一种宽带滤波信号处理机设计∗

2018-07-10刘晋昌张立利

舰船电子工程 2018年6期

罗坤刘晋昌张立利

（91388部队湛江 524022）

1 引言

在超短基线水声定位系统对水声信号处理过程中，除了海洋环境噪声直接影响水听器接收到的水声信号，电子元器件的电路噪声也会影响到接收到的信号。一般情况下可将电路噪声视为白噪声（因其是不规则噪声），如果电路的工作频带越宽，则电路噪声的累积量越大；当接收到的信号为微小信号时，电路噪声会严重影响接收信号的检测，需想办法尽可能地减小电路噪声的干扰。另外当模拟信号在进行模数转换前，为了使模拟信号在转换后能完整的体现在数字信号中，也要对模拟信号进行必要的滤波处理，否则转换后的数字信号可能会失真。因此，需要根据要求设计滤波器滤除各种干扰噪声。

2 信号处理接收机的构成

在超短基线水声定位系统进行声信号进行处理时，会引入较大海洋环境噪声，差分信号形式能有效降低传输噪声干扰，由于水听器收到的水声信号为差分信号，为了便于在后端减少工作流程，降低模拟接收机电路的复杂程度，要设有差分-单端转换电路；同时水听器检测到的水声信号转化成弱电信号，为了便于对目标信号进行检测，要采用前级放大电路对微弱信号进行放大；检测的信号包括各种复杂噪声，对此利用带通滤波器对信号进行初步滤波，剔除一部分噪声，同时在模拟接收机与数字处理器之间设置光耦隔离电路，预防噪声互扰。

3 带通滤波器需求分析与电路

带宽设置是滤波电路的重要参数，由于超短基线水声定位系统接收信号体制比较复杂、频点跨度比较大、还要考虑多普勒频移对于处在边界处的频率的影响，本系统接收的声源信标信号为高频调频信号，考虑到目标被要求可装载不同频点的声信标，以及边界频率的多普勒频移，本接收机处理的信号频率为85kHz～95kHz。

滤波器的阶数是滤波电路的另一重要参数，设计滤波器的阶数要考虑过渡带衰减速度和电路可达到的复杂程度。系统中水声信号处理模块采用模拟滤波器主要是为了抑制海洋噪声。由于声信标发出的脉冲信号有陡峭的前后沿，这些陡峭的沿具有丰富的频率成分，其中包括滤波器通带内的频率成分，如果这些频率经过滤波器后，其时延是不同的，这必然引起波形前后沿的畸变，将会给信号的检测与还原带来不必要的麻烦。时延值∆t与相移值∆ω有如下关系：

为保证不同频率通过滤波器的时延值是相同的，就必须保证的∆ω值为一个常数，因此要考虑相位特性好、滤波特性符合的滤波器。即线性相位的滤波器才能达到设计要求［28～29］。图 2、图 3、图 4分别为给出几种带通滤波器的滤波特性曲线六阶贝塞尔型带通滤波器、六阶切比雪夫型带通滤波器、六阶巴特沃兹型带通滤波器的相频特性曲线。

由图可以看出六阶贝塞尔型带通滤波器的相位特性最好，为线性相位，故选择该型带通滤波器。由于超短基线采用的是时延定位，阶数越高平坦时延的频带就越宽，贝塞尔近似的时延特性远比巴特沃斯近似和切比雪夫的近似的时延性要好的多，因此阶跃响应也很好，没有上冲。

4 带通滤波器电路的设计

模拟滤波器通常可分为单纯有电子器件组成的无源滤波器和带运放芯片的有源滤波器两种。无源和有源模拟滤波器各有优缺点：由电阻、电容、电感等简单滤波器件组成的无源模拟滤波器的优点是电路设计简单，缺点是带负载能力差，设计电路需要大量的计算调试，因此对放大倍数要求较高的信号处理滤波器不适合用无源模拟滤波器；而有源模拟滤波器是由集成运放、外围电容、电阻组成电路，并通过运放器作为电流源或电压源，再配上RC网络构成有源网络，因此其优点是带负载能力强，并且滤波器电路功耗低、噪声小，对放大倍数要求较高的信号处理滤波器适合用有源模拟滤波器。

由于在使用时，对负载要求不高，而且滤波需求简单，因而采用了无源滤波。在不增加电路复杂性的情况下可以得到性能较好的滤波器电路，并且调试方便。随着计算机技术的发展，模拟滤波器的设计变得越来越简便，各种模拟滤波器设计软件很多，而且功能强大、设计方便，只要输入相应参数，软件会自动选择滤波器的节数，并根据所选择的滤波器种类给出相对应的原理图、频谱图等。本设计中使用的带通滤波器就是借助计算机软件设计的，采用的六阶贝塞尔滤波器，元器件误差要求不高，易于调试。

5 湖上试验

利用此设计的接收机电路我们在湖上进行了超短基线水声定位系统对吊放式标校声源进行定位试验。湖试前，已在水池对超短基线定位分系统的时延进行了修正，并进行了计量。

湖试主要是验证吊放式标校声源大深度吊放时，超短基线定位分系统的工作性能并进行考核。超短基线定位分系统对吊放式标校声源进行定位试验的布放图如下图所示。吊放式标校声源吊放深度为40m，在顶部装有GPS，提供一个参考位置，由于是在湖中试验，忽略水流影响，近似认为GPS位置即为吊放声源位置。我们在水平面内距浮标式超短基线定位分系统距离分别为5m、12.5m和18.7m的三个位置进行了试验。

短基线定位系统能给出吊放式标校声源的经纬度，吊放式标校声源顶部的GPS能给出吊放式标校声源的参考经纬度。我们以参考的经纬度中的某点为原点，利用中分纬度法，给出了在一段观察时间内，实测值和参考值在平面坐标中的位置关系如图9所示。

图中分成两个区域，靠近原点的为参考经纬度测出的结果，另一个区域为实测值。由于吊放式标校声源的吊放深度为40m，在水中实际位置的经纬度与参考经纬度是有偏差的，在图中是可以看出的。但在三个测量点的测量值基本上是重合的，说明系统的测量结果是可靠的。在三个位置时X方向（正北方向）和Y方向（正东方向）的测量值的标准差如表1所示。