CN110233679B - 一种频分全双工水声Modem - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种频分全双工水声Modem，其包括控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器，控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器依次相连，换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器、控制器依次相连，换能器包括两个工作频带不同的压电陶瓷，分别用于发射和接收信号；阻抗匹配电路包括变阻匹配和调谐匹配，变阻匹配为变压器，调谐匹配电路包括三个电感L3、L2、L和两个电容C2、C3，其中，换能器与主匹配电感L串联后，与L2和C2支路并联，再加入L3、C3串联补偿，整体部分作为负载端，与变压器次级两端相接。本发明通过一个阻抗匹配电路配合换能器，实现了水声频分全双工通信。
Description
技术领域
本发明属于水声通信领域，涉及一种频分全双工水声Modem。
背景技术
水声Modem是水下通信网络、水下传感器网络的基础。作为一种用来进行数据交互的水下节点，常与传感器搭配使用，通过Modem在水下利用声波将传感器采集到的信息发送回信息处理中心。水声Modem实现声电信号的转换主要是利用了压电式换能器，一种利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。因其电声效率相对较高、功率容量大以及结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计，在功率超声领域应用广泛。
现有水声通信换能器中大多只包含一个压电陶瓷，换能器处于发射状态时，将电能转换为机械能，再转换为声能；换能器处于接收状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器同一时间只能实现发射或者接收，无法实现全双工通信。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种频分全双工水声Modem，具体技术方案如下：
一种频分全双工水声Modem，其特征在于，该Modem包括控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器，所述的控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器依次相连，所述的换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器、控制器依次相连，所述的换能器包括两个工作频带不同的压电陶瓷，分别用于发射和接收信号；所述的阻抗匹配电路包括变阻匹配和调谐匹配，所述的变阻匹配为变压器，所述的调谐匹配电路包括三个电感L3、L2、L和两个电容C2、C3，其中，换能器与主匹配电感L串联后，与L2和C2支路并联，再加入L3、C3串联补偿后，整体部分作为负载端，与变压器次级两端相接。
进一步地，所述的带通滤波器为巴特沃斯八阶带通滤波器。
进一步地，所述的前级放大器为低噪前级放大器。
进一步地，所述的模数转换器和数模转换器的分辨率均为24位。
进一步地，所述的换能器的两个压电陶瓷的中心频率间隔为6kHz。
本发明的有益效果如下：
本发明的频分全双工水声Modem，通过设计的阻抗匹配电路，同时配合安装两个不同工作频带的压电陶瓷的换能器，从而使得水声Modem仅用一个换能器实现水声频分全双工通信。
附图说明
图1为本发明的水声Modem的工作原理图；
图2为本发明的水声moderm的等效电路图；
图3为本发明的水声moderm中的两个压电陶瓷的频率响应图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
水声Modem的主要功能是实现水声信号和数字信号的相互转换，通过换能器实现声电转换，同时通过信号处理平台接收和发送数字信号。
如图1所示，为本发明的水声Modem的工作原理图，该Modem包括控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器，所述的控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器依次相连，所述的换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器、控制器依次相连，所述的换能器包括两个工作频带不同的压电陶瓷，分别用于发射和接收信号；
所述的阻抗匹配电路包括变阻匹配和调谐匹配，所述的变阻匹配为变压器，所述的调谐匹配电路包括三个电感L3、L2、L和两个电容C2、C3，其中，换能器与主匹配电感L串联后，与L2和C2支路并联，再加入L3、C3串联补偿后，整体部分作为负载端，与变压器次级两端相接，具体如图2所示，为实现功放输出阻抗和换能器阻抗的匹配，在功放后级加入变压器以提高能量传输效率。加入调谐匹配电路可改善负载电路的功率因数，减小无功损耗，增大有功功率。设计中的匹配电路可近似为二阶巴特沃斯滤波电路，以保证一方面在较宽的工作频带内具有较平坦的输出响应，另一方面对于双工换能器的接收频段能起到较明显的干扰抑制作用，同时加入的电容可抵消变压器本身的线圈感抗对匹配造成的影响。
在发射端，控制器首先对要发送的信号进行调制，然后经过编码变成数字信号，通过DA将数字信号转换成模拟信号，通过功率放大器对模拟信号进行放大，通过阻抗匹配电路提高发射效率后，驱动换能器的发射模块，将要发射的模拟信号转换成在适合水中传输的声信号。在接收端，换能器的接收模块将接收到的声信号转换成模拟电信号，模拟信号首先经过带通滤波器，然后用前级放大器将模拟电信号其放大到适合AD采集的范围，通过AD后将模拟电信号转换成数字电信号，然后在控制器中对数字信号进行解码、解调工作。
优选地，所述的带通滤波器为巴特沃斯八阶带通滤波器，该滤波器具有带内平坦的特性。所述的前级放大器为低噪前级放大器，该放大器具有极低的等效输入短路噪声；所述的模数转换器和数模转换器的分辨率均为24位。
为了减少发射信号和接收信号的相互影响，所述的换能器的两个压电陶瓷的中心频率间隔为6kHz。
如图3所示，为本发明的水声Modem的两个压电陶瓷的工作频带，中心频率分别为17kHz和23kHz，带宽均为4kHz。在进行双工通信时，压电陶瓷A负责将要发送的电信号转化为频率为17kHz左右的声信号，同时压电陶瓷B可以接收信道中频率为23kHz左右的声信号并转化为电信号，由于发射和接收在两个不同的频带，发射信号在接收压电陶瓷的频带内会得到抑制，所以发射信号对接收端的影响较小。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种频分全双工水声Modem，其特征在于，该Modem包括控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器，所述的控制器、数模转换器、功率放大器、阻抗匹配电路、换能器依次相连，所述的换能器、带通滤波器、前级放大器、模数转换器、控制器依次相连，所述的换能器包括两个工作频带不同的压电陶瓷，分别用于发射和接收信号；所述的阻抗匹配电路包括变阻匹配电路和调谐匹配电路，所述的变阻匹配电路为变压器，所述的调谐匹配电路包括三个电感L3、L2、L和两个电容C2、C3，其中，换能器与主匹配电感L串联后，与L2和C2支路并联，再加入L3、C3串联补偿后，整体部分作为负载端，与变压器次级两端相接；
所述的带通滤波器为巴特沃斯八阶带通滤波器；
所述的换能器的两个压电陶瓷的中心频率间隔为6kHz。
2.根据权利要求1所述的频分全双工水声Modem，其特征在于，所述的前级放大器为低噪前级放大器。
3.根据权利要求1所述的频分全双工水声Modem，其特征在于，所述的模数转换器和数模转换器的分辨率均为24位。
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