MAX9814 芯片在MFSK 水声通信抗幅度衰落中的应用*

李 爽 ，邱 逸 凡 ，童 峰

(1.厦门大学 水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建 厦门361005；2.厦门大学 海洋与地球学院，福建 厦门361005；3.厦门大学深圳研究院，广东 深圳518000)

0 引言

水声信道是无线通信领域中最为复杂的信道之一。水声信道的复杂性和不稳定性导致信号在传输过程的损耗以及多径效应，接收端接收到原始信号幅度衰落[1]，影响通信系统的解调和误码率。 因此，在接收端经常采用自动增益(Auto Gain Control，AGC)的电路[2]，可以将接收到的原始信号的幅度调整到限定的输入范围内，保证信号的完整性和通信的稳定性[3]。 目前，自动增益电路在水声通信机中应用广泛，当前对于AGC 放大器的设计研究越来越多，一般分为模拟方式和数字方式。 王永龙等人[4]研究的基于自动增益控制的声信号处理电路，依靠硬件电路实现放大信号作用，属于模拟方式，复杂度低；赖小强等[5]研究的数字闭环自动增益控制系统，一般依靠算法实现，性能好，属于数字方式。本文依靠电路实现抑制幅度衰落，属于模拟方式。

针对集群海洋观测[6]、海洋物联网(IoT)[7]、微小型水下无人航行器[8]等应用背景下，对低成本水声通信设备有大量的需求，并且要求水声通信系统低复杂度、小尺寸、低成本、稳健可靠，MFSK 提供了一种有效技术方案。 传输过程中，MFSK 属于低速率、低复杂度、稳健可靠的通信体制。

孙柏昶等[9]对8FSK 解调方式进行深入研究，从抗频偏性能和解调误码性能的数据结果来看，FSK 适合用于极低速通信，适合衰落信道；岳玲等[10]将Turbo 编码与基于MFSK 的水声通信系统相结合，提出软判决统计量提取算法，进行湖上实验，根据实验结果表明该系统通信稳定、有效。

由于水声信道的复杂性和不稳定性，信号散射、反射、损耗等现象很常见。在多径严重的信道中，接收信号受到的影响主要表现在幅度上，会出现幅度衰落，时域上表现为码间干扰，频域上表现在频率选择性衰落。 接收端收到的信号幅度出现衰落，信噪比降低，解调过程受到影响，提高了误码率，如果两端距离拉长，衰落现象更加严重，接收信号不够完整，会出现完全解调错误的状态。 MFSK 占用频带较宽，在水声信道传输过程中频率变化会引起幅度衰落，因此自动增益控制是抑制频率选择性衰落的有效手段。

吴剑明等人[11]设计了两级放大反馈自动增益控制电路，幅度均衡性能良好，提高了水声通信质量。但从硬件实现角度，利用运放、滤波器搭建的自动增益控制电路集成度仍有提高的余地。

MAX9814 是一款低成本、高质量的放大元器件，具有优良的自动增益控制功能和较大的增益调整范围，已广泛应用于助听器[12]、声频检测[13]和发射机[14]。 本文应用芯片MAX9814 抑制水声信道对MFSK 通信造成的频率选择性衰落，并在厦门五缘湾海域进行了实验验证。

1 MAX9814 芯片介绍

MAXIN 公司的MAX9814 芯片是一个小尺寸、低成本、高质量的放大元器件，该芯片具有低噪声前置放大器(Low Noise pre-Amplifier，LNA)、可变增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)、AGC(Automatic Gain Control)控制电路和输出放大器，如图1 所示[15]。

低噪声前置放大器的增益固定在12 dB，而VGA 增益自动调整从20 dB 到0 dB，这取决于输出电压和AGC 阈值。输出放大器提供可选择的增益为8 dB、18 dB 和28 dB。在没有压缩的情况下，级联放大器的整体增益为40 dB、50 dB 和60 dB。 调节三挡增益主要是通过控制GAIN 的引脚，当GAIN=VDD时，增益为40 dB；当GAIN=GND 时，增益为50 dB；当GAIN=Unconnected 时，即GAIN 引脚悬空，增益为60 dB[15]。

图1 MAX9814 内部结构示意图

MAX9814 的特点就在于它能够自动增益控制，当接收端接收到的信号增益过大，出现信号截止时，会自动降低增益；当信号幅度衰落时，可以进行抗衰落处理。这一特点主要取决于其内部的AGC 模块检测，当输入信号超过阈值后，芯片会花费时间降低增益，这个时间内增益衰减为指数型，定义时间常数，被称为“Attack Time”。当输入信号低于阈值，增益在一段时间内保持减小状态，一般称这段时间为“Hold Time”，内部设置为30 ms且不可调整。增益返回到它的正常水平需要的时间称为“Release Time”。 其中Attack Time 为2 400×CCT(s)，CCT为外部定时电容[15]。

芯片MAX9814 的增益和频率的关系如图2 所示[15]。从图中可以看出，当信号的频率在10 kHz～20 kHz 时，具有20 dB 的幅度调整范围，可有效抑制此范围内的频率选择性衰落。

图2 MAX9814 增益-频率关系曲线

2 应用MAX9814 的水声通信前置处理电路

图3 所示为应用MAX9814 的水声通信系统前置处理电路结构，输入信号依次经过前置放大、带通滤波、MAX9814，然后进入后续电路。前置放大采用芯片AD603，构建自动增益控制电路；带通滤波器采用芯片MAX274，构建八阶Chebyshev 带通滤波器[16]，旨在滤除带外噪声；带通滤波后信号进入芯片MAX9814，用于抑制水声信道导致的频率选择性幅度衰落。 即：信号幅度被严重衰落时，利用MAX9814 的自动增益控制功能保证输出信噪比；当发射端调节增益过大时，MAX9814 自动调节增益功能可保证输出信号不会出现“削峰”现象[17]。带有MAX9814抗衰落处理系统，结构复杂度低，尺寸小。

图3 带有MAX9814 前置处理电路结构示意图

3 海试实验

3.1 实验设置

为了验证本文抗衰落电路的有效性，在厦门五缘湾海域进行了MFSK 水声通信海试实验。 其中实验海域水深10 m，通信距离800 m。 换能器的带宽为13 kHz～18 kHz，信号调制方式为八进制移频键控调制(8FSK)，载波频率范围在13 kHz～18 kHz，8 个频点均匀分布在13 kHz～18 kHz范围内，码元长度为13.6 ms，通信数据率为219.7 b/s。每一帧信号包含同步信号和MFSK 调制信号；其中同步信号由扫频信号组成，扫频信号时长为27.3 ms，带宽为13 kHz～18 kHz。

3.2 实验数据分析与讨论

图4 所示为MAX9814 处理前后的同步信号频谱图。对比图4(a)和图4(b)可以看出，在同步信号13～18 kHz带宽范围内，无MAX9814 系统受浅海信道多径影响呈现剧烈的频率选择性衰落；而经MAX9814 芯片处理后，带内频谱较为平坦，幅度衰落得到有效抑制。

图4 有无MAX9814 同步信号频谱图

图5 所示为截取的一段接收信号(包含5 个MFSK符号)。图5(a)是未经MAX9814 处理的信号，呈现明显幅度起伏；图5(b)是经过带有MAX9814 抗衰落处理系统后采集的信号，幅度起伏被有效抑制。 对比图5(a)和图5(b)可知，经MAX9814 抗衰落处理后前置处理效果更好；具体地，图5(a)中一些频点对应的幅度还是出现衰落，特别是在图中第3（30 ～40 ms）和第5(55 ～67 ms)个MFSK 符号，幅度衰落影响最为严重。 图5(b)所示的经MAX9814 处理后幅度衰落得到了较大改善，严重幅度衰落频点得到了有效补偿。

图5 有无MAX9814 接收8FSK 信号时域波形

图6 有无MAX9814 接收8FSK 信号的频谱图

图6 进一步给出了图5 中第3 个MFSK 符号的频谱，该符号MFSK 调制频率为15.234 kHz(如图中实线箭头所示)。 从图6 中可以看出，未经MAX9814 时调制频率频点被严重衰落，导致此时符号内频谱最高频点为16.406 kHz(如图中虚线箭头所示)，造成MFSK 错误解码；经过MAX9814 处理后，有效抑制了信道对该符号对应频点的频率选择性衰落，符号内频谱最高点恢复至15.234 kHz 处，保证了严重衰落情况下MFSK 解码的正确。

4 结论

面向海洋物联网、水下移动平台等领域对高可靠、低复杂、低成本水声通信设备的需求，本文将MAX9814芯片应用于抑制水声信道对MFSK 通信造成的频率选择性衰落，以充分利用该芯片尺寸小、高集成、增益调整性能好的特点进行水声通信系统硬件实现。海试实验数据表明，该芯片能够有效抑制水声信道造成的幅度衰落，改善MFSK 水声通信性能。