CN113433552A - 多信道信号发射和接收电子系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多信道信号发射和接收电子系统，包括：控制中心，用于产生可编程信号；隔离器，用于隔离数字电信号与模拟光信号隔离；H桥驱动器，用于产生驱动信号，并将所述驱动信号发送至功率MOSFET；功率MOSFET，用于接收驱动信号并产生功率开关信号；变压器，用于将功率开关信号由低压变至高压；阻抗匹配网络，用于提高声电转化效率，降低因阻抗不匹配引起的信号反射；换能器，用于产生声波；温度传感器，用于采集温度信息，并将温度信息发送至控制中心；电流取样模块，用于从功率MOSFET中得到功率开关信号的电流值，并发送至控制中心。本发明可以形成一套具有高灵敏度、低噪声、小体积的水声信号采集分析系统。

Description

多信道信号发射和接收电子系统

技术领域

本发明实施例涉及声纳技术领域，尤其涉及一种多信道信号发射和接收电子系统。

背景技术

三维声纳成像在海底地貌测绘，声视觉导航，堤坝的监测，桥墩探伤，管道检测以及海床探测等方面有着广泛的应用。由于水声高分辨率三维侧扫图像声纳中的信号采用的线性调频等调制方式，其信号不再是单一幅度和频率的简单信号，所以水声高分辨率三维侧扫图像声纳中的多信道信号发射电子系统必须要能发射大功率信号,而且大部分是在水下工作,要求其具有大功率、高效率、小体积、程控发射等特点。目前行业的水声信号采集分析系统追求大动态范围等指标，造成系统功耗偏大、噪声偏大、采集精度不高等性能较大影响，不利于图像三维声纳长时间水下作业。因此，开发一种多信道信号发射和接收电子系统，可以有效克服上述相关技术中的缺陷，就成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种多信道信号发射和接收电子系统。

第一方面，本发明的实施例提供了一种多信道信号发射和接收电子系统，包括：控制中心，用于产生可编程信号；隔离器，用于隔离数字电信号与模拟光信号隔离；H桥驱动器，用于产生驱动信号，并将所述驱动信号发送至功率MOSFET；功率MOSFET，用于接收驱动信号并产生功率开关信号；变压器，用于将功率开关信号由低压变至高压；阻抗匹配网络，用于提高声电转化效率，降低因阻抗不匹配引起的信号反射；换能器，用于产生声波；温度传感器，用于采集温度信息，并将温度信息发送至控制中心；电流取样模块，用于从功率MOSFET中得到功率开关信号的电流值，并发送至控制中心。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，还包括：模拟前放板，用于接收换能器输出的模拟信号，并进行放大、滤波、模数转换和解调，转化为适于波束形成的基带数字信号，并将数据打包输出到信号处理机。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述模拟前放板包括：64路模拟通道，用于接收换能器产生的声波，并发送至前置放大器；前置放大器，用于对接收的声波进行放大；时变增益器，用于对放大声波进行增益调节；滤波器，用于对调节增益后的放大声波进行滤波，得到滤波信号；模数转换器，用于将滤波信号从模拟状态转换为数字状态；第一数控单元，用于对接收的数字状态的滤波信号进行解调，并将解调后的数据打包输出；通信接口，用于将解调后的数据对外输出，并将接收的外部数据发送至第一数控单元。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述模拟前放板还包括：系统电源，用于为模拟前放板提供电压。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，还包括：接收机底板，用于连接模拟通道板和子信号处理板之间的信号传输。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板，包括：模拟通道板接口，用于接收模拟通道板发送的信号；第二数控单元，用于对数据进行接收、打包和上传，并对模拟通道板、多信道信号发射电子系统和传感器的信号进行采集与控制；发射机接口，用于连接发射机；处理机接口，用于连接处理机；传感器接口，用于连接传感器。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板还包括：USB接口，用于连接USB设备；GLAN接口，用于连接千兆网卡。

在上述系统实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板还包括：DDR3接口，用于连接DDR3内存；SRAM接口，用于连接SRAM存储器。

第二方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的多信道信号发射和接收电子系统。

第三方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机实现第一方面的各种实现方式中任一种实现方式所提供的多信道信号发射和接收电子系统。

本发明实施例提供的多信道信号发射和接收电子系统，通过将控制中心、隔离器、H桥驱动器、功率MOSFET、变压器、阻抗匹配网络、换能器、温度传感器和电流取样模块进行系统集成，可以形成一套具有较高的高灵敏度、低噪声、低功耗、小体积、通道间幅度相位一致性好、采样精度高、通道数可选等特点的水声信号采集分析系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多信道信号发射和接收电子系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模拟前放板结构示意图；

图4为本发明实施例提供的模拟通道及信号处理结构示意图；

图5为本发明实施例提供的接收机底板结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种多信道信号发射和接收电子系统，参见图1，该系统包括：控制中心，用于产生可编程信号；隔离器，用于隔离数字电信号与模拟光信号隔离；H桥驱动器，用于产生驱动信号，并将所述驱动信号发送至功率MOSFET；功率MOSFET，用于接收驱动信号并产生功率开关信号；变压器，用于将功率开关信号由低压变至高压；阻抗匹配网络，用于提高声电转化效率，降低因阻抗不匹配引起的信号反射；换能器，用于产生声波；温度传感器，用于采集温度信息，并将温度信息发送至控制中心；电流取样模块，用于从功率MOSFET中得到功率开关信号的电流值，并发送至控制中心。

具体地，发射电子系统具有同步输入/输出以及UART串口两个接口。控制中心具有内置的任意波形发生器，用来产生可编程的信号，该信号既可以受外部同步信号的控制，也可以由内部根据可编程的间隔自同步并输出同步信号。该信号送入H桥驱动器，驱动功率MOSFET开关管产生功率开关信号，经变压器升压为高压后送入滤波器/换能器匹配器，而后推动发射换能器产生声波。发射电子系统的控制中心内设有大量寄存器使上位机可以通过RS-232接口对功放进行复杂的设置并得知多信道信号发射电子系统的工作状态。这些寄存器包括扫频起始频率设置、扫频终止频率设置、同步方式设置、输出功率控制、系统监控策略设置等；上位机也可读出功放的工作状态。上位机也可通知功放将所有设置保存在功放的EEPROM中，功放将在上电时将EEPROM内容读出对整机进行配置。因此，在控制中心中包含了寄存器表、UART控制器等功能部件。发射电子系统具有较高的可靠性和极低的静态功耗。通过优化功率器件的工作状态和输出变压器的磁设计，智能多信道信号发射电子系统达到了80%以上的效率。

基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，还包括：模拟前放板，用于接收换能器输出的模拟信号，并进行放大、滤波、模数转换和解调，转化为适于波束形成的基带数字信号，并将数据打包输出到信号处理机。

参见图3，基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述模拟前放板包括：64路模拟通道，用于接收换能器产生的声波，并发送至前置放大器；前置放大器，用于对接收的声波进行放大；时变增益器，用于对放大声波进行增益调节；滤波器，用于对调节增益后的放大声波进行滤波，得到滤波信号；模数转换器，用于将滤波信号从模拟状态转换为数字状态；第一数控单元，用于对接收的数字状态的滤波信号进行解调，并将解调后的数据打包输出；通信接口，用于将解调后的数据对外输出，并将接收的外部数据发送至第一数控单元。

具体地，模拟前放板上主要由64路模拟通道、模拟通道电源、第一数字控制单元（在另一实施例中可以为FPGA）、通信接口、三个前置放大器、三个时变增益器、三个滤波器和三个模数转换器构成。模拟前放板主要功能是接收换能器阵输出的模拟信号，进行放大，滤波，模数转换，解调，转化为适于波束形成算法的基带数字信号，并将数据打包输出到信号处理机。模拟通道电源由低噪声低压差的产生。模拟正电源由TPS74201产生，输入电源电压为+1.5V，输出模拟电源电压为+1.4V。模拟负电源由LT3015产生，输入电源电压为-1.8V，输出模拟电源电压为-1.4V。模数转换器和时变增益器（即TVG）电源由TPS74201产生，输入电源电压为+2.6V，输出模拟电源电压为+2.5V。模拟前放板检测电路由LTC2990构成，可以检测上述的3路模拟电源电压。模拟前放板还有一个负温度系数的热敏电阻，用来检测工作时的环境温度。第一数控制单元采用LATTICE公司的FPGA。FPGA代码存储在SPI-FLASH。模拟通道由高阻抗的三个前置放大器，两级一样的三个时变增益器，两级一样的三个滤波器，和三个模数转换器组成。

高阻抗的前置放大器由低噪声的运放构成，增益为28dB。时变增益器由固定增益放大器和可变衰减器组成，增益为32dB范围内连续可调。前置放大器为低功耗运放组成，可变衰减器的数模转换器组成。滤波器是由运放组成的多路负反馈4阶巴特沃斯有源带通滤波器。模数转换器，转换精度为16Bit，采样率为2MSa/s。

模拟通道及信号处理具体可以参见图4，换能器接收回波信号后转换的电信号经高通滤波器（处于子信号处理板上）滤波后首先送入时变增益器（即TVG）进行放大，该放大器的增益为20dB。信号链的主增益由两部分时变增益器（即TVG）组成，第一部分采用两级程控增益分别实现约0~36dB的可变增益，第二部分为ADC（即模数转换器）内的-5~31dB可变增益放大器，这样可实现总共15~103dB的程控增益。剩下的17dB由数字增益实现。两阶带通滤波器处于两级时变增益器的中间，采用4阶有源带通滤波器组成，其响应函数采用平坦度较好、带外抑制和相位特性较为折衷的巴特沃斯函数，经运放放大后模数转换器（即ADC）将时变增益器的输出转换为数字流输出到FPGA。FPGA将每一通道的数据进行解调，并将所有数据打包输出，然后DAC（即数模转换器）将转换后的模拟电平输入TVG中。所有通道共用由信息处理部分发出的控制信号来调整增益。随着当前ADC技术的发展，高速、高分辨ADC逐渐被广泛的应用。因此可采用12位的ADC。基于Pipeline结构的12位ADC采样率已达到了1GSa/s，且每次采样结果均是独立的。这样就使得用一个ADC采集多路信号成为可能。其中，ADC的采样率为2MSa/s。

基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述模拟前放板还包括：系统电源，用于为模拟前放板提供电压。

基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，还包括：接收机底板，用于连接模拟通道板和子信号处理板之间的信号传输。

参见图5，基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板，包括：模拟通道板接口，用于接收模拟通道板发送的信号；第二数控单元，用于对数据进行接收、打包和上传，并对模拟通道板、多信道信号发射电子系统和传感器的信号进行采集与控制；发射机接口，用于连接发射机；处理机接口，用于连接处理机；传感器接口，用于连接传感器。

参见图5，基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板还包括：USB接口，用于连接USB设备；GLAN接口，用于连接千兆网卡。

参见图5，基于上述系统实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明实施例中提供的多信道信号发射和接收电子系统，所述接收机底板还包括：DDR3接口，用于连接DDR3内存；SRAM接口，用于连接SRAM存储器。

具体地，接收机底板上主要由16路模拟通道板接口，大容量高速存储器，千兆以太网接口，高速SRIO接口，低速通信和同步接口，数字控制单元FPGA构成。接收机底板主要是用来连接模拟通道板和信号处理板之间的信号传输。采用LATTICE公司FPGA（即第二数控单元）为控制核心,负责数据的接收，打包和上传。同时也负责对模拟通道板，多信道信号发射电子系统和传感器的采集与控制。第二数控单元采用FPGA，供电电源由背板直接提供。FPGA代码存储在SPI-FLASH。Serial Rapid I/O 串行接口是用来和信号处理板通信。SerialRapid I/O工作在X1 2.5Gbps速率模式。Serial Rapid I/O通信协议由数字控制单元FPGA产生。千兆以太网主要用来和信号处理板或者上位机通信。以太网MAC协议由数字控制单元FPGA实现。大容量高速存储器单元主要是用来对模拟通道板传上来的数据进行高速缓存，以避免数据丢失。低速通信是用来和上位机或者多信道信号发射电子系统进行通信。通信协议采用RS485差分总线，半双工通信，波特率位9600bps。同步接口使用来接收或者发送同步信号，同步信号包括外同步输入，外同步输出，多信道信号发射电子系统同步输出。接收机底板系统模块实现了接收所有通道的数据，对其进行解调并打包传输的功能。同时，接收机底板系统模块负责提供采集模块所需电源，并通过温度补偿晶体振荡器和锁相环为采集模块提供精确的定时信号。每一个前放模块输出的信号汇总到FPGA（一个FPGA可以挂20个前置放大器模块，稀疏化只需1个FPGA），FPGA将数据缓存在高速SRAM中，并将数据重新打包。打包后的数据实时发送到SERDES接口，通过RapidIO发送到DSP卡。同时，打包后的数据也传送到USB接口，USB接口的数据是非实时的；PC机通过USB接口接收特定帧的数据后进行计算。每个通道的采样率为2MSa/s，因此为降低数据率，在信息汇总模块中进行64倍正交解调和抽取滤波从而得到I、Q两路基带数据。最终输出的数据率为：(2/64)*2*2048*16=2048Gbps。该数据流可通过并行总线或3.125Gbps的串行链路传输给外部的信号处理机。接收机底板系统模块的体积约为150×100×10mm，全功率功耗约为10W，待机时FPGA关闭部分功能模块，功耗约为3W。

本发明实施例提供的多信道信号发射和接收电子系统，通过将控制中心、隔离器、H桥驱动器、功率MOSFET、变压器、阻抗匹配网络、换能器、温度传感器和电流取样模块进行系统集成，可以形成一套具有较高的高灵敏度、低噪声、低功耗、小体积、通道间幅度相位一致性好、采样精度高、通道数可选等特点的水声信号采集分析系统。

本发明实施例提供的多信道信号发射和接收电子系统，通过多通道信号发射和接收电子系统的低功耗小型化设计，使用高性能功率器件，以及合理的匹配使得多信道信号发射电子系统的电效率达90%以上。该系统属于低功耗、小型化的大规模接收电子系统设计采用高速的低位数的AD芯片，接收机与接收阵一体化设计，低功耗完成2000路信号的采集。该系统采用相控发射技术，在垂直或沿航迹向采用多波束相控发射方式（提高探测距离和探测分辨率），接收阵进行波束形成成像。相控发射技术增加了探测距离，提高了测绘精度。

本发明实施例的系统是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图2所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、至少一个存储器(memory)和通信总线，其中，至少一个处理器，通信接口，至少一个存储器通过通信总线完成相互间的通信。至少一个处理器可以调用至少一个存储器中的逻辑指令，以实现系统实施例中提供的各种系统。

此外，上述的至少一个存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的全部系统或部分系统。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）实现各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法或系统。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。基于这种认识，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中 的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用 的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，包括：控制中心，用于产生可编程信号；隔离器，用于隔离数字电信号与模拟光信号隔离；H桥驱动器，用于产生驱动信号，并将所述驱动信号发送至功率MOSFET；功率MOSFET，用于接收驱动信号并产生功率开关信号；变压器，用于将功率开关信号由低压变至高压；阻抗匹配网络，用于提高声电转化效率，降低因阻抗不匹配引起的信号反射；换能器，用于产生声波；温度传感器，用于采集温度信息，并将温度信息发送至控制中心；电流取样模块，用于从功率MOSFET中得到功率开关信号的电流值，并发送至控制中心。

2.根据权利要求1所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，还包括：模拟前放板，用于接收换能器输出的模拟信号，并进行放大、滤波、模数转换和解调，转化为适于波束形成的基带数字信号，并将数据打包输出到信号处理机。

3.根据权利要求2所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，所述模拟前放板包括：64路模拟通道，用于接收换能器产生的声波，并发送至前置放大器；前置放大器，用于对接收的声波进行放大；时变增益器，用于对放大声波进行增益调节；滤波器，用于对调节增益后的放大声波进行滤波，得到滤波信号；模数转换器，用于将滤波信号从模拟状态转换为数字状态；第一数控单元，用于对接收的数字状态的滤波信号进行解调，并将解调后的数据打包输出；通信接口，用于将解调后的数据对外输出，并将接收的外部数据发送至第一数控单元。

4.根据权利要求3所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，所述模拟前放板还包括：系统电源，用于为模拟前放板提供电压。

5.根据权利要求4所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，还包括：接收机底板，用于连接模拟通道板和子信号处理板之间的信号传输。

6.根据权利要求5所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，所述接收机底板，包括：模拟通道板接口，用于接收模拟通道板发送的信号；第二数控单元，用于对数据进行接收、打包和上传，并对模拟通道板、多信道信号发射电子系统和传感器的信号进行采集与控制；发射机接口，用于连接发射机；处理机接口，用于连接处理机；传感器接口，用于连接传感器。

7.根据权利要求6所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，所述接收机底板还包括：USB接口，用于连接USB设备；GLAN接口，用于连接千兆网卡。

8.根据权利要求7所述的多信道信号发射和接收电子系统，其特征在于，所述接收机底板还包括：DDR3接口，用于连接DDR3内存；SRAM接口，用于连接SRAM存储器。

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