CN208768075U - 水声通信网络多通道信号仿真转接器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了水声通信网络多通道信号仿真转接器，包括至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路；所述发射转换通道包括限幅放大电路、带通滤波电路和线性放大电路；所述接收转换通道包括低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路；所述电源管理电路用于对限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路进行供电。本实用新型通过该水声通信网络多通道信号仿真转接器可将多通道信号源和采集卡同时与相应N个水声Modem信号处理板相连，满足多节点水声通信网络仿真的需求。

Description

水声通信网络多通道信号仿真转接器

技术领域

本实用新型涉及水声信道仿真技术领域，特别是水声通信网络多通道信号仿真转接器。

背景技术

随着现代科学技术的发展，人类在陆地空间可以通过各种高速可靠的通信方式进行沟通，但是，在被称为海洋世纪的今天，人类活动越来越多的向海洋发展，随着各种海洋开发活动的日益增多以及军事斗争的实际需求，水下通信变的越来越重要。

目前，无线水声通信技术是水下通信的最主要手段，水声通信是利用声波的机械振动以波的形式在水中传播的原理来机进行数据或控制信息的传输，水声通信技术虽然与无线电通信技术有一定的相似之处，但是在通信宽带、数据率、系统稳定性等性能指标以及系统组成结构等方面，水声通信与无线电通信有很大差别，在海洋环境下，水声信道具有极其复杂的时变、空变和频变以及强多途、高噪声等特性，是迄今为止最复杂的无线通信信道。水声网络是无线网络和水声通信技术相结合的产物。水声网络的发展主要有两类原因：一是海洋数据收集，二是水下预警。采用水声网络可以在一个较长的时期内把在较大范围内海区内分布的水下设备获取的各类信息通过网络传输汇总而进行实时处理，这样可以大大提高对海洋信息的获取和处理能力。

建立一个水声网络所需要的硬件设备是非常庞大和复杂的，需要的周期也比较长，耗费的资源较多等，由于这些因素的限制影响到了水声网络的发展，且海洋环境下的物理实验系统不但成本高，而且实验内容也受到限制，因此建立完善的水声信道仿真模型具有重大的实际意义。

实用新型内容

本实用新型针对水声通信网络仿真应用要求，设计了一种水声通信网络多通道信号仿真转接器，通过该水声通信网络多通道信号仿真转接器可将多通道信号源和采集卡同时与相应N个水声Modem信号处理板相连，满足多节点水声通信网络仿真的需求。

实现上述目的本实用新型的技术方案为，一种水声通信网络多通道信号仿真转接器，包括至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路；

所述发射转换通道包括限幅放大电路、带通滤波电路和线性放大电路；

所述限幅放大电路用于对来自水声Modem信号处理板的PWM信号进行信号整形，整形为TTL信号；

所述带通滤波电路用于对经限幅放大电路放大后的TTL信号中的高频成分进行滤波；

所述线性放大电路用于对经带通滤波电路滤除高频后的信号进行幅度放大，然后输出至信号采集卡，且该输出信号与信号采集卡的输入信号幅度相匹配；

所述接收转换通道包括低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路；

所述低通滤波电路用于对信号源输出的信号进行滤波调理；

所述衰减电路用于对经低通滤波电路滤波调理后的信号进行衰减；

所述直流偏置电路用于对经衰减电路衰减后的信号进行直流偏置，然后输出至水声Modem信号处理板的AD输入端，且该输出线号与水声Modem信号处理板的AD输入端的输入信号相匹配；

所述电源管理电路分别与限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路相连，用于对限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路进行供电。

进一步地，所述至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路均固定在电路板上，所述电路板封装在机箱内，所述机箱上固定设有与发射转换通道个数相匹配的PWM输入物理接口和TX输出物理接口，与接收转换通道个数相匹配的RX输入物理接口和AD输出物理接口；所述机箱内封装有与发射转换通道相匹配的发射输入物理接口和发射输出物理接口，与接收转换通道相匹配的接收输入物理接口和接收输出物理接口，所述发射输入物理接口、发射输出物理接口、接收输入物理接口和接收输出物理接口均采用IPEX连接器，所述IPEX连接器固定在电路板上。

进一步地，所述接收转换通道和发射转换通道之间具有一定的距离。

进一步地，所述电源管理电路包括变压器、整流桥电路、滤波/储能电路和线性稳压电路，所述变压器的输入端连接220V交流市电，所述变压器的输出端连接整流桥电路的输入端，所述整流桥电路的输出端连接滤波/储能电路的输入端，所述滤波/储能电路的输出端连接线性稳压电路的输入端，所述整流桥电路用于对经变压器降压后的电压进行全波整流，所述滤波/储能电路用于对经全波滤波后的电压进行滤波，所述线性稳压电路采用线性稳压器，所述线性稳压器包括LM317、LM337、LM1117-3-3、LM7805和LM7905型号的线性稳压器，所述LM317用于将电压稳定在+10V/1.5A，所述LM337用于将电压稳定在-10V/1.5A，所述LM1117-3-3用于将电压稳定在+3.3V/800mA，所述LM7805用于将电压稳定在+5V/1.5A，所述LM7905用于将电压稳定在-5V/1.5A。

进一步地，所述限幅放大电路采用高速运放器，所述高速运放器的型号为AD8612。

进一步地，所述带通滤波电路由2阶高通滤波器和6阶低通滤波器构成。

进一步地，所述线性放大电路采用第一运算放大器，所述第一运算放大器的型号为AD823A。

进一步地，所述低通滤波电路采用4阶有源低通滤波器。

进一步地，所述衰减电路采用π型衰减网络结构电路。

进一步地，所述直流偏置电路采用第二运算放大器，所述第二运算放大器的型号为AD8054ARU。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和有益效果是，

1.通过该水声通信网络多通道信号仿真转接器可将多通道信号源和采集卡同时与相应N个水声Modem信号处理板相连，满足多节点水声通信网络仿真的需求。

2.本实用新型中接收转换通道和发射转换通道之间具有一定的距离，以避免相互之间的串扰。

3.本实用新型中机箱内封装有与发射转换通道相匹配的发射输入物理接口和发射输出物理接口，与接收转换通道相匹配的接收输入物理接口和接收输出物理接口，所述发射输入物理接口、发射输出物理接口、接收输入物理接口和接收输出物理接口均采用IPEX连接器，所述IPEX连接器固定在电路板上，IPEX连接器是一种微型同轴连接器，具有体积小、抗干扰能力强的特性；采用IPEX连接器，一方面可获得出色的信号传输质量，另一方面也减小了电路板尺寸。

附图说明

图1是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器的框图示意图；

图2是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器具体实施例的机箱结构示意图；

图3是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器具体实施例的机箱上的物理接口示意图；

图4是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的高速运放器的电路示意图；

图5是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的2阶高通滤波器的电路示意图；

图6是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的6阶低通滤波器的电路示意图；

图7是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的运算放大器的电路示意图；

图8是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的4阶有源低通滤波器的电路示意图；

图9是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的π型衰减网络结构电路的电路示意图；

图10是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的直流偏置电路的电路示意图；

图11是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的电源管理电路的框图示意图；

图12是本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器中的电源管理电路的电路示意图；

图13为本实用新型水声通信网络多通道信号仿真转接器具体实施例的面板接线示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-13所示，一种水声通信网络多通道信号仿真转接器，包括至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路；

所述发射转换通道包括限幅放大电路、带通滤波电路和线性放大电路；

所述限幅放大电路用于对来自水声Modem信号处理板的PWM信号进行信号整形，整形为TTL信号；

所述带通滤波电路用于对经限幅放大电路放大后的TTL信号中的高频成分进行滤波；

所述线性放大电路用于对经带通滤波电路滤除高频后的信号进行幅度放大，然后输出至信号采集卡，且该输出信号与信号采集卡的输入信号幅度相匹配；

所述接收转换通道包括低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路；

所述低通滤波电路用于对信号源输出的信号进行滤波调理；

所述衰减电路用于对经低通滤波电路滤波调理后的信号进行衰减；

所述直流偏置电路用于对经衰减电路衰减后的信号进行直流偏置，然后输出至水声Modem信号处理板的AD输入端，且该输出线号与水声Modem信号处理板的AD输入端的输入信号相匹配；

所述电源管理电路分别与限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路相连，用于对限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路进行供电。

具体实施时，一种水声通信网络多通道信号仿真转接器，包括16个发射转换通道、16个接收转换通道和电源管理电路，且16个发射转换通道、16个接收转换通道和电源管理电路均焊接固定在电路板上，所述电路板封装在机箱内，所述机箱的外形尺寸430mm×430mm×190mm，如图2所示；所述机箱上固定设有与发射转换通道个数相匹配的PWM输入物理接口和TX输出物理接口，与接收转换通道个数相匹配的RX输入物理接口和AD输出物理接口；如图3所示，所述PWM输入物理接口、TX输出物理接口、RX输入物理接口和AD输出物理接口均采用BNC接头；所述机箱内封装有与发射转换通道相匹配的发射输入物理接口和发射输出物理接口，与接收转换通道相匹配的接收输入物理接口和接收输出物理接口，所述发射输入物理接口、发射输出物理接口、接收输入物理接口和接收输出物理接口均采用IPEX连接器，所述IPEX连接器固定在电路板上，IPEX连接器是一种微型同轴连接器，具有体积小、抗干扰能力强的特性；采用IPEX连接器，一方面可获得出色的信号传输质量，另一方面也减小了电路板尺寸；所述接收转换通道和发射转换通道之间具有一定的距离，以避免相互之间的串扰。

所述每个通道均包含一个发射转换通道、一个接收转换通道和电源管理电路，发射转换通道的输入为PWM信号，典型输入幅度为3.3V TTL，支持1.8V～5V TTL输入；发射转换通道包括限幅放大电路、带通滤波电路和线性放大电路；所述限幅放大电路用于对来自水声Modem信号处理板的PWM信号进行信号整形，整形为5V TTL信号；所述限幅放大电路采用高速运放器，所述高速运放器的型号为AD8612，如图4所示；

所述带通滤波电路用于对经限幅放大电路放大后的TTL信号中的高频成分进行滤波，所述带通滤波电路由2阶高通滤波器和6阶低通滤波器构成，带通滤波电路的通频带为2kHz～30kHz±10％，要求带内波动小于2dB，且带通滤波电路为有源滤波电路，2阶高通滤波器如图5所示，6阶低通滤波器如图6所示；

所述线性放大电路用于对经带通滤波电路滤除高频后的信号进行幅度放大，然后输出至信号采集卡，且该输出信号与信号采集卡的输入信号幅度相匹配，所述线性放大电路采用第一运算放大器，所述第一运算放大器的型号为AD823A，如图7所示，所述信号采集卡采用PXIe-4497型信号采集卡；

所述接收转换通道包括低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路；

所述低通滤波电路用于对信号源输出的信号进行滤波调理，所述低通滤波电路为低通输入，带宽30kHz±10％，采用4阶有源低通滤波器，如图8所示，所述信号源采用PXI-6733型信号源；

由于接收转换通道的输入端信号幅度为±10V，而输出端信号幅度为0～3V，因此需要引入衰减电路；根据输入/输出端信号幅度可计算出衰减量为：Att＝20log[(10V-(-10V))/3V]＝15.65dB；所述衰减电路用于对经低通滤波电路滤波调理后的信号进行衰减，所述衰减电路采用π型衰减网络结构电路，如图9所示；

所述直流偏置电路用于对经衰减电路衰减后的信号进行直流偏置，然后输出至水声Modem信号处理板的AD输入端，且该输出线号与水声Modem信号处理板的AD输入端的输入信号相匹配，由于接收转换通道的输出范围为0～3V，直流分量为1.65V，且为低阻输出，所述直流偏置电路采用第二运算放大器，所述第二运算放大器的型号为AD8054ARU，如图10所示；

所述电源管理电路分别与限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路相连，用于对限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路进行供电。

如图11和12所示，所述电源管理电路包括变压器、整流桥电路、滤波/储能电路和线性稳压电路，所述变压器的输入端连接220V交流市电，所述变压器的输出端连接整流桥电路的输入端，所述整流桥电路的输出端连接滤波/储能电路的输入端，所述滤波/储能电路的输出端连接线性稳压电路的输入端，所述整流桥电路用于对经变压器降压后的电压进行全波整流，所述滤波/储能电路用于对经全波滤波后的电压进行滤波，所述线性稳压电路采用线性稳压器，所述线性稳压器包括LM317、LM337、LM1117-3-3、LM7805和LM7905型号的线性稳压器，所述LM317用于将电压稳定在+10V/1.5A，所述LM337用于将电压稳定在-10V/1.5A，所述LM1117-3-3用于将电压稳定在+3.3V/800mA，所述LM7805用于将电压稳定在+5V/1.5A，所述LM7905用于将电压稳定在-5V/1.5A。

工作原理：信号转接器的发射转换通道对来自水声Modem信号处理板的PWM信号进行整形、滤波和放大处理，滤除PWM信号中的高频成分，并将信号幅度放大至±10Vp-p后输出，该输出信号幅度与PXIe-4497型信号采集卡的输入信号幅度要求相匹配。

信号转接器的接收转换通道对来自PXI-6733型信号源的信号进行调理，包括低通滤波、衰减、直流偏置，获得与水声Modem信号处理板输入幅度要求相匹配的信号。

本实用新型将水声Modem信号处理板输出的多个声呐信号同时转换为计算机可采集的信号形式，在计算机中构建水下信道模型，将计算机输出的多个声呐信号转换为水声Modem信号处理板可采集的信号形式，构建了水下信道的半实物仿真环境。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，包括至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路；

所述发射转换通道包括限幅放大电路、带通滤波电路和线性放大电路；

所述限幅放大电路用于对来自水声Modem信号处理板的PWM信号进行信号整形，整形为TTL信号；

所述带通滤波电路用于对经限幅放大电路放大后的TTL信号中的高频成分进行滤波；

所述线性放大电路用于对经带通滤波电路滤除高频后的信号进行幅度放大，然后输出至信号采集卡，且该输出信号与信号采集卡的输入信号幅度相匹配；

所述接收转换通道包括低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路；

所述低通滤波电路用于对信号源输出的信号进行滤波调理；

所述衰减电路用于对经低通滤波电路滤波调理后的信号进行衰减；

所述直流偏置电路用于对经衰减电路衰减后的信号进行直流偏置，然后输出至水声Modem信号处理板的AD输入端，且该输出线号与水声Modem信号处理板的AD输入端的输入信号相匹配；

所述电源管理电路分别与限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路相连，用于对限幅放大电路、带通滤波电路、线性放大电路、低通滤波电路、衰减电路和直流偏置电路进行供电。

2.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述至少一个发射转换通道、至少一个接收转换通道和电源管理电路均固定在电路板上，所述电路板封装在机箱内，所述机箱上固定设有与发射转换通道个数相匹配的PWM输入物理接口和TX输出物理接口，与接收转换通道个数相匹配的RX输入物理接口和AD输出物理接口；所述机箱内封装有与发射转换通道相匹配的发射输入物理接口和发射输出物理接口，与接收转换通道相匹配的接收输入物理接口和接收输出物理接口，所述发射输入物理接口、发射输出物理接口、接收输入物理接口和接收输出物理接口均采用IPEX连接器，所述IPEX连接器固定在电路板上。

3.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述接收转换通道和发射转换通道之间具有一定的距离。

4.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述电源管理电路包括变压器、整流桥电路、滤波/储能电路和线性稳压电路，所述变压器的输入端连接220V交流市电，所述变压器的输出端连接整流桥电路的输入端，所述整流桥电路的输出端连接滤波/储能电路的输入端，所述滤波/储能电路的输出端连接线性稳压电路的输入端，所述整流桥电路用于对经变压器降压后的电压进行全波整流，所述滤波/储能电路用于对经全波滤波后的电压进行滤波，所述线性稳压电路采用线性稳压器，所述线性稳压器包括LM317、LM337、LM1117-3-3、LM7805和LM7905型号的线性稳压器，所述LM317用于将电压稳定在+10V/1.5A，所述LM337用于将电压稳定在-10V/1.5A，所述LM1117-3-3用于将电压稳定在+3.3V/800mA，所述LM7805用于将电压稳定在+5V/1.5A，所述LM7905用于将电压稳定在-5V/1.5A。

5.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述限幅放大电路采用高速运放器，所述高速运放器的型号为AD8612。

6.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述带通滤波电路由2阶高通滤波器和6阶低通滤波器构成。

7.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述线性放大电路采用第一运算放大器，所述第一运算放大器选第一运算放大器的型号为用AD823A。

8.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述低通滤波电路采用4阶有源低通滤波器。

9.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述衰减电路采用π型衰减网络结构电路。

10.根据权利要求1所述的水声通信网络多通道信号仿真转接器，其特征在于，所述直流偏置电路采用第二运算放大器，所述第二运算放大器的型号为AD8054ARU。