廖建宇, 申曉紅, 呂小鵬, 王海燕

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一種新型水聲Modem模擬電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖建宇, 申曉紅, 呂小鵬, 王海燕

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710072; 2. 西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

針對傳統(tǒng)水聲Modem體積大、功耗高、通信距離近的不足, 從水聲Modem總體設(shè)計(jì)出發(fā), 對其中發(fā)射通道和接收通道的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究, 包括D類功放電路設(shè)計(jì)、雙諧振回路阻抗匹配電路設(shè)計(jì)和接收預(yù)處理電路設(shè)計(jì), 提出了一種體積小、轉(zhuǎn)換效率高的D類功放電路, 以及一種新型組合帶通濾波器設(shè)計(jì)方法和程控自動(dòng)增益控制(AGC)實(shí)現(xiàn)方法。將上述方法運(yùn)用到試驗(yàn)樣機(jī)中, 并通過了水池試驗(yàn)和丹江口水庫通信試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 該樣機(jī)相較于傳統(tǒng)樣機(jī), 在聲源級方面提升了10 dB, 通信距離達(dá)到4.8 km, 驗(yàn)證了方案的可行性。該設(shè)計(jì)可為水聲Modem樣機(jī)研發(fā)提供參考。

水聲Modem; 功放電路; 阻抗匹配

0 引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 水下網(wǎng)絡(luò)因在海洋監(jiān)測、資源開發(fā)、漁業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域占據(jù)了重要地位, 受到越來越多的關(guān)注, 而水聲Modem是水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間相互通信的平臺, 是水下網(wǎng)絡(luò)正常工作的重要保障。目前, 常用的水聲Modem發(fā)射通道主要采用AB類線性功放, 但其體積大、功耗高、效率低、抗干擾能力差。文中采用D類功率放大器, 具有轉(zhuǎn)換效率高、散熱量低、體積小等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)水聲Modem中接收通道采用模擬自動(dòng)增益控制(automatic gain control, AGC)電路不同, 文中采用程控放大電路的實(shí)現(xiàn)方法提升了電路的可靠性和集成度。該研究成果已運(yùn)用到國家重大研發(fā)計(jì)劃“海洋聲學(xué)探測技術(shù)研究”的試驗(yàn)樣機(jī)中, 并經(jīng)過外場試驗(yàn), 驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 樣機(jī)總體設(shè)計(jì)

水聲Modem是水聲通信得以實(shí)現(xiàn)的硬件平臺[1], 文中設(shè)計(jì)的樣機(jī)原理框圖如圖1所示。其中發(fā)射和接收通道是通信系統(tǒng)的重要組成部分, 其性能直接影響到系統(tǒng)的作用距離及通信性能。系統(tǒng)采用了寬帶擴(kuò)頻技術(shù), 主要是因?yàn)閿U(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力, 能較好地抑制信號在傳播過程中遇到的噪聲和干擾, 提高接收端信噪比, 在發(fā)射功率相同的情況下增加通信距離[2]。文中重點(diǎn)對聲信號接收和發(fā)送模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。聲信號接收和發(fā)送模塊主要包括2個(gè)通道: 發(fā)射通道和接收通道, 二者的原理框圖如圖2所示, 其中的核心部分分別為D類功放電路和AGC電路, 且在發(fā)射通道和接收通道間加入收發(fā)控制電路, 使得換能器能夠在收發(fā)模式間合理轉(zhuǎn)換。

發(fā)射通道設(shè)計(jì)參數(shù): 工作頻率6~16 kHz; 電源電壓+24~28 V; 效率不低于80%; 系統(tǒng)聲源級≥180 dB。接收通道設(shè)計(jì)參數(shù): 靈敏度50 μV; 帶寬Δ=11 kHz(3 dB帶寬頻率6~17 kHz); 動(dòng)態(tài)范圍17~83 dB。

2 PWM調(diào)制技術(shù)

為了驅(qū)動(dòng)D類功率放大器, 還需要將信號進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)。

PWM 技術(shù)的理論基礎(chǔ)是等面積原理, 以正弦信號為例, 將正弦波沿時(shí)間軸等分, 當(dāng)?shù)闹底銐虼髸r(shí), 可得到份等寬不等幅、脈沖幅值按正弦規(guī)律變化的矩形, 根據(jù)面積相等的原理, 可以用頻率相同, 占空比不同, 但面積對應(yīng)相等的脈沖來代換, 即可得出該正弦波的PWM信號。

PWM 調(diào)制的產(chǎn)生方式一般分為2種: 一種是模擬法產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號, 其原理框圖如圖3所示, 利用模擬電路產(chǎn)生高頻率的三角波或鋸齒波, 在信號輸入端輸入待調(diào)制的低頻信號。也可通過現(xiàn)有的PWM芯片外加外圍電路來實(shí)現(xiàn)。

另一種為數(shù)字法, 即數(shù)字信號處理(digital signal processing, DSP), 其原理是, 利用數(shù)字芯片產(chǎn)生輸入低頻信號與高頻三角波信號, 然后以同一采樣率對2種信號進(jìn)行采樣處理, 比較抽樣后的數(shù)值大小, 進(jìn)而輸出高低電平。與模擬法相比, 數(shù)字法具有操作簡單和調(diào)制精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn), 文中即采用DSP產(chǎn)生 PWM 調(diào)制信號, 該方法原理框圖如圖4所示。

3 功率放大電路設(shè)計(jì)

D 類功放形式的水聲發(fā)射機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn): 輸出效率較高、易于實(shí)現(xiàn)寬頻帶發(fā)射、電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng), 與傳統(tǒng)發(fā)射機(jī)相比, 具有體積更小、生產(chǎn)成本更低的特點(diǎn)。因此, 水聲發(fā)射機(jī)目前多使用 D 類功放的形式。

4 匹配網(wǎng)絡(luò)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是水聲功率放大器和換能器之間必不可少的部分, 它包括變阻匹配和調(diào)諧匹配兩部分[3]。

水聲功率放大器與換能器的變阻匹配通常使用變壓器來完成, 通過變壓器可以將換能器的阻值調(diào)整為一個(gè)可以滿足作為功率放大器負(fù)載要求的值。文中設(shè)計(jì)變壓器初、次級匝數(shù)比為1:7。

最常用的水聲功率放大器與換能器的調(diào)諧匹配方法為諧振法, 它主要應(yīng)用于窄帶系統(tǒng)中, 可分為單一頻率上的單調(diào)諧匹配和2個(gè)諧振點(diǎn)上的雙調(diào)諧匹配。諧振法的基本原理是利用電感元件或電容元件來與容抗換能器和感抗換能器進(jìn)行匹配, 抵消負(fù)載的電抗, 當(dāng)在工作頻率點(diǎn)處達(dá)到諧振時(shí), 虛功最小, 功率因數(shù)最大, 此時(shí)能量的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高值。

4.1 單諧振回路

為方便討論, 串聯(lián)匹配采取電阻()電抗()的形式, 并聯(lián)電感采用電導(dǎo)()電納()的形式。其中,為中心角頻率。參考電路圖如圖6所示。

對于串聯(lián)匹配形式, 計(jì)算得負(fù)載阻抗為

需使負(fù)載為純阻, 即

為了方便與并聯(lián)匹配比較, 將負(fù)載等效阻抗和串聯(lián)電感表示為電導(dǎo)電納的形式為

對于并聯(lián)電感匹配, 計(jì)算出負(fù)載導(dǎo)納為

可以看出, 當(dāng)輸出功率一定時(shí), 對于單頻匹配來說, 串聯(lián)形式的等效電阻小, 所需的輸出電壓小, 有利于減輕變壓器的質(zhì)量和體積。

4.2 雙諧振回路

5 接收通道預(yù)處理電路設(shè)計(jì)

預(yù)處理電路的主要任務(wù)是對接收信號放大、濾波并且控制信號的輸出動(dòng)態(tài)范圍, 其關(guān)鍵核心電路是前級放大電路和AGC電路。電路原理框圖如圖8所示。

由換能器接收的信號經(jīng)變壓器隔離前后級影響后輸入給前級放大電路[5], 再由變壓器隔離前后級后輸入給AGC專用芯片, 然后通過帶通濾波, 最后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)化輸入給DSP處理。

5.1 濾波放大電路設(shè)計(jì)

考慮到低功耗和低噪聲的要求, 前置模擬放大電路由三極管放大電路構(gòu)成。與傳統(tǒng)的帶通濾波器設(shè)計(jì)不同, 文中通過前級三級管放大電路和后級的高通濾波電路共同組合成帶通濾波器。后級的高通濾波器采用低噪聲、低功耗的濾波器芯片TLC2272A[5], 組合成通帶為5.5~17 kHz的帶通濾波器, 具體Multisim仿真電路如圖9所示。該仿真主要為驗(yàn)證組合帶通濾波器的可行性。

在三級管阻容耦合放大電路的輸出端接入一個(gè)接地電容, 使三極管輸出具有一定的高頻抑制特性。仿真結(jié)果如圖10所示。

從左至右分別為高通濾波器、三極管前級放大電路、組合帶通濾波器的幅頻響應(yīng)圖, 可見帶通效果越來越明顯, 3 dB點(diǎn)帶寬也逐漸滿足要求, 最終形成合適的3 dB點(diǎn)帶寬。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是可通過改變阻容耦合電路中接地電容的大小改變?yōu)V波電路3 dB帶寬中截止頻率的位置, 滿足后期樣機(jī)對較高頻率信號接收的要求。

5.2 程控放大電路選擇

實(shí)現(xiàn)AGC功能的電路方法有很多, 如采用二極管、三極管、場效應(yīng)管等分立元件搭建電路實(shí)現(xiàn); 使用AGC專用芯片、幅值檢測器、比較器和低通濾波器組成模擬電路實(shí)現(xiàn); 采用程控放大器和DSP控制組成數(shù)字電路實(shí)現(xiàn); 采用級聯(lián)放大器、比較器等電路實(shí)現(xiàn)[6]。

文中采用程控放大電路的實(shí)現(xiàn)方法, 以程序形式控制增益電路的模式, 可靠性和集成度較模擬AGC電路提高了很多。

VGA專用芯片選擇低功耗、低噪聲、大動(dòng)態(tài)增益范圍、雙通道的AD605電路, 在FBK端和OUT端短接時(shí)可以實(shí)現(xiàn)-24 ~ +68 dB的增益控制, 其中, Gain Scaling是由芯片16引腳參考電壓(voltage reference, VREF)控制, 對于低精度的20 dB/V的應(yīng)用, VREF可以通過電容接地, Gain Control由DSP控制, DSP輸出控制信號加在1、2通道的VGN1、VGN2引腳, 控制增益放大倍數(shù)。通道增益可由式(6)計(jì)算。其經(jīng)典電路如圖11所示。

當(dāng)VGN端輸入電壓為800 mV時(shí), 即程控放大電路無增益作用時(shí), 測得實(shí)際幅頻響應(yīng)如圖12所示。通過實(shí)際測量, 得到接收通道動(dòng)態(tài)范圍為17~83 dB。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)上述原理研制出一對試驗(yàn)樣機(jī), 并進(jìn)行了消聲水池試驗(yàn)以及丹江口水庫試驗(yàn)。水庫試驗(yàn)示意圖如圖13所示, 其中, 固定船保持位置不變,機(jī)動(dòng)船向逐漸遠(yuǎn)離固定船的方向移動(dòng), 并分別在兩船相距1 km、2 km、3 km、4 km和5km處進(jìn)行通信試驗(yàn), 試驗(yàn)內(nèi)容包括短數(shù)字短字母測試、1024數(shù)據(jù)包測試和2048數(shù)據(jù)包測試。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 試驗(yàn)樣機(jī)可在4.8 km內(nèi)正常通信, 在6~17 kHz頻帶內(nèi), 聲源級最高可以達(dá)到181.9 dB, 而傳統(tǒng)的D類發(fā)射機(jī)發(fā)射聲源級僅為120~171 dB[7], 通過對比可知, 這種新型水聲樣機(jī)具有聲源級高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

7 結(jié)束語

文中提出了一種新型水聲Mdoem發(fā)射通道和接收通道方案, 并運(yùn)用到試驗(yàn)樣機(jī)中。其中, 通過新型D類功放電路設(shè)計(jì)提高了發(fā)射聲源級, 縮小了電路體積; 設(shè)計(jì)了滿足通帶要求的組合帶通濾波器; 采用程控AGC方法提升了電路的集成度和穩(wěn)定性。通過水庫試驗(yàn), 結(jié)果表明, 與傳統(tǒng)水聲Modem相比, 該樣機(jī)具有聲源級高、體積小、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn), 為之后水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信平臺研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Design and Implementation of a New Type of Acoustic Modem Analog Circuit

LIAO Jian-yu , SHEN Xiao-hong, Lü Xiao-peng, WANG Hai-yan

(1. Key Laboratory of Ocean Acoustics and Sensing (Northwestern Polytechnical University), Ministry of Industry and Information Technology, Xi’an 710072 China; 2. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

In view of the large volume, high power consumption and short communication distance of the traditional underwater acoustic modem, this study analyzed the key issues of relating the transmitting channel and the receiving channel in the overall design of the underwater acoustic modem. These issues include class-D power amplifier circuit design, dual resonant circuit impedance matching circuit design and receiving preprocessing circuit design. Subsequently, a class-D power amplifier circuit with small volume and high conversion efficiency, as well as a new combined bandpass filter design method and program-controlled automatic gain control(AGC) implementation method, was proposed. These methods were applied to the test prototype, and the prototype passed the pool test and the Danjiangkou reservoir communication test. The test results show that the sound source level of the prototype is improved by 10 dB, and its communication distance reaches to 4.8 km compared with the traditional prototype, which verifies the feasibility of the proposed scheme. This design may provide a reference for the development of underwater acoustic modem prototype.

acoustic modem; power amplifier circuit; impedance matching

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2018)05-0487-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.05.017

2018-07-26;

2018-08-30.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC1400200).

廖建宇(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樾盘枡z測及其自動(dòng)化.

廖建宇,申曉紅,呂小鵬,等.一種新型水聲Modem模擬電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2018,26(5):487-491.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)