CN107483120A - 水声信号采集与处理系统 - Google Patents

Abstract

水声信号采集与处理系统，涉及水声信号采集与处理。设有水听器、模拟信号处理模块、信号预处理模块，所述水听器带前置放大器；所述模拟信号处理模块与信号预处理模块之间通过串行外设接口接口实现信号交互，所述信号预处理模块通过对接插座与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器连接，信号预处理模块与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器数据通信通过SPI接口实现；所述信号预处理模块通过SPI接口与上层的调制解调模块实现双向的数据交互；所述模拟信号处理模块包括多通道前置放大滤波电路、多通道信号增益可调电路、多通道信号滤波电路和多通道模数转换电路。

Description

水声信号采集与处理系统

技术领域

本发明涉及水声信号采集与处理，尤其是涉及水声信号采集与处理系统。

背景技术

水声信号采集、处理装置作为水声信号接收机的重要组成部分，是水声试验的重要设备。目前实现水下无线信息传输的有效载体为声波，而声波在水中的衰减幅度和频率的平方成正比，这种特性也在水声通信中的带宽大小上有一定的限制【1】。此外，水声信号所处自然环境极其复杂，受各种环境噪声影响，采集到的水声信号信噪比低。基于以上原因，水声信号的采集对接收机的滤波和信号放大模块的要求都非常严格，因此研制一套高性能的适应于水声环境的数据采集处理系统是必不可少的。

目前的水声信号采集与处理模块普遍还存在以下一些设计缺陷：第一：主要用于数据采集和处理的DSP(Digital Signal Processing)或FPGA(Field Programmable GateArray)处理器能够实现快速信号采集处理能力，但是处理器功率消耗较大，电源续航能力不足，难以长期于无人值守、无法充电的海洋环境下以一定高速的采样频率进行水声信号采集处理作业，如在专利“一种水下声波采集系统”中【2】，水声信号采集系统以FPGA作为主控单元，FPGA虽然设计灵活，可实现“可定制电路”，但其功率消耗较大，不适于在水下长时间进行水声信号采集作业。第二：绝大多数水声信号采集处理系统设计结构较为固定单一，尚未实现模拟信号采集、模数转换、数字信号处理的模块化，不具备模块间的独立工作和可替换功能，使得整个系统的使用不够灵活，如在专利“水下语音收发器、水声语音收发器及水声对讲系统”中【3】所使用到的水下语音信号处理电路为单一模块，水声语音信号处理功能分工不明确，未进行对水声语音信号放大、滤波、模数转换等功能的合理划分，使得水下语音信号采集与处理缺少了模块化的优势。第三：在水声试验中，往往需要获取大量的原始声信号，进行高速高精度数据采集与实时记录，而传统的数据采集系统多采用Flash芯片作为存储介质，该芯片容量小(一般不超过8Mb)，价格高(尤其大容量芯片)，灵活性低(多采用焊接方式)，难以满足大容量水声数据采集、数据灵活存取的要求。经调研，大多数信号采集与处理系统仅具有数据缓存，当缓存区满后原有数据即被覆盖，不具有大容量数据存取的功能。而一些信号采集系统虽使用较大容量的存储介质，如专利“一种带多种传输接口的基于DSP微弱信号采集装置”中【4】使用大容量存储NAND FLASH存储电路，存储能力达到2GB，但其灵活性低，不方便进行线下的数据读取和分析。第四：目前的水声信号采集装置多设计实现为单通道采集和处理功能，在水声通信发展早期能够满足信号采集的要求，如在专利“水声信号数据采集系统”中【5】，仅实现了对水声信号的单通道采集、放大、滤波和处理。但随着水下传感器网络、水声阵列信号处理、信号分集技术等领域的发展，这样的功能设计无法对信号进行多路采集或分子带的放大、滤波和模数转换。以往的水声信号采集与处理模块往往设计解决了以上设计缺陷的某一方面，但目前水声信号采集领域尚未提出和弥补一种以上所有设计缺陷的水声信号采集与处理装置。因此，一个性能优越、同时可以实现多路数据采集、处理的多通道信号处理系统在水声通信中起着越来越重要的作用。

多普勒效应指出，波在收发两端两端相互接近时接收频率变高，而在相互远离时接收频率变低。不同于陆地上的无线电通信，水声通信中，声波在水下的传播速度远小于电磁波的传播速度，故与陆空无线通信比较而言，水声信道中存在更为明显的多普勒效应。水声通信中的多普勒效应主要是由发射机与接收机之间的相对运动、发射机与接收机系统的晶振偏差、海洋自身的复杂运动而引起【6】。由于水声信道的可用带宽窄，水声通信本质上是一个宽带通信系统。因此，水声信道中的多普勒效应将会引起接收信号在频域上的频率偏移和频谱扩展，在时域上则表现为接收时域波形的压缩或扩展。为了减小多普勒效应在水声信号接收和处理时的不良影响，有必要对接收到的水声信号进行有效的多普勒扩展因子(a＝vcosθ/c，vcosθ为相对运动速度，c为声速)估计和补偿，从而能够恢复出原有的信号波形。据调研，目前已有的水声信号采集与处理装置尚未具备多普勒扩展因子的估计和补偿功能。

综上所述，为了适应水声信号采集与处理所需要遇到的诸如水声环境恶劣、接收装置难以及时充电、数据采集量大、多普勒效应严重等方面问题，迫切需要设计一种兼具高性能、低功耗、大容量数据灵活存取、模块化和多通道特性的水声信号采集与处理装置。

参考文献：

[1]项顼.水声信号采集模块研制[D].中国海洋大学,2015。

[2]中国专利CN202916002U。

[3]中国专利CN205986887U。

[4]中国专利CN203950149U。

[5]中国专利CN106840355A

[6]林志达.实时OFDM水声移动通信系统关键技术研究[D].厦门大学,2016。

发明内容

本发明的目的是提供可解决在水声环境下多通道、低功耗、大容量信号(数据)接收和处理等问题的水声信号采集与处理系统。

本发明设有水听器、模拟信号处理模块(ASPM，Analog Signal ProcessingModule)、信号预处理模块(SPPM,Signal Pre-processing Module)，所述水听器带前置放大器；所述模拟信号处理模块与信号预处理模块之间通过串行外设接口(SPI，SerialPeripheral Interface)接口实现信号交互，所述信号预处理模块通过对接插座与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器连接，信号预处理模块与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器数据通信通过SPI接口实现；所述信号预处理模块通过SPI接口与上层的调制解调模块(MDM，Modulation Demodulation Module)实现双向的数据交互；

所述模拟信号处理模块包括多通道前置放大滤波电路、多通道信号增益可调电路、多通道信号滤波电路和多通道模数转换电路，通过模拟信号处理模块模数转换生成的数字信号由所述信号预处理模块在数字域处理，信号预处理模块还包括向模拟信号处理模块反馈增益控制信号、控制模数转换、长时间DDR(Double Data Rate，双倍速率同步动态随机存储器)数据缓存、SD(Secure Digital Memory Card)记忆卡数据存储、多普勒因子估计及补偿的功能。

所述水听器用于采集和放大水声信号，水听器与模拟信号处理模块的前置滤波放大电路连接，以差分传输的形式传递信号；

所述多通道前置放大滤波电路用于实现多通道的滤波和进一步放大水听器采集信号；

所述多通道信号增益可调电路用于实现自动增益放大电路，配合所述信号预处理模块实现信号自动程控增益可调；

所述多通道信号滤波电路用于将所述多通道信号增益可调电路输出信号进一步滤波；

所述多通道模数转换电路用于实现多通道模数信号转换，将所述多通道信号滤波电路输出的模拟信号转换成数字信号，以供美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器处理；

所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器用于采集并处理所述多通道模数转换电路输出的数字信号，通过计算判断信号幅度是否过大限幅或过小，向所述多通道信号增益可调电路输出动态增益调整信号。若信号幅度过大，美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器减小多通道信号增益可调电路的信号增益；若信号幅度过小，美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器增大多通道信号增益可调电路的信号增益。

所述长时间DDR数据缓存用于解决外部设备获取采样数据时的速率匹配问题，使得外部设备可以访问一次通信的任意区间段的采样数据，缓存数据在下一次通信开始前清空；

所述SD记忆卡数据存储用于存储所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器采集到的信号数据，方便进行离线的数据分析；

所述多普勒因子估计和补偿功能用于对采集到的水声信号数据进行多普勒因子估计和补偿，以抵消相应的多普勒效应，该功能由所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器内部对应程序实现。

所述水听器可采用型号RHSA-30带前置放大器水听器，水听器可通过长电缆与模拟信号处理模块的前置滤波放大电路连接，以差分传输的形式传递信号。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种多通道、低功耗、大容量数据接收和处理的基于DSP的水声信号采集与处理系统，在水下由电池供电，能够长时间地工作于水下环境，保证水声发射系统能够在无人值守的水声环境中长期、连续进行水声信号的采集、处理与存储。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述：

如图1所示，本发明实施例包括带前置放大器的水听器1、模拟信号处理模块2、信号预处理模块3。模拟信号处理模块2包括多通道前置放大滤波电路21、多通道信号增益可调电路22、多通道信号滤波电路23和多通道模数转换电路24。信号预处理模块3通过对接插座与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器31连接，包含向模拟信号处理模块反馈增益控制信号、控制模数转换、长时间DDR数据缓存32、SD记忆卡数据存储33、多普勒因子估计及补偿等功能。

带前置放大器的水听器1与模拟信号处理模块2通过长电缆连接，信号以差分传输的形式传输，具有抗共模干扰能力强、有效抑制电磁干扰的优点。模拟信号处理模块2与信号预处理模块3分别设计于两块电路板上，两模块通过SPI接口34连接，实现数据交互。信号预处理模块3还包括另一组SPI，用于实现与上层调制解调模块的数据交互。

带前置放大器的水听器1型号为RHSA-30，工作频带范围为20Hz～50KHz，用于采集水声信号，通过其内部压电效应根据采集到的声信号产生成比例的电压输出，并以一定比例放大后传输至多通道前置放大滤波电路21。多通道前置放大滤波电路21用于实现对带前置放大器水听器1产生的信号进行多通道分子频带的放大和滤波。多通道信号增益可调电路22，用于将滤波放大后的信号通过比例运放电路实现多子频带信号增益可调。多通道信号滤波电路23用于将经过所述多通道信号增益可调电路22的信号进行多通道分子频带的滤波。多通道模数转换电路24用于实现模数信号转换，若将多通道滤波后信号叠加进行单通道模数转换，叠加信号容易造成限幅，并且单通道模数转换产生的数字信号将不便于根据频带分离，因此，将多通道模数转换电路24设计为将经过多通道信号滤波电路23产生的多通道分子频带的模拟电压信号转换成多通道分子频带的数字信号的功能。美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器31，用于采集、处理多通道模数转换的信号，计算各子频带信号的幅值是否限幅溢出或者信号幅值过小，并通过信号预处理模块上与模拟信号处理模块2相连接的SPI接口34动态控制多通道信号增益可调电路22的对应通道信号增益，若信号幅度过大，美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器减小多通道信号增益可调电路的对应通道信号增益，若信号幅度过小，美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器31增大多通道信号增益可调电路22的对应通道信号增益。长时间DDR数据缓存32，用于信号预处理模块3进入接收状态时缓存所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器31采集和处理得到的信号数据。SD记忆卡，选用大容量型号，用于长时间存储所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器采集和处理得到的信号数据，且方便从模块上更换，实现离线情况下对采集到的数据读取和分析的功能。

信号预处理模块3的工作状态包括：唤醒前、检测到唤醒、触发接收、接收状态。唤醒前，信号预处理模块3执行自动增益控制和检测唤醒的功能，根据采样信号幅值调整接收机增益，并将采样信号与本地同步信号做相关运算，根据相关峰唤醒接收机；检测到唤醒时，信号预处理模块3执行多普勒因子估计的功能，通过采样多普勒估计信号区段，并执行FFT运算，估计多普勒因子；触发接收时，信号预处理模块3执行输出唤醒脉冲的功能，通过输出唤醒脉冲到调制解调模块，触发调制解调模块进入接收；接收状态下，信号预处理模块3执行数据采集、数据缓存和多普勒因子补偿的功能，按预设采样率持续采样信号，将采样信号缓存于DDR缓存区，等待MDM模块获取所需信号，同时对接收信号进行多普勒因子补偿，缓冲补偿后的采样信号。进行长时间水声信号采集过程中，所使用的美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器31功耗较低。此外，若系统未检测到水声数据信号前的同步信号，则系统始终处于未唤醒状态，不进行FFT、数据存储等高耗能操作，系统功耗将进一步降低，从而保证了整个水声信号采集与处理系统的低功耗性。在图1中，标记A为增益调节。

本发明提供的一种水声信号采集与处理系统，除水听器以外部分既可工作于非水下环境，也可由电池供电，长期工作于水下环境。该系统保证了水下通信节点能够长时间、连续、自动、精确地对水声信号进行采集与处理。

Claims (3)

1.水声信号采集与处理系统，其特征在于设有水听器、模拟信号处理模块和信号预处理模块，所述水听器带前置放大器；所述模拟信号处理模块与信号预处理模块之间通过串行外设接口接口实现信号交互，所述信号预处理模块通过对接插座与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器连接，信号预处理模块与美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器数据通信通过SPI接口实现；所述信号预处理模块通过SPI接口与上层的调制解调模块实现双向的数据交互；

所述模拟信号处理模块包括多通道前置放大滤波电路、多通道信号增益可调电路、多通道信号滤波电路和多通道模数转换电路，通过模拟信号处理模块模数转换生成的数字信号由所述信号预处理模块在数字域处理，信号预处理模块还包括向模拟信号处理模块反馈增益控制信号、控制模数转换、长时间DDR数据缓存、SD记忆卡数据存储、多普勒因子估计及补偿的功能；

所述水听器用于采集和放大水声信号，水听器与模拟信号处理模块的前置滤波放大电路连接，以差分传输的形式传递信号；

所述多通道前置放大滤波电路用于实现多通道的滤波和进一步放大水听器采集信号；

所述多通道信号增益可调电路用于实现自动增益放大电路，配合所述信号预处理模块实现信号自动程控增益可调；

所述多通道信号滤波电路用于将所述多通道信号增益可调电路输出信号滤波；

所述多通道模数转换电路用于实现多通道模数信号转换，将所述多通道信号滤波电路输出的模拟信号转换成数字信号，以供美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器处理；

所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器用于采集并处理所述多通道模数转换电路输出的数字信号，通过计算判断信号幅度是否过大限幅或过小，向所述多通道信号增益可调电路输出动态增益调整信号；

所述长时间DDR数据缓存用于解决外部设备获取采样数据时的速率匹配问题，外部设备访问一次通信的任意区间段的采样数据，缓存数据在下一次通信开始前清空；

所述SD记忆卡数据存储用于存储所述美国TI公司定点/浮点低功耗DSP处理器采集到的信号数据，方便进行离线的数据分析；

所述多普勒因子估计和补偿功能用于对采集到的水声信号数据进行多普勒因子估计和补偿。

2.如权利要求1所述水声信号采集与处理系统，其特征在于所述水听器采用型号RHSA-30带前置放大器水听器。

3.如权利要求1或2所述水声信号采集与处理系统，其特征在于所述水听器通过长电缆与模拟信号处理模块的前置滤波放大电路连接，以差分传输的形式传递信号。