CN103033256A

CN103033256A - 一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机

Info

Publication number: CN103033256A
Application number: CN2012104707008A
Authority: CN
Inventors: 杨益新; 徐灵基; 张宏奎
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-04-10

Abstract

本发明提供了一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机，带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给增益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。本发明设计灵活、精度高、功耗低、体积小、性能稳定，能够使处理后的海洋环境噪声信号满足后续数据采集的动态范围。

Description

一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机

技术领域

本发明涉及信号处理和水声测量等领域。

背景技术

海洋环境噪声，也称自然噪声，是水声信道中的一种干扰背景场。海洋环境噪声级，是用无指向性水听器测得的海洋环境噪声的声强，为水声系统的一个重要参数。当对水声系统的作用距离进行预报时，需要知道海洋环境噪声级；另外在水声信号处理方案的设计中，从抗干扰的角度出发，除了需要知道代表平均能量的海洋环境噪声级外，还要求充分掌握噪声场的时空统计特性，找出并利用信号场与噪声场在时空统计特性方面的差异，以提高设备的抗干扰能力。因此，对噪声场的研究与对信号场的研究具有同等的重要性，而研究海洋环境噪声的前提是要准确、无失真地测量得到海洋环境噪声。

水声接收机的作用是将水听器得到的水声信号进行高保真放大、滤波、动态范围压缩后传输给数据采集系统。现有的水声接收机都是针对常用的水声信号而设计的，其动态范围的压缩是将放大滤波后的水声信号通过检波器检出信号的包络，然后经预先设定的窗口比较器进行比较，判断放大倍数是要增大或减小后，调整放大器的增益，使最终输出的信号幅度满足数据采样的范围。由于海洋环境噪声信号是随机信号，信号幅度变化剧烈，其波峰因素大，不适合通过包络检波器获得信号幅度从而调整水声接收机的增益；而且电压信号判定门限采用窗口比较器这种硬件电路实现方式，设计不灵活且精度易受影响；再者，测量海洋环境噪声不仅要得到高保真放大后的信号，还需要记录噪声信号的放大倍数以便计算海洋环境噪声级和分析噪声场的时空统计特性。因此，现有的水声接收机不能满足测量海洋环境噪声的要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对海洋环境噪声测量的水声接收机，能够精确得到适合采集系统处理的海洋环境噪声信号，并可以通过上位机的人机交互界面观察、存储和设定水声接收机的增益值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括增益可变放大电路、低通滤波、后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机。带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给增益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。

所述的增益可变放大电路选用数字可编程增益仪表放大器AD8253。

所述的后级放大电路采用运算放大器AD8620，带有截止频率为20Hz的高通滤波。

所述的真有效值转直流电路采用均方根-直流转换器AD8436。

所述的主控制器采用RS422串口方式与上位机通信。

本发明的有益效果是：在分析了测量海洋环境噪声需求的基础上，提出了基于自动增益控制的水声接收机设计方案，构建了接收机硬件平台。本发明以低功耗微控制器作为系统的主控单元，采用真有效值转直流电路获取放大后信号的有效值作为增益控制的调节因子，与主控制器内部软件设定的窗口门限值比较得到增益码，进而自动调整增益可变放大器的放大量。发明的设计灵活、精度高、功耗低、体积小、性能稳定，能够使处理后的海洋环境噪声信号满足后续数据采集的动态范围。另外，利用微控制器的串口通信功能，能够将调整后的增益量实时地传送给上位机，水声接收机也可按上位机设定的增益量对海洋环境噪声进行处理，且人机交互接口友好。

附图说明

图1是水声接收机的系统总体框架图；

图2是增益可变放大电路图；

图3是低通滤波电路图；

图4是带高通滤波的后级放大电路图；

图5是真有效值转直流电路图；

图6是主控制器及外围器件电路图；

图7是主控制器的增益控制软件流程图。

具体实施方式

本发明包括增益可变放大电路、滤波与后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机的人机交互界面软件。带前放的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给水声接收机的增益可变放大电路，增益可变放大器的放大倍数分为1、 10、100、1000四档，变化步长为10，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出。真有效值转直流电路得到整个放大过程处理后的信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大器的放大倍数，使最终输出的信号适合数据采集的范围。整个系统增益量的变化动态范围为60dB，且通道路数可以根据具体需求选择。主控制器通过串口方式和上位机通信，既可以实时地将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。

增益可变放大电路是信号动态范围压缩的主要完成部分，其接收主控制器发送的增益码，调整水听器转换后的电压信号的放大倍数，使系统最终放大后的信号符合数据采集的范围。增益可变放大电路是连接在水听器之后接收其传递的微弱信号，选用数字可编程增益仪表放大器AD8253，其具有高输入阻抗、低噪声、低失真特性，并可通过用户接口将其增益数字编程为1、10、100、1000四档，能够完成大动态范围的信号压缩。

海洋环境噪声信号微弱，前级的放大倍数不够，需要后级放大电路进一步补偿并调整放大倍数，使多路通道间的幅度保持一致。在后级放大之前，利用模拟集成有源滤波器构成的巴特沃斯低通滤波电路对增益可变放大电路传送的信号进行滤波，低通滤波器的截止频率可根据用户要分析的海洋环境噪声频段设定。考虑到海洋环境噪声实际测量过程中会产生超低频信号的干扰，后级放大电路设计带有截止频率为20Hz的高通滤波功能。另外，为了使水声接收机的输入端噪声降到最低，水声接收机安装在离水听器较近处，其处理后的信号常需要通过长电缆传送到数据采集系统，水下长电缆的容性很大，作为接收机中最后部分的后级放大电路连接了大的容性负载。低噪声、高精度运算放大器AD8620具有很强的容性负载驱动能力，能满足设计要求，而且其为双通道运放，在多路通道设计时可以节省PCB板的空间。

真有效值转直流电路是提供直流输出，大小等于后级放大电路输出信号的均方根值。海洋环境噪声是随机信号，信号幅度变化剧烈，其波峰因素约等于3，若通过包络检波器获得信号包络幅值从而调整接收机的增益，会导致增益控制跟不上信号的变化而产生电路振荡。虽然海洋环境噪声信号的幅度变化剧烈，但其有效值是一个稳定量，利用均方根-直流转换器AD8436构建的真有效值转直流电路可以实时地得到放大后的海洋环境噪声信号有效值，将此有效值与主控制器内部预先设定的电压门限值比较，从而正确地调节增益可变放大器的放大量。

主控制器的主要功能是：(1)控制采集真有效值转直流电路得到的海洋环境噪声信号的有效值；(2)将放大后的海洋环境噪声信号的有效值与预先设定的电压门限值进行比较，得到增益码并发送给增益可变放大器，进而调整系统的增益量；(3)采用RS422串口方式与上位机通信，将每次更新得到的系统增益量传递给上位机，并接收上位机发送的指令来设定接收机的放大量。主控制器与增益可变放大器之间要利用光电耦合器来隔离数模信号，避免数字信号对可编程增益仪表放大器AD8253产生干扰。由于水声接收机是通过电池供电，为了延长水声接收机的使用寿命，对主控制器以及其它外围电路要求是：具有低功耗特性，在主控制器的选择上尤其注意这一点。当主控制器选择功耗较低的器件时，一般都是低电压供电，因此IO电压也是低电压，当外围器件是5V逻辑时，需要进行电平转换。为了减小水声接收机的体积，选用内部自带A/D转换的微控制器，元器件尽量选择贴片小封装形式。

主控制器的工作步骤如下：(1)初始化后判断是否接收到上位机设定增益量的指令，如果是，则按指令中的增益值来控制增益可变放大器的放大倍数，若没有则进行下一步；(2)启动A/D转换器工作，采集当前由真有效值转直流电路传递的电压值得到有效值电压V_rms；(3)将V_rms与设定的电压高低门限值V_H和V_L做比较。当V_L≤V_rms≤V_H时，增益码不做调整。当V_rms＜V_L时，主控制器调整增益码，使增益可变放大器的放大倍数增大一个步长，则后级放大电路的最终输出增大；当V_rms＞V_H，主控制器调整增益码，增益可变放大器的放大倍数减小一个步长，则后级放大最终输出也减小；(4)间隔一段时间后循环步骤(2)、(3)，每次调整后的系统增益量通过串口通信传输给上位机，循环中放大倍数达到最小时V_rms＞V_L，或放大倍数达到最大时V_rms＜V_L，则增益码不改变。(5)若在步骤(2)或(3)时收到上位机的设定或取消设定增益量的指令，优先执行。

上位机的人机交互界面软件用来设置上位机的串口，使上位机和水声接收机能够顺利地通过串口方式通信。其次，用户能通过上位机的人机交互界面观察、存储水声接收机增益调节过程中的增益量。再者，用户还可以通过它手动设定水声接收机的放大量。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明主要包括：增益可变放大电路、低通滤波电路、带高通滤波的后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机的人机交互界面软件。系统组成框图如图1所示。

增益可变放大电路完成增益调整功能，电路如图2所示。电路的核心是数字可编程增益仪表放大器AD8253，具有GΩ级输入阻抗、低噪声、精密线性性能，其并行接口允许用户对1、10、100、1000的增益进行数字化编程。放大器采用锁存增益模式，管脚

A1与A0分别接收主控制器发送的增益锁存码和增益码，当

管脚电压从逻辑高电平转换到逻辑低电平时，在它的下降沿上读取A1和A0上的电压，同时锁存A1和A0上的逻辑电平，改变放大器的增益，具体对应关系如表1所示。AD8253采用±5V双电源供电，初始上电时，放大器默认的放大倍数为1。信号输入端口为差分模式，能有效地抑制共模干扰。R1、C1与R2、C2是一对平衡结构，为无源高通滤波器，滤波截止频率为20Hz。

表1增益可变放大器AD8253在锁存模式下的真值表逻辑电平

¹X=无关

低通滤波电路位于增益可变放大电路之后，它对经增益控制后的信号进行低通滤波，电路如图3所示。模拟集成有源滤波芯片MAX275内含有2个2阶状态变量滤波器，其极点频率范围从100Hz到150kHz，只需外接电阻便可构成四阶巴特沃斯低通滤波电路。考虑四阶低通滤波器截止频率为5.5kHz，电路中的外接电阻值根据美信公司提供的MAX275滤波器设计软件选取，阻值有1%公差。C36为隔直电容，滤除前级放大器产生的直流偏差电压。同样，滤波器MAX275采取±5V双电源供电。

后级放大是为了补偿放大量，调整多路通道间幅度的不一致，电路如图4所示。低噪声AD8620为双运算放大器，在多路通道设计时可以节省PCB板空间，图中采用单级同相输入放大电路，左右各为一路。对于通道A来讲，滑动变阻器R29作为反馈电阻，与反向输入端电阻R24形成的放大倍数最大值为101，实际取50；C41在电路中起高通滤波作用，截止频率为20Hz，C47除了有低通滤波作用，还可补偿后级放大电路的相位；C40和C44为前后级连接电容，其作用是隔离直流；由于AD8620本身具备大的容性负载驱动能力，且R31和C56增强了放大器的容性负载能力，使电路输出可以连接长水下电缆。对于多路通道的情况，在选定后级放大倍数后，微调滑动变阻器就能使各通道幅度保持一致。运算放大器采用±10V双电源供电，具有大的电压输入输出范围。

真有效值转直流电路的功能是计算后级放大电路输出信号的有效值，并且将计算得到的有效值以直流的形式输出，然后送入微控制器的A/D进行采集，电路如图5所示。选用新一代精密线性跨导、低功耗均方根-直流转换器AD8436，在高低幅度时性能均不会受开关电路的限制，可以适应海洋环境噪声信号。AD8436采用±10V双电源供电，对于采用非外部调整输入范围100μVrms至3Vrms的信号，可以精确得到信号波形均方根的直流等效值。输入耦合电容C45的作用是使转换器自带的输入缓冲器偏移电压不对整体误差产生贡献。平均电容C59的功能是计算信号平方的平均值，其值决定了信号均方根转直流值的精度，通常设定为10μF。滤波电容C58能有效地减小纹波，波峰因数电容C6的作用是避免突发波形的干扰。10MΩ的电阻R54是为了防止输入门浮动高，同时与电容C57组合产生低通滤波的作用。

主控制器电路完成增益控制及与上位机通信功能，主要包括低功耗单片机C8051F021、光电耦合器TLP281-4和RS422收发器MAX490以及其它外围器件，如图6所示。后级放大电路的输出信号经真有效值转直流电路后，电压有效值被C8051F021内部自带的12位A/D转换器采集，C8051F021编程计算增益码的大小，并在其总线上发出两位增益码(P0.2和P0.3管脚)和一位增益锁存码(P0.4管脚)，通过光电耦合器TLP281-4把增益码和增益锁存码分别送给数字可编程增益仪表放大器AD8253的A1、A0和

管脚。光电耦合器将数字地和模拟地分开，同时也具有电平转换功能，即将C8051F021的+3.3V电平转换为AD8253需要的+5V电平。微控制器通过由MAX490构成的RS422全双工串行接口与上位机通信，发送系统增益值或者接收上位机的增益设定指令。增益控制软件程序通过J2端口以JTAG方式下载到微控制器内部。

为了减小数字电路对模拟放大电路的干扰，模拟电路和数字电路独立供电。选用单通道线性低压差稳压器LM317和LM337，将电池的±12V直流电压变换为±10V和±5V再供给电路板上的模拟器件。选用低压差稳压器TPS7333，将+5V电压变换为+3.3V再供给数字器件C8051F021。系统电路的元器件采用贴片封装，可以减小水声接收机的体积，提高了电路稳定性及可靠性。在各芯片的电源引脚附近放置0.1μF独石电容和22μF钽电容作为旁路耦合电容，抵消电源引脚上的噪声对器件性能产生的不利影响。

主控制器C8051F021的软件工作流程如图7所示：(1)初始化后是否接收到上位机设定增益量的指令，如果是，则按指令中的增益值来控制增益可变放大器的放大倍数，若没有则进行下一步；(2)启动微控制器内部自带的12位ADC0工作，采集当前由真有效值转直流电路传递的电压值得到有效值电压V_rms；(3)将V_rms与设定的电压高低门限值V_H和V_L做比较，其中V_H＝1.5V,V_L＝0.15V，这是考虑水听器带有20倍的放大且后续数据采集系统的处理信号电压范围为±5Vpp。当V_L≤V_rms≤V_H时，增益码不做调整。当V_rms＜V_L时，主控制器调整增益码，使增益可变放大器的放大倍数增大一个步长，则后级放大电路的最终输出增大；当V_rms＞V_H，主控制器调整增益码，增益可变放大器的放大倍数减小一个步长，则后级放大最终输出也减小；(4)间隔1秒后循环步骤(2)、(3)，每次调整后的系统增益量通过串口传输给上位机，若循环中2字节增益码A1A0为00且V_rms＞V_L，则增益码不变，增益码A1A0为11且V_rms＜V_L，增益码也不变。(5)在进行步骤(2)或(3)时接收到上位机的设定或取消设定增益量的指令，优先执行。

上位机的人机交互界面软件利用VC++6.0编写，界面分为三部分，左边部分用来设置上位机的串口，包括串口端、波特率、校验方式、数据位、停止位，使上位机和水声接收机能够顺利地通过串口方式通信；数据接收部分的作用是观察、存储水声接收机增益调节过程中的系统增益量；用户可以通过手动设置放大器倍数部分设定或取消设定增益可变放大器的放大量，档位与AD8253相对应。

Claims

1.一种用于海洋环境噪声测量的水声接收机，包括增益可变放大电路、低通滤波、后级放大电路、真有效值转直流电路、主控制器电路和上位机，其特征在于：带前级放大的水听器将海洋环境噪声转换为电压信号，传输给增益可变放大电路，放大后对信号低通滤波，通过带高通滤波的后级放大电路输出，输出信号通过真有效值转直流电路得到信号的有效值，主控制器电路采集并根据此有效值大小更新增益码从而调节增益可变放大电路的放大倍数，主控制器和上位机通信，将水声接收机的增益量传递给上位机，也可以通过上位机来设定水声接收机的增益量。

2.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于：所述的增益可变放大电路选用数字可编程增益仪表放大器AD8253。

3.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于：所述的后级放大电路采用运算放大器AD8620，带有截止频率为20Hz的高通滤波。

4.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于：所述的真有效值转直流电路采用均方根-直流转换器AD8436。

5.根据权利要求1所述的用于海洋环境噪声测量的水声接收机，其特征在于：所述的主控制器采用RS422串口方式与上位机通信。