廖建宇, 申晓红, 吕小鹏, 王海燕



一种新型水声Modem模拟电路设计与实现

廖建宇, 申晓红, 吕小鹏, 王海燕

(1. 西北工业大学 海洋声学信息感知工业和信息化部重点实验室, 陕西 西安, 710072; 2. 西北工业大学航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对传统水声Modem体积大、功耗高、通信距离近的不足, 从水声Modem总体设计出发, 对其中发射通道和接收通道的关键问题进行了研究, 包括D类功放电路设计、双谐振回路阻抗匹配电路设计和接收预处理电路设计, 提出了一种体积小、转换效率高的D类功放电路, 以及一种新型组合带通滤波器设计方法和程控自动增益控制(AGC)实现方法。将上述方法运用到试验样机中, 并通过了水池试验和丹江口水库通信试验。试验结果表明, 该样机相较于传统样机, 在声源级方面提升了10 dB, 通信距离达到4.8 km, 验证了方案的可行性。该设计可为水声Modem样机研发提供参考。

水声Modem; 功放电路; 阻抗匹配

0 引言

随着海洋经济的发展, 水下网络因在海洋监测、资源开发、渔业发展等领域占据了重要地位, 受到越来越多的关注, 而水声Modem是水下网络节点间相互通信的平台, 是水下网络正常工作的重要保障。目前, 常用的水声Modem发射通道主要采用AB类线性功放, 但其体积大、功耗高、效率低、抗干扰能力差。文中采用D类功率放大器, 具有转换效率高、散热量低、体积小等特点。与传统水声Modem中接收通道采用模拟自动增益控制(automatic gain control, AGC)电路不同, 文中采用程控放大电路的实现方法提升了电路的可靠性和集成度。该研究成果已运用到国家重大研发计划“海洋声学探测技术研究”的试验样机中, 并经过外场试验, 验证了设计方案的可行性。

1 样机总体设计

水声Modem是水声通信得以实现的硬件平台[1], 文中设计的样机原理框图如图1所示。其中发射和接收通道是通信系统的重要组成部分, 其性能直接影响到系统的作用距离及通信性能。系统采用了宽带扩频技术, 主要是因为扩频通信具有很强的抗干扰能力, 能较好地抑制信号在传播过程中遇到的噪声和干扰, 提高接收端信噪比, 在发射功率相同的情况下增加通信距离[2]。文中重点对声信号接收和发送模块进行了设计。声信号接收和发送模块主要包括2个通道: 发射通道和接收通道, 二者的原理框图如图2所示, 其中的核心部分分别为D类功放电路和AGC电路, 且在发射通道和接收通道间加入收发控制电路, 使得换能器能够在收发模式间合理转换。

发射通道设计参数: 工作频率6~16 kHz; 电源电压+24~28 V; 效率不低于80%; 系统声源级≥180 dB。接收通道设计参数: 灵敏度50 μV; 带宽Δ=11 kHz(3 dB带宽频率6~17 kHz); 动态范围17~83 dB。

2 PWM调制技术

为了驱动D类功率放大器, 还需要将信号进行脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。

PWM 技术的理论基础是等面积原理, 以正弦信号为例, 将正弦波沿时间轴等分, 当的值足够大时, 可得到份等宽不等幅、脉冲幅值按正弦规律变化的矩形, 根据面积相等的原理, 可以用频率相同, 占空比不同, 但面积对应相等的脉冲来代换, 即可得出该正弦波的PWM信号。

PWM 调制的产生方式一般分为2种: 一种是模拟法产生 PWM 调制信号, 其原理框图如图3所示, 利用模拟电路产生高频率的三角波或锯齿波, 在信号输入端输入待调制的低频信号。也可通过现有的PWM芯片外加外围电路来实现。

另一种为数字法, 即数字信号处理(digital signal processing, DSP), 其原理是, 利用数字芯片产生输入低频信号与高频三角波信号, 然后以同一采样率对2种信号进行采样处理, 比较抽样后的数值大小, 进而输出高低电平。与模拟法相比, 数字法具有操作简单和调制精准度高等优点, 文中即采用DSP产生 PWM 调制信号, 该方法原理框图如图4所示。

3 功率放大电路设计

D 类功放形式的水声发射机具有以下优点: 输出效率较高、易于实现宽频带发射、电路结构简单、抗干扰能力强, 与传统发射机相比, 具有体积更小、生产成本更低的特点。因此, 水声发射机目前多使用 D 类功放的形式。

4 匹配网络

阻抗匹配网络是水声功率放大器和换能器之间必不可少的部分, 它包括变阻匹配和调谐匹配两部分[3]。

水声功率放大器与换能器的变阻匹配通常使用变压器来完成, 通过变压器可以将换能器的阻值调整为一个可以满足作为功率放大器负载要求的值。文中设计变压器初、次级匝数比为1:7。

最常用的水声功率放大器与换能器的调谐匹配方法为谐振法, 它主要应用于窄带系统中, 可分为单一频率上的单调谐匹配和2个谐振点上的双调谐匹配。谐振法的基本原理是利用电感元件或电容元件来与容抗换能器和感抗换能器进行匹配, 抵消负载的电抗, 当在工作频率点处达到谐振时, 虚功最小, 功率因数最大, 此时能量的转换效率达到最高值。

4.1 单谐振回路

为方便讨论, 串联匹配采取电阻()电抗()的形式, 并联电感采用电导()电纳()的形式。其中,为中心角频率。参考电路图如图6所示。

对于串联匹配形式, 计算得负载阻抗为

需使负载为纯阻, 即

为了方便与并联匹配比较, 将负载等效阻抗和串联电感表示为电导电纳的形式为

对于并联电感匹配, 计算出负载导纳为

可以看出, 当输出功率一定时, 对于单频匹配来说, 串联形式的等效电阻小, 所需的输出电压小, 有利于减轻变压器的质量和体积。

4.2 双谐振回路

5 接收通道预处理电路设计

预处理电路的主要任务是对接收信号放大、滤波并且控制信号的输出动态范围, 其关键核心电路是前级放大电路和AGC电路。电路原理框图如图8所示。

由换能器接收的信号经变压器隔离前后级影响后输入给前级放大电路[5], 再由变压器隔离前后级后输入给AGC专用芯片, 然后通过带通滤波, 最后经过AD转化输入给DSP处理。

5.1 滤波放大电路设计

考虑到低功耗和低噪声的要求, 前置模拟放大电路由三极管放大电路构成。与传统的带通滤波器设计不同, 文中通过前级三级管放大电路和后级的高通滤波电路共同组合成带通滤波器。后级的高通滤波器采用低噪声、低功耗的滤波器芯片TLC2272A[5], 组合成通带为5.5~17 kHz的带通滤波器, 具体Multisim仿真电路如图9所示。该仿真主要为验证组合带通滤波器的可行性。

在三级管阻容耦合放大电路的输出端接入一个接地电容, 使三极管输出具有一定的高频抑制特性。仿真结果如图10所示。

从左至右分别为高通滤波器、三极管前级放大电路、组合带通滤波器的幅频响应图, 可见带通效果越来越明显, 3 dB点带宽也逐渐满足要求, 最终形成合适的3 dB点带宽。该设计的特点是可通过改变阻容耦合电路中接地电容的大小改变滤波电路3 dB带宽中截止频率的位置, 满足后期样机对较高频率信号接收的要求。

5.2 程控放大电路选择

实现AGC功能的电路方法有很多, 如采用二极管、三极管、场效应管等分立元件搭建电路实现; 使用AGC专用芯片、幅值检测器、比较器和低通滤波器组成模拟电路实现; 采用程控放大器和DSP控制组成数字电路实现; 采用级联放大器、比较器等电路实现[6]。

文中采用程控放大电路的实现方法, 以程序形式控制增益电路的模式, 可靠性和集成度较模拟AGC电路提高了很多。

VGA专用芯片选择低功耗、低噪声、大动态增益范围、双通道的AD605电路, 在FBK端和OUT端短接时可以实现-24 ~ +68 dB的增益控制, 其中, Gain Scaling是由芯片16引脚参考电压(voltage reference, VREF)控制, 对于低精度的20 dB/V的应用, VREF可以通过电容接地, Gain Control由DSP控制, DSP输出控制信号加在1、2通道的VGN1、VGN2引脚, 控制增益放大倍数。通道增益可由式(6)计算。其经典电路如图11所示。

当VGN端输入电压为800 mV时, 即程控放大电路无增益作用时, 测得实际幅频响应如图12所示。通过实际测量, 得到接收通道动态范围为17~83 dB。

6 试验验证

依据上述原理研制出一对试验样机, 并进行了消声水池试验以及丹江口水库试验。水库试验示意图如图13所示, 其中, 固定船保持位置不变,机动船向逐渐远离固定船的方向移动, 并分别在两船相距1 km、2 km、3 km、4 km和5km处进行通信试验, 试验内容包括短数字短字母测试、1024数据包测试和2048数据包测试。

试验结果表明, 试验样机可在4.8 km内正常通信, 在6~17 kHz频带内, 声源级最高可以达到181.9 dB, 而传统的D类发射机发射声源级仅为120~171 dB[7], 通过对比可知, 这种新型水声样机具有声源级高、体积小等优点。

7 结束语

文中提出了一种新型水声Mdoem发射通道和接收通道方案, 并运用到试验样机中。其中, 通过新型D类功放电路设计提高了发射声源级, 缩小了电路体积; 设计了满足通带要求的组合带通滤波器; 采用程控AGC方法提升了电路的集成度和稳定性。通过水库试验, 结果表明, 与传统水声Modem相比, 该样机具有声源级高、体积小、通信距离远等优点, 为之后水下网络节点通信平台研制打下坚实基础。

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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.

国家重点研发计划(2016YFC1400200).

廖建宇(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为信号检测及其自动化.

廖建宇,申晓红,吕小鹏,等.一种新型水声Modem模拟电路设计与实现[J].水下无人系统学报,2018,26(5):487-491.

(责任编辑: 陈 曦)