CN105515609A - 一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路 - Google Patents

一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路 Download PDF

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Abstract

一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路，涉及跳频通信系统。设有阻抗变换电路、自动增益控制电路和带通滤波器；所述阻抗变换电路的输入端外接换能器，自动增益控制电路设有初级放大电路、次级放大电路和反馈控制电路，初级放大电路的输入端接阻抗变换电路的输出端，初级放大电路的输出端接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接次级放大电路的输入端，次级放大电路的输出端接反馈控制电路的输入端，反馈控制电路的控制信号输出端接初级放大电路，次级放大电路的输出端外接后续电路。可以有效减小随频率变化引起的接收端回波信号幅度变化范围、降低系统运算量、提高检测准确度。

Description

一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路
技术领域
本发明涉及跳频通信系统，尤其是涉及一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路。
背景技术
水声信道具有时-空-频变以及窄带、高噪、强多途干扰、长传输时延、大随机起伏等特征，是迄今为止最为复杂的无线通信信道之一。跳频通信系统因其有较强的抗干扰、抗噪声、抗多途能力以及保密性好和易于实现码分多址等特点，是目前中、远距离上低速率水声通信中最稳健、可靠的通信系统。跳频通信是一种扩频通信方式，占用的频带相对较宽，受声传播衰减、信道频率选择性衰落、发射端和接收端相对距离变化、发射端功放和接收端信号调理电路频率响应不均匀等因素影响，会造成接收端声信号幅度随频率产生较大动态范围的起伏，对采用非相干能量检测方法的接收系统的运算复杂度、检测性能均产生较大影响。
本申请的发明人许肖梅(许肖梅,陈东升,童峰.MFSK水声通信接收系统中的幅度均衡设计[J].海洋科学,2001,25(06):44-47)介绍了幅度均衡方法是采用放大——滤波的机制，但同步放大信号和噪声，在滤波后信号幅度起伏仍相对较大，处理增益的提高程度不明显。
发明内容
本发明的目的在于提供可以有效减小随频率变化引起的接收端回波信号幅度变化范围、降低系统运算量、提高检测准确度的一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路。
本发明设有阻抗变换电路、自动增益控制电路和带通滤波器；
所述阻抗变换电路的输入端外接换能器，自动增益控制电路设有初级放大电路、次级放大电路和反馈控制电路，初级放大电路的输入端接阻抗变换电路的输出端，初级放大电路的输出端接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接次级放大电路的输入端，次级放大电路的输出端接反馈控制电路的输入端，反馈控制电路的控制信号输出端接初级放大电路，次级放大电路的输出端外接后续电路。
所述阻抗变换电路设有限幅电路和电压串联负反馈放大电路，限幅电路输入端外接换能器，限幅电路输出端接电压串联负反馈放大电路的反馈支路，电压串联负反馈放大电路输出端接初级放大电路的输入端；所述初级放大电路和次级放大电路组成线性可变增益放大电路。
所述带通滤波器可采用单片集成有源滤波芯片MAX274。
本发明采用初级放大——滤波——次级放大(反馈至初级放大)的闭环信号调理机制，将调理后的输出信号稳定在某期望量值附近，可以有效解决移动水声跳频通信中由于声传播衰减、信道频率选择性衰落、发射端和接收端相对距离变化、发射端功放和接收端信号调理电路频率响应不均匀等因素引起的接收端声信号幅度随频率大起伏变化问题。经过现场实验表明，该电路可简化非相干能量检测运算复杂度，提高信号检测准确度，明显提高水声通信质量。
与本申请的发明人许肖梅(许肖梅,陈东升,童峰.MFSK水声通信接收系统中的幅度均衡设计[J].海洋科学,2001,25(06):44-47)介绍的采用放大——滤波的幅度均衡方法相比，由于前者同步放大信号和噪声，在滤波后信号幅度起伏仍相对较大，处理增益的提高程度也不如本发明明显。本发明可以有效减小随频率变化引起的接收端回波信号幅度变化范围、降低系统运算量、提高检测准确度。
附图说明
图1为本发明实施例的电路组成框图。
图2为本发明实施例的阻抗变换电路原理图。
图3为本发明实施例的自动增益控制电路原理图。
图4为本发明实施例的带通滤波器原理图。
图5为本发明实施例的带通滤波器的频率响应曲线。
图6为厦门市五缘湾浅海域实验信道多途测试结果。
图7为三种信号调理方式预处理信号中随机提取的一帧信号。
图8为FFT频谱主瓣峰值和第一旁瓣峰值归一化分布。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明实施例设有阻抗变换电路1、自动增益控制电路和带通滤波器3。
所述阻抗变换电路1的输入端外接换能器P，自动增益控制电路设有初级放大电路21、次级放大电路22和反馈控制电路23，初级放大电路21的输入端接阻抗变换电路1的输出端，初级放大电路21的输出端接带通滤波器3的输入端，带通滤波器3的输出端接次级放大电路22的输入端，次级放大电路22的输出端接反馈控制电路23的输入端，反馈控制电路23的控制信号输出端接初级放大电路21，次级放大电路22的输出端外接后续电路Q。
所述阻抗变换电路1设有限幅电路和电压串联负反馈放大电路，限幅电路输入端外接换能器P，限幅电路输出端接电压串联负反馈放大电路的反馈支路，电压串联负反馈放大电路输出端接初级放大电路21的输入端；所述初级放大电路21和次级放大电路22组成线性可变增益放大电路。
所述带通滤波器3可采用单片集成有源滤波芯片MAX274。
本发明实施例的阻抗变换电路原理图参见图2，阻抗变换电路以运算放大器U1A(LT1678)为核心器件，实现水声换能器输出阻抗与自动增益控制电路100Ω输入阻抗之间的变换；自动增益控制电路以AD603可变增益放大器为核心器件，通过两片级联实现初、次两级的增益自适应控制，增益控制动态范围为84dB；带通滤波器以MAX274模拟滤波器为核心构成中心频率为25kHz、带宽10kHz的八阶切比雪夫带通滤波器。
该电路中由R1、高阻值R2和双向导通二极管D1构成限幅电路，允许换能器接收到的微弱回波信号通过，而在大功率信号激励换能器发射时，可起到限幅作用，保护接收端电路；以运算放大器LT1678为核心组成的电压串联负反馈放大电路，具有大的输入阻抗和小的输出阻抗，实现换能器端输出端和自动增益控制电路输入端间信号无损传递；R3、R4和C2构成的反馈支路具有选频增益控制作用，对带宽内低频信号实施小增益放大，而对高频信号实施大增益放大，用于补偿水声信道频率选择性衰落。
本发明实施例的自动增益控制电路原理图参见图3，该电路主要由两个部分构成：线性可变增益放大电路和反馈控制电路。线性可变增益放大电路是由两片AD603间接级联构成两级放大，初级放大后先经带通滤波器再进行次级放大，这种机制可以有效降低噪声，提高调理后信号的信噪比。AD603芯片引脚5和7之间的外接电阻R11、R12的阻值用于选择-22dB～+102dB区间内最大84dB的可编程增益范围，外接阻值均为0Ω时，增益范围是-22dB～+62dB，外接阻值趋近∞时，增益范围是+18dB～+102dB；AD603芯片引脚1与2之间的电压差值可线性控制输出增益值，比例系数是25mV/dB，为了保证级联电路具有良好的线性控制能力，芯片U3引脚2与芯片U2引脚2之间的电压差应稳定在1.05V左右，由电阻R8、R9和R10分压实现。
反馈控制电路由一对互补三极管Q1和Q2构成，Q2集电极可稳定提供300μA输出电流，分别流向Q1集电极和电容C13两个支路；Q1和R13组成半波检测电路，根据次级放大电路输出信号幅度反向调节电容C13充电电流大小，改变C13两端电压，进而控制线性可变增益放大电路的输出增益，实现反馈，取得稳定幅值的输出信号；反馈调节的灵敏度由C13的容值大小决定，容值越小，灵敏度越高；稳定输出的信号幅值通过R13电阻确定，阻值越大输出电压越大。
本发明实施例的带通滤波器原理图如图4所示，采用单片集成有源滤波芯片U4(MAX274)来实现，该芯片内含四个二阶可变滤波器单元，只需外接四组共16只电阻即可实现滤波功能，与传统的通过运算放大器、电阻和电容实现的有源滤波器相比，具有更高的频率精度和更强的噪声抵制能力。设计的八阶切比雪夫带通滤波器中心频率为25kHz，带宽为10kHz，具有陡峭的滚降，可以有效滤除带外噪声。如图5所示为设计滤波器的频率响应曲线。
带通滤波器置于自动增益控制电路的初级放大电路和次级放大电路之间，形成初级放大——滤波——次级放大(反馈至初级放大)的闭环信号调理机制。相比传统的放大——滤波开环调理机制，该机制不仅可以保证输入滤波器信号的幅度足以克服滤波器本体噪声的影响，在带通滤波器中尽可能消除信道噪声，还可以在次级放大电路中有效放大有用信号，大大提高处理信噪比，保证带宽内不同频率信号取得更稳定的幅值输出，实现幅度均衡。
带通滤波器的频率响应曲线参见图5。
以下给出现场实验的结果：
现场测试在厦门五缘湾浅海域进行，海域平均水深约为10m，沙底质，测试距离约为894m，信道测试结果如图6所示。测试平台是使用4FH－16FSK调制、卷积码为信道编码的水声跳频通信系统，发射端采用相同的通信帧结构和数据信息，每个通信帧含1个码元宽度粗同步信号、1个码元宽度细同步信号和80个数据码元，每个码元宽度为10ms，帧结构如表1所示；为了测试本发明介绍的幅度均衡电路性能，在系统接收端设计了一个含有3种信号调理方式的预处理模块，包括直连(DC)、线性放大+滤波(LAF)和幅度均衡(AE)，对换能器接收的原始信号进行预处理，预处理信号经过同步捕获后，采用傅立叶变换鉴频解调。
表1
如图7所示是从DC调理、LAF调理和AE调理三种调理方式预处理信号中随机提取的一帧信号波形。从时域波形图上可以明显看出，AE调理后的信号幅度可以基本上保持在期望值上(设定Vpp＝1V)。
为了定量分析三种信号调理方式的差别，通过FFT算法分别对三种信号帧中的数据码元进行频谱分析，提取各谱图主瓣峰值、第一旁瓣峰值，计算其均值、标准偏差等参数，表2给出频谱图峰值和误码率统计结果。
从表2中主瓣峰值与其均值之间的偏差百分比可以看到：采用AE调理后信号幅度的浮动区间明显减小，表明AE调理后信号中的有效信号幅度起伏减小。
表2
采用能量检测方法时，造成检测误判的最主要原因是频谱图上主瓣与第一旁瓣间的干扰。图8(a)(b)(c)分别显示了三种信号调理方法1000个数据码元FFT频谱图中主瓣峰值和第一旁瓣峰值归一化后的分布情况：(a)图显示DC调理(即由换能器接收到的原始信号)的第一旁瓣峰值基本上都分布在主瓣峰值的浮动区间内；(b)图显示经过LAF调理后，部分第一旁瓣峰值移出了主瓣峰值分布区间，但LAF调理无法改善信号起伏，且在接收信号幅值过大时还可能造成信号调理后超过声码器输入量程，引起削波失真；(c)图显示AE调理可对码元中的有效信号和干扰信号提供不同增益，使主瓣峰值向更高值区间移动，让主瓣峰值和第一旁瓣峰值呈现更加明显的分离趋势，有利于减小干扰。该分析结论与表2中三种调理方法统计得到的误码率变化趋势相一致。
本发明不仅可以有效克服因声传播衰减、信道频率选择性衰落、发射端和接收端相对距离变化、发射端功放和接收端信号调理电路频率响应不均匀等因素引起的接收端声信号幅度随频率大起伏变化问题，输出期望幅度信号；还能对原始信号中的有效信号和干扰信号施加不同大小增益，提高处理信噪比。经过现场实验表明，该电路可简化非相干能量检测运算复杂度，提高信号检测准确度，明显提高水声通信质量。

Claims (3)

1.一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路，其特征在于设有阻抗变换电路、自动增益控制电路和带通滤波器；
所述阻抗变换电路的输入端外接换能器，自动增益控制电路设有初级放大电路、次级放大电路和反馈控制电路，初级放大电路的输入端接阻抗变换电路的输出端，初级放大电路的输出端接带通滤波器的输入端，带通滤波器的输出端接次级放大电路的输入端，次级放大电路的输出端接反馈控制电路的输入端，反馈控制电路的控制信号输出端接初级放大电路，次级放大电路的输出端外接后续电路。
2.如权利要求1所述一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路，其特征在于所述阻抗变换电路设有限幅电路和电压串联负反馈放大电路，限幅电路输入端外接换能器，限幅电路输出端接电压串联负反馈放大电路的反馈支路，电压串联负反馈放大电路输出端接初级放大电路的输入端；所述初级放大电路和次级放大电路组成线性可变增益放大电路。
3.如权利要求1所述一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路，其特征在于所述带通滤波器采用单片集成有源滤波芯片MAX274。
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