CN204810239U - 一种水下通信前置滤波电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下通信前置滤波电路，包括：前级缓冲电路、五阶无源LC椭圆带通滤波电路、第一后级缓冲电路、第二后级缓冲电路、电源滤波电路、两级深度限幅放大电路、四阶有源RC低通滤波电路、差分放大电路以及信号的第一输出端、第二输出端和第三输出端；使用本实用新型能够滤除带外噪声信号，提高信号信噪比，同时有三个信号的输出端，满足后级接收端对信号进行不同处理以实现不同的功能。

Description

一种水下通信前置滤波电路

技术领域

本实用新型涉及水下通信领域，具体涉及一种水下通信前置滤波电路。

背景技术

因为无线电信号无法在水下远距离传输，水下通信主要通过水声通信来传输，完成水声通信的装置叫通信声纳，每台通信声纳都具备发射和接收功能。

两台通信声纳互相通信时，发送端的通信声纳将语音或文字经过DSP信号处理后，生成特定的水声信号，经过DA转换、缓冲放大后经发射机发射出去，然后通过海洋信道经过远距离传输后，水声信号被远方的接收端的通信声纳换能器接收，接收后经过前置放大、前置滤波、自动增益放大、缓冲放大、AD采样和DSP信号处理等一系列的特殊处理后恢复出语音和文字。

接收端的通信声纳换能器拾取水下远方传来的水声信号，由于海洋水声信道噪声的存在，经过远距离传输后的水声信号非常微弱，信噪比很差，所以首先要经过前置放大板将小至微伏级的小信号放大到毫伏级以上。但放大后的信号噪声很大，不利于接收端信号的恢复，因此，必须经过前置滤波板进行滤波，滤除带外噪声信号，提高信号信噪比。

用于水下通信的前置滤波板，除了满足滤波效果外，还需要将滤波后的信号经过不同的处理形成多路信号，输出到后级分别进行进一步的处理；此外，在形成多路信号时，还要考虑前置滤波板的结构设计合理，能够适合水下通信；现有的前置滤波板很难满足这两个要求。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种水下通信前置滤波电路，能够滤除带外噪声信号，提高信号信噪比，同时有三个信号的输出端，满足后级接收端对信号进行不同处理以实现不同的功能。

该一种水下通信前置滤波电路，用于向后级电路和信号处理平台提供输入信号，其包括：前级缓冲电路、五阶无源LC椭圆带通滤波电路、第一后级缓冲电路、第二后级缓冲电路、电源滤波电路、两级深度限幅放大电路、四阶有源RC低通滤波电路、差分放大电路以及该水下通信前置滤波电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端；

水声信号接入到前级缓冲电路的输入端；前级缓冲电路的输出端与电容C₅的一端相连，电容C₅的另一端连接五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端；五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电容C₄串联后与第一后级缓冲电路的输入端相连，电源滤波电路接入到第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的电源的正端和负端之间，第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的输出端为本水下通信前置滤波电路的第一输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端进一步与电容C₃₅串联后连接第二后级缓冲电路的输入端，第二后级缓冲电路的输出端与电容C₃₆、电阻R₆依次串联后与第一级深度限幅电路的输入端相连；第一级深度限幅电路的输出端与电容C₂₃、电阻R₉依次串联后与第二级深度限幅电路的输入端相连；第二级深度限幅电路的输出端与电容C₂₄的一端相连，电容C₂₄的另一端与四阶有源RC低通滤波器的输入端相连；四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₇、电阻R₃₀依次串联，电阻R₃₀未连接电容C₃₇的一端作为该水下通信前置滤波电路的第二输出端；

四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₈、电阻R₂₅依次串联后与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端作为该水下通信前置滤波电路的第三输出端；

定义形式为A//B的符号表示A和B并联；电阻R₄的一端为所述五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端，电阻R₄的另一端和电感L₁串联后与并联电容C₆//C₇的一端相连，并联电容C₆//C₇的另一端与电感L₂、L₃和L₄的一端依次相连；电感L₄的另一端与并联电容C₁₃//C₁₄的一端相连；并联电容C₁₃//C₁₄的另一端与电感L₅、L₆和L₇的一端依次相连；电感L₇的另一端与并联电容C₂₀//C₂₁的一端相连；并联电容C₂₀//C₂₁的另一端为五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电阻R5串联后与地端相连；

电感L₂的另一端与并联电容C₈//C₉的一端相连，电感L₃的另一端与并联电容C₁₁//C₁₂的一端相连，电感L₅的另一端与并联电容C₁₅//C₁₆的一端相连，电感L₆的另一端与并联电容C₁₈//C₁₉的一端相连；并联电容C₈//C₉的另一端、并联电容C₁₁//C₁₂的另一端、并联电容C₁₅//C₁₆的另一端和并联电容C₁₈//C₁₉的另一端均接地；

该水下通信前置滤波电路三个输出端输出的信号用于向后级电路和信号处理平台提供输入信号。

优选地，电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆和L₇为电感值可调的电感。

优选地，所述两级深度限幅电路采用相同的结构，每级的深度限幅电路均由两个单向二极管反向并联，组成一个双向二极管，然后双向二极管与一个电阻并联后连接在双电源反向放大器的负极输入端和输出端之间，双电源反向放大器的正极输入端与一个电阻串联后接地；双电源反向放大器的电源正极与+15V的电源相连，电源负极与-15V的电源相连。

优选地，四阶有源RC低通滤波电路由两个RC二阶有源低通滤波电路串联构成。

有益效果：

1、本实用新型各个子电路之间均通过一个电容连接，具有很好的“隔直耦合”作用；在水下通信时，接收端接收到的水声信号通过前置放大板电路放大后的信号弱，噪声大且信噪比低，而LC滤波器具有自噪声小，滤波性能优越的特点，所以本实用新型采用LC无源椭圆带通滤波器，可以有效抑制带外噪声，提高信噪比。

LC无源椭圆带通滤波器的阶数由传输系数表达式中关于频率ω代数式的最高次数确定，阶数过小，无法实现有效滤波，阶数过大，工程实现困难；本实用新型结合水声信号的特点，通过综合考虑滤波效果和工程应用效果，选用五阶无源LC椭圆带通滤波电路，可以得到较高的信噪比信号，同时易于工程实现和工程实际应用。

2、在五阶无源LC椭圆带通滤波电路中采用二个电容并联和可调电感，实现对滤波器截止频率和平坦度的调整，优化滤波性能，以达到最佳的滤波效果。

3、深度限幅放大电路和四阶有源RC低通滤波模块的主要作用是将滤波后的信号放大到DSP信号处理平台容易处理的幅度，由于有限幅的作用，一定程度上起到类似自动增益放大的作用，使输出的幅度一致。由于限幅，信号产生失真，利用四阶RC有源滤波器抑制谐波成分，恢复有用成分。

4、本实用新型的前置滤波电路有三个输出端，，分别将信号传输到不同的信号处理电路和平台上，具有较强的普适性；第一输出端输出的信号输入到后续信号处理中的自动增益放大电路中；第二输出端输出的信号输入到后续信号处理的自检电路中，实现对整个信号处理过程的自检；第三输出端输出的差分信号抗干扰能力强，能够进行高效远距离传输，差分信号输入到DSP信号处理单元中。

附图说明

图1为本发明水下通信前置滤波电路的电路图。

图2为图1中前级缓冲电路的放大图。

图3为图1中五阶无源LC椭圆带通滤波电路的放大图。

图4为图1中第一后级缓冲电路、第二后级缓冲电路、电源滤波电路和第一输出端的放大图。

图5为图1中两级深度限幅放大电路的放大图。

图6为图1中四阶有源RC低通滤波电路的放大图。

图7为图1中差分放大电路、第二输出端和第三输出端的放大图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实用新型提供了一种水下通信前置滤波电路，如图1所述，前置滤波电路包括：前级缓冲电路、五阶无源LC椭圆带通滤波电路、第一后级缓冲电路、第二后级缓冲电路、电源滤波电路、两级深度限幅放大电路、四阶有源RC低通滤波电路、差分放大电路以及信号的第一输出端、第二输出端和第三输出端；

水声信号接入到前级缓冲电路的输入端；前级缓冲电路的输出端与电容C₅的一端相连，电容C₅的另一端连接五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端；五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电容C₄串联后与第一后级缓冲电路的输入端相连，电源滤波电路接入到第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的电源的正端和负端之间，第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的输出端为该水下通信前置滤波电路的第一输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端进一步与电容C₃₅串联后连接第二后级缓冲电路的输入端，第二后级缓冲电路的输出端与电容C₃₆、电阻R₆依次串联后与第一级深度限幅电路的输入端相连；第一级深度限幅电路的输出端与电容C₂₃、电阻R₉依次串联后与第二级深度限幅电路的输入端相连；第二级深度限幅电路的输出端与电容C₂₄的一端相连，电容C₂₄的另一端与四阶有源RC低通滤波器的输入端相连；四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₇、电阻R₃₀依次串联，电阻R₃₀未连接电容C₃₇的一端作为该水下通信前置滤波电路的第二输出端；

四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₈、电阻R₂₅依次串联后与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端作为该水下通信前置滤波电路的第三输出端。

五阶无源LC椭圆带通滤波电路结构：

定义形式为A//B的符号表示A和B并联；

电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆和L₇采用电感值可调的电感；

如图3所示，电阻R₄的一端为五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端，电阻R₄的另一端和电感L₁串联后与并联电容C₆//C₇的一端相连，并联电容C₆//C₇的另一端与电感L₂、L₃和L₄的一端依次相连；电感L₄的另一端与并联电容C₁₃//C₁₄的一端相连；并联电容C₁₃//C₁₄的另一端与电感L₅、L₆和L₇的一端依次相连；电感L₇的另一端与并联电容C₂₀//C₂₁的一端相连；并联电容C₂₀//C₂₁的另一端为五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电阻R5串联后与地端相连；

电感L₂的另一端与并联电容C₈//C₉的一端相连，电感L₃的另一端与并联电容C₁₁//C₁₂的一端相连，电感L₅的另一端与并联电容C₁₅//C₁₆的一端相连，电感L₆的另一端与并联电容C₁₈//C₁₉的一端相连；并联电容C₈//C₉的另一端、并联电容C₁₁//C₁₂的另一端、并联电容C₁₅//C₁₆的另一端和并联电容C₁₈//C₁₉的另一端均接入地端。

两级深度限幅电路结构：

如图5所示，两级深度限幅电路采用相同的结构，以第一级深度限幅电路为例：

单向二极管V1和V2反向并联组成一个双向二极管，然后双向二极管与电阻R₇并联后连接在双电源反向放大器N2A的负极输入端和输出端之间，双电源反向放大器N2A的正极输入端与电阻R₈串联后接入地端；双电源反向放大器N2A的电源正极与+15V的电源相连，电源负极与-15V的电源相连。

四阶有源RC低通滤波电路结构：

如图6所示，四阶有源RC低通滤波电路由两个RC二阶有源低通滤波电路串联构成。

每个RC二阶有源低通滤波电路由三个电阻、两个电容和一个运算放大器构成；以第一个RC二阶有源低通滤波电路为例：

RC二阶有源低通滤波电路的输入端为电阻R₁₂的一端；电阻R₁₂的另一端、电阻R₁₃的一端、电阻R₁₄的一端和电容C₂₅的一端连接在一个节点上；电阻R₁₃的另一端与电容C₂₆的一端相连后接入到运算放大器N2C的输出端上；电阻R₁₄的另一端与电容C₂₆的另一端相连后接入得到运算放大器N2C的负极输入端，电容C₂₅的另一端和运算放大器N2C的正极输入端均与地端相连；运算放大器N2C的输出端为RC二阶有源低通滤波电路的输出端。

水下通信前置滤波电路的三个输出端：

参见图4和图7，该水下通信前置滤波电路三个输出端输出的信号用于向后级电路中的三个不同信号处理平台提供的输入信号：信号的第一输出端接入自动增益放大器；信号的第二输出端接入自检电路；信号的第三输出端接入DSP平台进行AD采样等信号处理。

本实用新型电路的工作原理：

电流信号通过前级缓冲电路的输入端接入到整个前置滤波电路中，然后由前级缓冲电路的输出端通过电容C₅接入五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端，调整电感L₁～L₇的电感值达到最佳的滤波效果，五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端输出A、B两路输出，A路输出信号依次通过电容C₄、第一后级缓冲电路和电源滤波电路后作为信号的第一输出端，输入到后续信号处理中的自动增益放大电路中；

B路输出信号依次通过电容C₃₅、第二后级缓冲电路、电容C₃₆后接入到第一级和第二级深度限幅电路中，经过深度限幅电路后的信号平稳，适用于AD采用；第二级深度限幅电路的输出信号通过电容C₂₄接入到四阶RC有源低通滤波器后输出C、D两路信号，C路信号通过电容C₃₇和电阻R₃₀后作为信号的第二输出端，输入到后续信号处理的自检电路中，实现对整个信号处理过程的自检；

D路信号通过电容C₃₇和电阻R₂₅后接入差分放大电路中差分放大电路的输出端作为信号的第三输出端，经过第三输出端输出的差分信号抗干扰能力强，适合远距离传输，差分信号接入到后续信号处理的DSP平台中进行AD采样。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下通信前置滤波电路，用于向后级电路和信号处理平台提供输入信号，其特征在于，包括：前级缓冲电路、五阶无源LC椭圆带通滤波电路、第一后级缓冲电路、第二后级缓冲电路、电源滤波电路、两级深度限幅放大电路、四阶有源RC低通滤波电路、差分放大电路以及该水下通信前置滤波电路的第一输出端、第二输出端和第三输出端；

水声信号接入到前级缓冲电路的输入端；前级缓冲电路的输出端与电容C₅的一端相连，电容C₅的另一端连接五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端；五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电容C₄串联后与第一后级缓冲电路的输入端相连，电源滤波电路接入到第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的电源的正端和负端之间，第一后级缓冲电路中的双电源反向放大器N1A的输出端为本水下通信前置滤波电路的第一输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端进一步与电容C₃₅串联后连接第二后级缓冲电路的输入端，第二后级缓冲电路的输出端与电容C₃₆、电阻R₆依次串联后与第一级深度限幅电路的输入端相连；第一级深度限幅电路的输出端与电容C₂₃、电阻R₉依次串联后与第二级深度限幅电路的输入端相连；第二级深度限幅电路的输出端与电容C₂₄的一端相连，电容C₂₄的另一端与四阶有源RC低通滤波器的输入端相连；四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₇、电阻R₃₀依次串联，电阻R₃₀未连接电容C₃₇的一端作为该水下通信前置滤波电路的第二输出端；

四阶有源RC低通滤波器的输出端与电容C₃₈、电阻R₂₅依次串联后与差分放大电路的输入端相连，差分放大电路的输出端作为该水下通信前置滤波电路的第三输出端；

定义形式为A//B的符号表示A和B并联；电阻R₄的一端为所述五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输入端，电阻R₄的另一端和电感L₁串联后与并联电容C₆//C₇的一端相连，并联电容C₆//C₇的另一端与电感L₂、L₃和L₄的一端依次相连；电感L₄的另一端与并联电容C₁₃//C₁₄的一端相连；并联电容C₁₃//C₁₄的另一端与电感L₅、L₆和L₇的一端依次相连；电感L₇的另一端与并联电容C₂₀//C₂₁的一端相连；并联电容C₂₀//C₂₁的另一端为五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端；

五阶无源LC椭圆带通滤波电路的输出端与电阻R5串联后与地端相连；

电感L₂的另一端与并联电容C₈//C₉的一端相连，电感L₃的另一端与并联电容C₁₁//C₁₂的一端相连，电感L₅的另一端与并联电容C₁₅//C₁₆的一端相连，电感L₆的另一端与并联电容C₁₈//C₁₉的一端相连；并联电容C₈//C₉的另一端、并联电容C₁₁//C₁₂的另一端、并联电容C₁₅//C₁₆的另一端和并联电容C₁₈//C₁₉的另一端均接地；

该水下通信前置滤波电路三个输出端输出的信号用于向后级电路和信号处理平台提供输入信号。

2.如权利要求1所述的一种水下通信前置滤波电路，其特征在于，电感L₁、L₂、L₃、L₄、L₅、L₆和L₇为电感值可调的电感。

3.如权利要求1所述的一种水下通信前置滤波电路，其特征在于，所述两级深度限幅电路采用相同的结构，每级的深度限幅电路均由两个单向二极管反向并联，组成一个双向二极管，然后双向二极管与一个电阻并联后连接在双电源反向放大器的负极输入端和输出端之间，双电源反向放大器的正极输入端与一个电阻串联后接地；双电源反向放大器的电源正极与+15V的电源相连，电源负极与-15V的电源相连。

4.如权利要求1所述的一种水下通信前置滤波电路，其特征在于，四阶有源RC低通滤波电路由两个RC二阶有源低通滤波电路串联构成。