CN112422105B - 一种仿生梳状滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种仿生梳状滤波器，包括电源电路、单片机、信号探测器、一级滤波放大电路、二级滤波放大电路、窄带滤波电路、射随器、检波平滑电路、通道选择开关电路。本发明提供的仿生滤波器，其仿生生物的听觉系统，能实现微弱信号的检测，且推广应用前景广阔，不仅适用于水中目标水声特性的高精度检测与估计，还可以推而广之到空间磁场、电场乃至地震波场等多种领域。不仅适用于一维空间的场信号检测，还可以推广到二维乃至多维信号检测估计。

Description

一种仿生梳状滤波器
技术领域
本发明涉及信号探测技术领域，具体涉及一种仿生梳状滤波器。
背景技术
隐身潜艇以及低速航行的舰艇目标的声场探测，对传统水声探测技术提出了严峻的挑战。海洋多途效应、环境噪声、目标自噪声以及多目标混迭信号等相互作用，大大降低了信噪比，也降低了水雷打击低速、安静型目标的概率。被动微弱信号检测技术是信号处理领域面临的难题，同时也是现代化水雷武器发展亟待解决的问题；然而传统的信号检测方法中所用的滤波器及相关结构难以实现微弱信号的检测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种仿生梳状滤波器，包括单片机、电源模块、信号探测器、一级滤波放二级滤波放大一种仿生梳状滤波器，其特征在于，包括电源电路、单片机、信号探测器、一级滤波放大电路、二级滤波放大电路、窄带滤波电路、射随器、检波平滑电路和通道选择开关电路；
所述电源电路用于为该仿生梳状滤波器中的各电路结构供电；
所述信号探测器用于探测周围的信号，并根据探测结果输出电压信号给所述一级滤波放大电路；
所述一级滤波放大电路用于对所述信号探测器输出的电压信号进行初步放大，并进行阻抗变换和滤波，再将信号输出给所述二级滤波放大电路；
所述二级滤波放大电路用于对所述一级滤波放大电路输出的信号再次放大，并将放大后的信号输出给所述窄带滤波电路；
所述窄带滤波电路用于对所述二级滤波放大电路输出的信号进行窄带滤波，并且，所述窄带滤波电路以所述单片机给出的中心频率来进行窄带滤波；
所述窄带滤波电路输出的信号依次经过所述射随器和检波平滑电路的处理，以及所述通道选择开关电路的选择后，由选择的相应通道进入单片机进行采样、A/D转换和数字信号处理计算；
所述通道选择开关电路由所述单片机控制，所述单片机每隔一定时间改变一次中心频率和通道选择，以实现梳状滤波。
在一些实施例中，所述窄带滤波电路包括有源低通滤波器和中心频率控制电路；
所述中心频率控制电路与所述单片机连接，所述有源低通滤波器的输入端和输出端分别于所述二级滤波放大电路及射随器连接；
所述中心频率控制电路根据单片机输出的PWM信号，得到窄带滤波的中心频率，所述有源低通滤波器根据该中心频率进行窄带滤波。
在一些实施例中，所述单片机为MSC1210单片机。
在一些实施例中，所述单片机输出的PWM信号的频率每0.05s跳变一次，使得窄带滤波的中心频率每0.05s跳变一次。
在一些实施例中，所述单片机输出的PWM信号的具有八种不同的频率；相应地，所述通道选择开关电路对应于八条信道。
在一些实施例中，所述信号探测器为声传感器，用于探测周围的声信号。
在一些实施例中，所述二级滤波放大电路用于实现信号1000倍增益。
在一些实施例中，还包括与所述单片机电连接的模式选择电路、晶振电路、复位电路和RS-232串口电路。
在一些实施例中，还包括积分电路，所述积分电路的输入端及输出端分别于所述通道选择开关电路及单片机连接。
在一些实施例中，所述电源电路包括电源、正稳压电路、极性转换电路及正负稳压电路；
所述正稳压电路用于将电源电压调整为+3V的稳定直流电压；
所述极性转换电路用于将正稳压电路得到的+3V电压变为-3V电压；
所述正负稳压电路用于得到士3V的双稳电压。
与现有技术相比，本发明提供的仿生滤波器，其仿生生物的听觉系统，能实现微弱信号的检测，且推广应用前景广阔，不仅适用于水中目标水声特性的高精度检测与估计，还可以推而广之到空间磁场、电场乃至地震波场等多种领域。不仅适用于一维空间的场信号检测，还可以推广到二维乃至多维信号检测估计。
附图说明
图1为本发明提供的仿生梳状滤波器的系统框图；
图2为电源电路的电路原理图；
图3为一级滤波放大电路和二级滤波放大电路的电路原理图；
图4为窄带滤波电路的电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
除非另外定义本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
参照图1，本发明提供了一种仿生梳状滤波器，包括电源电路、单片机10、信号探测器20、一级滤波放大电路1、二级滤波放大电路2、窄带滤波电路3、射随器4、检波平滑电路5和通道选择开关电路6；电源电路用于为该仿生梳状滤波器中的各电路结构供电；信号探测器20用于探测周围的信号，并根据探测结果输出电压信号给一级滤波放大电路1；一级滤波放大电路1用于对信号探测器20输出的电压信号进行初步放大，并进行阻抗变换和滤波，再将信号输出给二级滤波放大电路2；二级滤波放大电路2用于对一级滤波放大电路1输出的信号再次放大，并将放大后的信号输出给窄带滤波电路3；窄带滤波电路3用于对二级滤波放大电路2输出的信号进行窄带滤波，并且，窄带滤波电路3以单片机10给出的中心频率来进行窄带滤波；窄带滤波电路3输出的信号依次经过射随器4和检波平滑电路5的处理，以及通道选择开关电路6的选择后，由选择的相应通道进入单片机10进行采样、A/D转换和数字信号处理计算；通道选择开关电路6由单片机10控制，单片机10每隔一定时间改变一次中心频率和通道选择，以实现梳状滤波。
优选地，窄带滤波电路3包括有源低通滤波器31和中心频率控制电路32；中心频率控制电路32与单片机10连接，有源低通滤波器31的输入端和输出端分别于二级滤波放大电路2及射随器4连接；中心频率控制电路32根据单片机10输出的PWM信号，得到窄带滤波的中心频率，有源低通滤波器31根据该中心频率进行窄带滤波。
优选地，单片机10为MSC1210单片机10；单片机10输出的PWM信号的频率每0.05s跳变一次，使得窄带滤波的中心频率每0.05s跳变一次；单片机10输出的PWM信号的具有八种不同的频率；相应地，通道选择开关电路6对应于八条信道。
优选地，信号探测器20为声传感器，用于探测周围的声信号。二级滤波放大电路2用于实现信号1000倍增益。
有关生物的听觉系统(如人耳或动物耳)的感声机理的学说是建立在耳蜗解剖学基础之上的，通常可认为声波在外耳和中耳中的传播是简单的线性滤波器，而内耳的耳蜗是重要的声音的感觉器官，可以完成能量的转换，产生神经中枢所能接受的生物电脉冲信号。同时，它也具有很强的信号处理能力，可以将声波中的各种重要信息(如强度、频率、瞬时特征等)转换为听神经生物的电序列的时间－空间分布。特定频率的声音会引起耳蜗底回基底膜的振动，并以行波的方式向蜗顶推移，在推移的过程中基底膜的振动幅度逐渐增大，并在某一特定部位达到最大。然后，迅速衰减并消失，产生最大振动的部位决定于声音的频率，高频声在耳蜗底部，低频声在耳蜗顶部，基底膜对声信号的响应相当于使其通过一系列的低通滤波组。因此，本发明提供的上述仿生梳状滤波器能够仿生生物的听觉系统，以实现微弱信号的检测。
进一步地，该仿生梳状滤波器还包括与单片机10电连接的模式选择电路11、晶振电路12、复位电路13和RS-232串口电路14。该仿生梳状滤波器还包括积分电路7，积分电路7的输入端及输出端分别于通道选择开关电路6及单片机10连接。模式选择电路11可采用模式选择开关来控制MSC1210的编程状态；晶振电路12可采用11.0592M晶振，在保证实现实时采样的前提下，尽可能降低系统能耗；复位电路13用于完成MSC1210的内部复位；RS-232串口电路14用于实现与外部计算机连接。
优选地，电源电路包括电源40、正稳压电路41、极性转换电路42及正负稳压电路43；正稳压电路41用于将电源电压调整为+3V的稳定直流电压；极性转换电路42用于将正稳压电路41得到的+3V电压变为-3V电压；正负稳压电路43用于得到±3V的双稳电压。并且，本发明从低功耗设计的角度出发，设计的电源电路能实现稳压供电，对模拟电路供电可控，空闲时只对单片机10供电，需要启动模拟电路时，再由单片机10发出控制信号经正负稳压电路43给模拟电路上电。
在一个具体实施例中，电源电路如图2所示，采用碱性电池(+4.5V-+6V)供电，电源电路需要实现以下功能：A、使外供单电源产生+3V稳定直流电压，供数字电路使用；B、+3V稳定电压变为士3V双稳电压，提供给模拟电路使用；C、实现双稳电压源供电可控。
本实施例中，UC4采用ICL1761作为稳压变换芯片，通过电阻分压产生+3V的电压，精度0.1％。UC5采用极性反转式DC/DC变换器IL7660实现稳定的正负电源供电。ICL7660型极性反转式DC/DC电源变换器，亦称“泵电源”，其特点是利用电荷泵的原理将正压输入变成反极性的负压输出，即-VS＝－UI。它利用振荡器、模拟开关和泵电容来实现电压极性转换，可将单电源变换成对称输出的双电源，还能实现倍压或多倍压输出，具有电源效率高(空载为99.7％，带负载后为95％)、外围电路简单(仅需两只电容)等优点，从而简化了电源设计。利用ICL7660，可将+3V电源变换成－3V电源。电容可采用漏电小、介质损耗低的10μF钽电容，以提高电源转换效率。Q1采用IRF7509,实现极性转换电路42兼使能开关电路，这样便于实现模拟电路供电可控的同时，还实现单片机10控制引脚高电平使能，所以当上电复位后，整个模拟电路并不工作，只有在单片机10控制使能后模拟电路部分才开始工作，这样的低功耗系统设计更合理有效。
本实施例中，采用的MSC1210这款单片机10，MSC1210集成了AD转换模块、程控放大模块和存储单元，并能够程控输出调制脉宽(PWM)，经中心频率控制模块给出窄带滤波的中心频率。本实施例中采用八个频率的窄带扫描滤波，相应的设计了八条信道，目的是提高系统的稳定性。AD转换在片内完成，软件实现代替专用IC芯片硬件实现，节省了硬件资源，同时，在对AD转换速度要求不高的情况下提高了系统的可靠性。
本实施例中，一级滤波放大电路1及二级滤波放大电路2的原理如图3所示，窄带滤波电路3的原理如图4所示。信号探测器20采用声传感器，声传感器接收到周围声场的信号，输出高阻抗的电压信号，经一级滤波放大电路1初步放大并进行阻抗变换和滤波，再经过二级滤波放大电路2实现信号1000倍增益。有源低通滤波器31和中心频率控制电路32组成了带通滤波(窄带滤波电路3)，其中心频率由MSC1210控制给出，单片机10每隔一定时间(如0.01秒)改变一次频率和信道，这样就实现了低频声信号的梳状滤波，当单片机10运行速度达到一定水平，即中心频率转换足够快，就实现了对信号的时-频采样分析。
图3中，采用两级放大电路，它要完成的任务是把传感器接收到的微弱声电信号放大1000倍。运放U1和U2分别组成滤波放大电路，对电信号进行放大。运放采用低噪声、高精度运算放大器1077，内置差分结构自动调整放大电路的失调电流、失调电压，使无信号输入时，放大电路的输出为0v。放大电路的关键是放大信号的噪声尽量减到最小，以提高精度，本电路里选用高速运放1077，其主要的性能参数是:
1)高的压摆率:90V/us
2)大的增益带宽积:100MHz
3)快的建立时间:土0.1％(在150ns内)
4)电源电压抑制比:66dB
5)输入失调电压:3-10mV
6)平均失调电压漂移:20uV/℃
7)输入失调电流:35-120nA
8)输入阻抗:3-10MΩ。
放大电路的增益分别通过R1、R3和R4、R5的比值调节。C1和R1作用是前置低通滤波，滤除高频噪声，初步提高信噪比，截止频率为1/(2πR3C2)≈724Hz。C2、C4作用是有源滤波的同时提高运算放大电路的Q值。
图4中，UC1是3-8线缓冲转换器，本实施例中采用CMOSCD4051B。UC2是循环计数器，本实施例中采用COMS芯片4024。模拟电路上电后，当单片机给出高电平使能信号到CR端，UC2开始工作。对单片机调制的脉冲信号进行计数。4024有Q1-Q7七位计数长度，本实施例中只使用低三位(Q1-Q3)，这样相当于对输入的脉冲信号进行1/8分频。UC1公共端接地，当ABC三端接收到不同的高低电平信号时，X0-X7八通道循环接地，结合U3及R8、C8-C15，由第三章的分析，得到窄带滤波信号，其中心频率为：
Figure BDA0002745645920000071
本发明提供的仿生梳状滤波器，单片机10产生调制脉宽的脉冲信号(PWM)，经计数器分频电路分频进而控制开关电容电路循环导通，窄带滤波电路3以这个频率为中心频率滤波，经射随器4和检波平滑电路5循相应通道进入单片机10进行采样、A/D转换和数字信号处理计算。单片机10给出的PWM频率每0.05s跳变一次，即每个窄带中心频率每0.05s变一次，循环下来就完成了对信号的梳状滤波。当单片机10主频足够大时，就能够实现实时的梳状滤波，模拟了动物的听觉系统工作原理。
综上，本发明提供的仿生滤波器，其仿生生物的听觉系统，能实现微弱信号的检测，且推广应用前景广阔，不仅适用于水中目标水声特性的高精度检测与估计，还可以推而广之到空间磁场、电场乃至地震波场等多种领域。不仅适用于一维空间的场信号检测，还可以推广到二维乃至多维信号检测估计。
以上所描述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿生梳状滤波器，其特征在于，包括电源电路、单片机(10)、信号探测器(20)、一级滤波放大电路(1)、二级滤波放大电路(2)、窄带滤波电路(3)、射随器(4)、检波平滑电路(5)和通道选择开关电路(6)；
所述电源电路用于为该仿生梳状滤波器中的各电路结构供电；
所述信号探测器(20)用于探测周围的信号，并根据探测结果输出电压信号给所述一级滤波放大电路(1)；
所述一级滤波放大电路(1)用于对所述信号探测器(20)输出的电压信号进行初步放大，并进行阻抗变换和滤波，再将信号输出给所述二级滤波放大电路(2)；
所述二级滤波放大电路(2)用于对所述一级滤波放大电路(1)输出的信号再次放大，并将放大后的信号输出给所述窄带滤波电路(3)；
所述窄带滤波电路(3)用于对所述二级滤波放大电路(2)输出的信号进行窄带滤波，并且，所述窄带滤波电路(3)以所述单片机(10)给出的中心频率来进行窄带滤波；
所述窄带滤波电路(3)输出的信号依次经过所述射随器(4)和检波平滑电路(5)的处理，以及所述通道选择开关电路(6)的选择后，由选择的相应通道进入单片机(10)进行采样、A/D转换和数字信号处理计算；
所述通道选择开关电路(6)由所述单片机(10)控制，所述单片机(10)每隔一定时间改变一次中心频率和通道选择，以实现梳状滤波；
所述窄带滤波电路(3)包括有源低通滤波器(31)和中心频率控制电路(32)；
所述中心频率控制电路(32)与所述单片机(10)连接，所述有源低通滤波器(31)的输入端和输出端分别于所述二级滤波放大电路(2)及射随器(4)连接；
所述中心频率控制电路(32)根据单片机(10)输出的PWM信号，得到窄带滤波的中心频率，所述有源低通滤波器(31)根据该中心频率进行窄带滤波。
2.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述单片机(10)为MSC1210单片机(10)。
3.根据权利要求2所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述单片机(10)输出的PWM信号的频率每0.05s跳变一次，使得窄带滤波的中心频率每0.05s跳变一次。
4.根据权利要求3所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述单片机(10)输出的PWM信号的具有八种不同的频率；相应地，所述通道选择开关电路(6)对应于八条信道。
5.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述信号探测器(20)为声传感器，用于探测周围的声信号。
6.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述二级滤波放大电路(2)用于实现信号1000倍增益。
7.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，还包括与所述单片机(10)电连接的模式选择电路(11)、晶振电路(12)、复位电路(13)和RS-232串口电路(14)。
8.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，还包括积分电路(7)，所述积分电路(7)的输入端及输出端分别于所述通道选择开关电路(6)及单片机(10)连接。
9.根据权利要求1所述的仿生梳状滤波器，其特征在于，所述电源电路包括电源(40)、正稳压电路(41)、极性转换电路(42)及正负稳压电路(43)；
所述正稳压电路(41)用于将电源电压调整为+3V的稳定直流电压；
所述极性转换电路(42)用于将正稳压电路(41)得到的+3V电压变为-3V电压；
所述正负稳压电路(43)用于得到±3V的双稳电压。
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