CN112558048A - 一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统。该系统包括与换能器连接的RF变压器，RF变压器连接有前放电路，前放电路连接有可控增益电路，可控增益电路连接有抗混叠滤波器，抗混叠滤波器与ADC驱动电路连接，ADC驱动电路与ADC转换电路连接。本发明的处理回路采用全差分设计，有效避免了共模干扰以及其它环境噪声的影响，提高了信号的信噪比，有利于微小信号的采集与处理，采用无源的RF变压器进行输入阻抗匹配，不会引起系统噪声，前放电路采用噪声低、功耗小的器件，避免在前放电路以前产生较大的噪声；另一方面通过对电源模块进行改进，保证第一级放大电路处电源的噪声是最低的，有利于提高信号信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及多波束测深仪技术领域，具体涉及一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统。
背景技术
多波束测深系统可以实现超宽覆盖范围的高精度海底深度测量，是一种具有高测量效率、高测量精度、高分辨率的海底地形测量设备，特别适合大面积的扫海测量作业，在海洋测绘等领域具有广泛的应用。
系统工作时，通过发射换能器发射声波，照射测量船下方的一条狭窄水域，声波在水中传播，碰到该水域底部泥沙等界面时发生反射，到达接收换能器的声波包含了水下地形的起伏等信息。通过对回波信号进行固定方向的波束形成、能量积累、幅度相位检测等一系列处理，可以得到与船体航向垂直方向的条带式高密度水深数据，测量沿航线条带内海底地形特征。
发射换能器发射声波经过水体吸收、散射、反射等影响后，到达接收换能器的信号强度非常弱，只有几毫伏甚至微伏级。如何低噪声高精度的放大这些信号是一个关键的难点。
现有技术一般采用以下方法来达到设计目的，首先，接收换能器过来的虽然是差分信号，但是还有一定的共模噪声，一般采用差分转单端的方式消除这些前端的噪声。其次，滤波电路一般采用专用芯片实现，这种专用芯片一般功耗都比较高；再有，接收通道的高精度要求，即通道的幅度与相位一致性对系统性能影响较大，目前传统的设计对一致性要求需要进一步提高。现有电路的设计虽然能实现产品的功能，但是最终产品的性能差强人意，现有的传统技术不能进一步提高产品的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统。
为实现上述目的，本发明提供了一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，包括与换能器连接的RF变压器，所述RF变压器连接有前放电路，所述前放电路连接有可控增益电路，所述可控增益电路连接有抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器与ADC驱动电路连接，所述ADC驱动电路与ADC转换电路连接。
进一步的，还包括电源模块，所述电源模块包括与外部供电电源连接的第一DC-DC模块和第二DC-DC模块，所述第一DC-DC模块和第二DC-DC模块分别用以输出正5V电压和负5V电压，所述第一DC-DC模块连接有第一LDO模块和第二LDO模块，所述第一LDO模块和第二LDO模块用于分别输出正4.5V和3.3V电压，所述第二DC-DC模块连接有第三LDO模块，所述第三LDO模块用以输出负4.5V电压，所述第一LDO模块和第三LDO模块分别与前放电路、可控增益电路、抗混叠滤波器和ADC驱动电路连接，所述第二LDO模块与ADC转换电路连接。
进一步的，所述第一LDO模块和第三LDO模块与ADC驱动电路之间连接有一级滤波电路，且其与抗混叠滤波器之间连接有二级滤波电路，所述第一LDO模块和第三LDO模块与可控增益电路之间连接有三级滤波电路，且其与前放电路之间连接有四级滤波电路。
进一步的，所述第一DC-DC模块与第一LDO模块和第二LDO模块之间以及第二DC-DC模块与第三LDO模块之间均连接有电感。
进一步的，所述ADC转换电路包括AD芯片，所述AD芯片连接有数字接地区和模拟接地区，所述数字接地区与模拟接地区之间设有隔离区，所述数字接地区与模拟接地区之间通过0欧姆电阻进行桥接。
进一步的，所述前放电路包括型号为LTC6363的差分放大器。
有益效果：本发明一方面通过对信号处理回路进行改进，采用全差分设计，有效避免了共模干扰以及其它环境噪声的影响，提高了信号的信噪比，有利于微小信号的采集与处理，采用无源的RF变压器进行输入阻抗匹配，不会引起系统噪声，前放电路采用噪声低、功耗小的器件，避免在前放电路以前产生较大的噪声；另一方面通过对电源模块进行改进，保证第一级放大电路处电源的噪声是最低的，有利于提高信号信噪比。
附图说明
图1是多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统的原理框图；
图2是RF变压器与前放电路的电路图；
图3是电源模块的原理框图；
图4是数字接地区与模拟接地区的设置示意图；
图5是多波束接收机系统的各通道的回流地的设置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1至4所示，本发明实施例提供了一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，包括与换能器连接的RF变压器1，RF变压器1连接有前放电路2，前放电路2连接有可控增益电路3，可控增益电路3连接有抗混叠滤波器4，抗混叠滤波器4与ADC驱动电路5连接，ADC驱动电路5与ADC转换电路6连接。信号从换能器输入后，首先进入RF变压器1进行阻抗匹配，RF变压器1为无源器件，不会引入系统噪声，对于低噪声系统尤为重要。然后进入前放电路2进行前级放大，前放电路2优选采用型号为LTC6363的差分放大器，该器件该器件电压噪声密度为2.9nV/Hz，静态电流为2.0mA，具有噪声低，功耗小，对于微小信号放大非常有利。前放电路2输出信号进入可控增益电路3进行时间控制放大倍数，这样能保证多波束系统中间与边缘波束的回波能量均衡。最后，放大后的信号依次进入抗混叠滤波器4和ADC驱动电路5，便于信号无失真的采集。
还包括电源模块，电源模块包括与外部供电电源连接的第一DC-DC模块7和第二DC-DC模块8，其中，外部供电电源的输入电压优选为48V，第一DC-DC模块7和第二DC-DC模块8分别用以输出正5V电压和负5V电压，第一DC-DC模块7连接有第一LDO模块9和第二LDO模块10，第一LDO模块9和第二LDO模块10用于分别输出正4.5V和3.3V电压，第二DC-DC模块8连接有第三LDO模块11，第三LDO模块11用以输出负4.5V电压，第一LDO模块9和第三LDO模块11分别与前放电路2、可控增益电路3、抗混叠滤波器4和ADC驱动电路5连接，第二LDO模块10与ADC转换电路6连接。
在第一LDO模块9和第三LDO模块11与ADC驱动电路5之间连接有一级滤波电路，且其与抗混叠滤波器4之间连接有二级滤波电路，第一LDO模块9和第三LDO模块11与可控增益电路3之间连接有三级滤波电路，且其与前放电路2之间连接有四级滤波电路。在给通道各级放大电路的供电上，我们采用供电方向与信号流向相反的方式，这样可以对各级放大电路的供电逐级滤波，保证第一级放大电路处电源的噪声是最低的，有利于提高信号信噪比。需要说明的是，滤波电路为RC滤波电路，一级滤波电路即采用一组RC滤波电路，二级滤波电路即采用二组RC滤波电路，依次类推。
在第一DC-DC模块7与第一LDO模块9和第二LDO模块10之间以及第二DC-DC模块8与第三LDO模块11之间均连接有电感。这样有助于电源的清洁，不至于干扰后面的模拟处理电路。
ADC转换电路6包括AD芯片，AD芯片连接有数字接地区和模拟接地区，数字接地区与模拟接地区之间设有隔离区，隔离区是在画PCB时给人为隔离出来的，隔离区不铺铜(没有任何参考地，最好模拟或数字信号线多不要走中间穿过)。数字接地区、模拟接地区分开保证各自独立的回流路径，数字接地区与模拟接地区之间通过0欧姆电阻进行桥接，保证电位的一致。
此外，现有的多波束接收机系统的接收电路由64通道组成，为了保证通道间的隔离度，如图5所示，本发明采用各通道的回流地隔离的方式，并在LDO处地汇合，这样可以保证通道间回流路径的独立性，降低信号回流的相互干扰。另外在电路板的元器件布局层，各通道用屏蔽罩屏蔽，进一步降低通道间的信号串扰，提高通道的隔离度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，其它未具体描述的部分，属于现有技术或公知常识。在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，包括与换能器连接的RF变压器，所述RF变压器连接有前放电路，所述前放电路连接有可控增益电路，所述可控增益电路连接有抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器与ADC驱动电路连接，所述ADC驱动电路与ADC转换电路连接。
2.根据权利要求1所述的多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块包括与外部供电电源连接的第一DC-DC模块和第二DC-DC模块，所述第一DC-DC模块和第二DC-DC模块分别用以输出正5V电压和负5V电压，所述第一DC-DC模块连接有第一LDO模块和第二LDO模块，所述第一LDO模块和第二LDO模块用于分别输出正4.5V和3.3V电压，所述第二DC-DC模块连接有第三LDO模块，所述第三LDO模块用以输出负4.5V电压，所述第一LDO模块和第三LDO模块分别与前放电路、可控增益电路、抗混叠滤波器和ADC驱动电路连接，所述第二LDO模块与ADC转换电路连接。
3.根据权利要求2所述的多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，所述第一LDO模块和第三LDO模块与ADC驱动电路之间连接有一级滤波电路，且其与抗混叠滤波器之间连接有二级滤波电路，所述第一LDO模块和第三LDO模块与可控增益电路之间连接有三级滤波电路，且其与前放电路之间连接有四级滤波电路。
4.根据权利要求2所述的多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，所述第一DC-DC模块与第一LDO模块和第二LDO模块之间以及第二DC-DC模块与第三LDO模块之间均连接有电感。
5.根据权利要求1所述的多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，所述ADC转换电路包括AD芯片，所述AD芯片连接有数字接地区和模拟接地区，所述数字接地区与模拟接地区之间设有隔离区，所述数字接地区与模拟接地区之间通过0欧姆电阻进行桥接。
6.根据权利要求1所述的多波束测深仪的低噪声高精度信号处理系统，其特征在于，所述前放电路包括型号为LTC6363的差分放大器。
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