱动能力，输出大电流。

3.3 带通滤波器

有源滤波器是基于运算放大器的RC调谐网络，参数易于调节，覆盖的频率范围很宽，其具有的高输入阻抗和低输出阻抗有利于多级串联，并能方便的在不同滤波器类型之间进行转换。由于希望滤波器具有高通带平稳度，且满足阻带衰减≥40dB要求，故系统采用TLC2262分别构成巴特沃斯二阶低通滤波器与高通滤波器，两者串联构成带通滤波器，原理电路如图2所示。

一般情况下，具体设计有源滤波器的步骤如下：

(1)根据通频带外衰减速率的要求，确定滤波器阶数n；

(2)选择具体的电路形式，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器或相应的组合等；

(3)建立起电路的数学模型（微分方程或传递函数），根据系数的方程组，由截止频率fc、品质因数Q求出电路中元件的具体数值；

(4)安装电路并进行调试，使电路的性能满足指标要求。

由多次数学仿真计算可知，当品质因数Q=1时，二阶有源滤波效果最佳，根据通频带宽10Hz～1kHz，确定出实际电路中的电阻、电容数值，分别得到的有源高通滤波、低通滤波器幅频特性曲线如图3所示。

图2 带通滤波器电路

图3 高通滤波器与低通滤波器串联构成带通滤波器幅频特性曲线

4 实验测试结果

采用层次化电路原理图的设计方法，使得双通道预处理电路在结构上完全相同，提高输出信号的幅值、相位一致性。对所设计的接收机电路单板进行测试，在±5V电源供电的条件下，电流消耗为1mA，满足功耗指标的要求；对接收机进行自噪声测试，等效输入端开路噪声为1uA，短路噪声为0.5uA，符合接收机的噪声指标要求；测试多级放大模块，两级增益为64dB，满足接收机的增益指标要求。对1通道输入0.5mV，500Hz正弦波信号，输出波形幅值接近800mV，实际测试结果见图4所示，逐渐变化输入信号频率至通频带外，输出波形幅值小于500mV，小于通带内信号幅值的0.7，接收机滤波特性正常。

由声基阵、接收处理电路、连接电缆与电池构成小平台探测系统，试验平台锚泊于航道水下30m，收集客船跑航迹的噪声。回收数据如图5所示，持续时间289s，在第50s左右干扰消失，呈现出比较干净的环境噪声背景，然后客船目标出现，在150s左右目标从探测平台最近处通过。目标通过时幅度3.41dB，达到最低背景处幅度0.83dB的3倍以上，超过检测门限，检测到目标，检测距离约500m。

图4 输入信号幅度0.5mV，频率500Hz对应输出波形

图5 航路检测结果

5 结束语

本论文设计完成了一款小型化的高指标水声信号接收机，采用低噪声的前置放大，可以实现接收机对微弱信号的探测；采用了两级放大结构，可实现对输人信号的能量检测。将该接收机应用于不同类型的数字信号处理系统上，能有效达到对特定频率范围的信号采样目的，同时满足了各通道之间幅值和相位一致性的要求。通过湖上试验，接收机具有灵敏度高、动态范围大等优点，并且在10Hz～1kHz频率内是恒品质因数Q的放大滤波。所以，该接收机对于水下目标探测系统具有较高的使用价值。

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