勇俊，靳桐

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相位均衡器技術(shù)在水聲接收機的應(yīng)用

勇俊，靳桐

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程國家級實驗教學(xué)示范中心，黑龍江哈爾濱 150001)

濾波器相位的非線性引起的信號失真是超短基線接收機系統(tǒng)中必須要解決的問題之一。采用常規(guī)濾波器與全通網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法設(shè)計了一種相位均衡器，解決了僅使用常規(guī)濾波器帶來的非線性相位問題，使超短基線接收機在帶寬內(nèi)保持線性相位。給出了全通網(wǎng)絡(luò)的原理、電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)，分析了該網(wǎng)絡(luò)中各參量對相位的影響。在設(shè)計實例中，相位均衡技術(shù)應(yīng)用到實際硬件電路中進行測試，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果對系統(tǒng)的性能進行評估。測試結(jié)果證明了相位均衡器可以實現(xiàn)相位的均衡校正功能，在水聲接收機領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景。

超短基線接收機；相位均衡器；群時延；全通網(wǎng)絡(luò)

0 引言

超短基線定位系統(tǒng)在水聲定位聲吶系統(tǒng)中一直發(fā)揮著重要的作用[1]，超短基線的接收機性能對定位距離、定位精度等更為重要。相位線性度不僅是衡量超短基線接收機重要的性能指標(biāo)，也是反映信號傳輸質(zhì)量的重要影響因子。若接收機各通道的相頻特性是非線性的或不同頻率的信號通過系統(tǒng)時產(chǎn)生的相移不同造成波形畸變、相位失真，都會直接影響系統(tǒng)的定位精度。模擬濾波器[2]性能是通過幅頻特性、輸出線性特性和輸出相移特性來表征的，對于理想濾波器，其頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有線性相移，即群時延為一條水平直線，其值理論上是一個常數(shù)。實際應(yīng)用的濾波電路很難達到線性相位，而同時滿足幅頻特性和相頻特性就更為困難，群時延波動也非常大。如何取得濾波器理想的帶內(nèi)相位，是濾波器的一個設(shè)計難點[3]。解決辦法一是采用巴特沃茲函數(shù)逼近，使其通帶內(nèi)具有最大平坦段，階數(shù)越大平坦度越好，但是過渡帶衰減較慢導(dǎo)致選擇性較差[4]，而且在實際電路中也難很達到最佳的線性相位。二是修改傳遞函數(shù)，這樣做的代價是破壞了濾波器的幅頻響應(yīng)[5]。

為使濾波器的幅頻特性和相頻特性在折衷的條件下達到各自的最佳狀態(tài)，本文采用了相位均衡器的設(shè)計方法[6]，在超短基線接收機的濾波單元之后接入相位均衡器，在工作通帶內(nèi)擬合一條水平直線作為理想的曲線初值，優(yōu)化元件參數(shù)[7]，使群時延特性曲線向這條直線逼近。實例設(shè)計表明該方法效果十分理想。

1 相位均衡器的設(shè)計原理

圖1 濾波器TF級聯(lián)全通濾波器TAP

由于信號的相位是頻率的函數(shù)，如果不同頻率的信號通過系統(tǒng)時產(chǎn)生的時延(相移)不同，則會使信號發(fā)生畸變[8]。群時延[9]是描述傳輸系統(tǒng)相頻特性的重要指標(biāo)，為了方便研究，用群時延代表系統(tǒng)的相頻特性，其定義為

為了使接收機的相位接近線性相位特性，需要對接收機的相位特性進行校正，但不改變接收機的幅頻特性。全通濾波器具有幅頻響應(yīng)為1、相位響應(yīng)隨著頻率而變化的特性，所以設(shè)計的均衡器應(yīng)是一種全通網(wǎng)絡(luò)，并與原系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，可達到校正作用。

圖2所示為相位均衡的整體設(shè)計思路。

根據(jù)以上原理，完成恒定群時延系統(tǒng)的設(shè)計，大致分兩部分：

(1) 計算超短基線接收機中濾波單元提供的群時延；

圖2 相位均衡的設(shè)計思路

2 全通網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)與基本特性

2.1 一階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖3所示為一階有源全通網(wǎng)絡(luò)。

圖3 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖

一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

群時延特性為：

可見群時延特性由各個網(wǎng)絡(luò)中的極點頻率決定，通過設(shè)計極點頻率來滿足所需的群時延特性。根據(jù)式(6)可發(fā)現(xiàn)，群時延隨著頻率的增加而減小[10]，如圖4所示。

通常在簡單的情況下，利用一階全通網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)一些最小的時延均衡。對于更復(fù)雜的需求，優(yōu)先使用二階全通網(wǎng)絡(luò)模塊。例如在帶通網(wǎng)絡(luò)中，工作頻帶不包括零頻，階數(shù)不能取0.5的奇整數(shù)倍，一定要取偶正整數(shù)才行，所以帶通網(wǎng)絡(luò)中，只能用二階全通模塊，不能用一階全通。

圖4 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時延特性

2.2 二階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖5所示為二階有源全通網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為

相頻特性為

群時延為

圖5 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖[11]

圖6 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時延特性

3 全通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

3.1 初始值估算

3.2 加平過程

4 設(shè)計實例

4.1 指標(biāo)要求

表1 接收機中一個帶通濾波器的群時延特性

4.2 設(shè)計過程

根據(jù)超短基線接收機的群時延特性，需要級聯(lián)六階全通網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)相位均衡，經(jīng)過初始值的選定以及多次迭代所得各節(jié)全通網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)、極點頻率如表2所示。

表2 全通網(wǎng)絡(luò)的極點頻率和品質(zhì)因數(shù)

圖7(a)所示為超短基線接收機系統(tǒng)的相頻特性，圖7(b)為超短基線接收機系統(tǒng)的群時延特性，發(fā)現(xiàn)群時延有40 μs的波動。圖7(c)、7(d)分別是極點頻率為23 kHz、品質(zhì)因數(shù)為2.5的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。圖7(e)、7(f)分別是極點頻率為31 kHz、品質(zhì)因數(shù)為3.57的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。圖7(g)、7(h)分別是極點頻率為20 kHz、品質(zhì)因數(shù)為0.3的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。

4.3 結(jié)果分析

圖8 相位均衡前后超短基線接收機系統(tǒng)的性能對比

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種用于解決超短基線接收機系統(tǒng)中濾波器相位非線性問題的相位均衡系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)硬件制作與調(diào)試，對相位均衡器應(yīng)用在超短基線接收機的相頻特性和群時延特性等性能進行了測試。同時通過有無相位均衡器的比較實驗證實了相位均衡器能夠有效改善群時延波動，使接收機系統(tǒng)的相位達到了很好的線性效果，充分展現(xiàn)了均衡技術(shù)在水聲接收機中具有非常高的研究和應(yīng)用價值。

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Application of phase equalizer in underwater acoustic receiver

YONG Jun, JIN Tong

(National Demonstration Center for Experimental Underwater Acoustic Engineering Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The signal distortion caused by the phase nonlinearity of filter is one of the problems that must be solved in ultra-short baseline receiver system. In this paper, the cascade method of common filter and all-pass network is used to design the phase equalizer, which solves the nonlinear phase problem brought by using only the conventional filter, and makes the ultra-short baseline receiver maintain linear phase within the entire bandwidth. The principle and circuit structure of the all-pass network are described, and the influence of the network parameters on the phase is analyzed. In a design example, this method is applied to the actual hardware circuit system for test, and combined with experimental data and analysis of simulation result, the performance of the system is evaluated. The test results show that the phase equalizer can achieve phase equalization and correction, and has a good application prospect in underwater acoustic receivers.

ultra-short baseline receiver; phase equalizer; group delay; all-pass network

TN715.2

A

1000-3630(2019)-03-0354-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.020

2018-06-16;

2018-10-12

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0304102-5)、國家自然科學(xué)基金項目(61701504)

勇俊(1974－), 男, 吉林長春人, 副教授, 研究方向為聲吶系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、海洋儀器的研究設(shè)計開發(fā)等。

勇俊, E-mail: yongjun@hrbeu.edu.cn