鎖相檢波在水聲遙測信號檢測中的應(yīng)用

高守勇 ，常 哲

（1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190；2.水聲對抗國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江524022；3.國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

鎖相檢波在水聲遙測信號檢測中的應(yīng)用

高守勇1,2，常 哲3

（1.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190；2.水聲對抗國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江524022；3.國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

鎖相檢波技術(shù)采用模擬乘法器，對與本地載頻信號頻率一致的輸入信號有強(qiáng)的檢測能力。在分析典型的CW和FSK水聲遙測信號特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)音頻鎖相檢波器NE567的設(shè)計(jì)公式和應(yīng)用要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鎖相檢波模塊，用于多通道遙控測距裝置，湖上和海上實(shí)驗(yàn)證明了應(yīng)用的有效性。

鎖相檢波；CW信號；FSK；帶寬；測距

在水聲工程中，經(jīng)常需要采用CW和FSK信號實(shí)現(xiàn)對水下設(shè)備的遙測、遙控、定位。水聲信號由換能器發(fā)射，海洋信道傳播后到達(dá)水下設(shè)備，由水聽器接收后送到信號檢測電路。信號檢測是實(shí)現(xiàn)水聲遙測、遙控、定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

聲脈沖信號經(jīng)水下遠(yuǎn)距離傳播，由于能量擴(kuò)散和吸收損失將淹沒在海洋環(huán)境噪聲中。傳統(tǒng)信號檢測技術(shù)一般采用高Q值的窄帶濾波器濾除帶外干擾，對預(yù)定的信號進(jìn)行選頻，經(jīng)放大后進(jìn)行檢波形成數(shù)字信號送到單片機(jī)進(jìn)行編碼識別或延時(shí)計(jì)算，存在檢測電路復(fù)雜、調(diào)節(jié)困難、使用靈活性不足和對信噪比要求高、水下測控距離近的問題。對噪聲中頻率已知的微弱信號進(jìn)行檢測最有效的技術(shù)是鎖相放大，典型的鎖相放大器有SIGNAL RECOVERY公司的51、52系列模擬鎖相放大器和72系列數(shù)字鎖相放大器。這些儀器體積龐大、價(jià)格昂貴、功耗較大，一般在實(shí)驗(yàn)室使用。

鎖相放大器的核心是相敏檢波器(PSD)，其實(shí)質(zhì)是模擬乘法器。本文采用基于鎖相環(huán)的音頻檢波器NE567實(shí)現(xiàn)水聲信號檢測，具有頻帶范圍寬、中心頻率穩(wěn)定、帶寬獨(dú)立可調(diào)、抗假信號干擾和帶外噪聲信號抑止能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該鎖相檢波器只需要改變一只電阻的阻值就可以實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)整，實(shí)際使用中采用撥碼開關(guān)選擇不同電阻，就可以實(shí)現(xiàn)對不同水聲信號的匹配，使用簡便，可靠性高。

1 鎖相檢波原理

鎖相環(huán)路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環(huán)（PLL），其特點(diǎn)是利用外部輸入的參考信號控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號的頻率和相位。鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即實(shí)現(xiàn)環(huán)路鎖定。

圖1所示為音頻鎖相檢波器NE567的原理框圖。NE567主要由鑒相器、電流控制振蕩器、正交同步檢波器和放大器組成。

圖1 音頻鎖相譯碼器原理框圖

設(shè)輸入信號為：

當(dāng)輸入信號頻率ωi處于鎖相環(huán)捕捉帶外時(shí)，環(huán)路不能鎖定，電流控制振蕩器CCO的輸出信號Vo（t）頻率ωc由外接元件R1和C1所決定：

送到正交同步相位檢波器，經(jīng)90°移相后為：

該信號作為本地載頻與輸入信號相乘，檢波輸出為：

式中：k為同步檢波器傳輸系數(shù)，輸出信號為ωc±ωi的和、差頻，沒有直流分量，經(jīng)輸出濾波器C3濾除后為0，輸出功放處于截止?fàn)顟B(tài)，鎖相檢波器第8腳為“1”電平，無檢波信號輸出。

當(dāng)輸入信號頻率ωi處于鎖相環(huán)捕捉帶內(nèi)，信號持續(xù)周期數(shù)達(dá)到環(huán)路鎖定要求時(shí)，鎖相環(huán)鎖定，電流控制振蕩器CCO輸出一個(gè)與輸入信號同頻率的信號Vo（t）：

送到正交同步相位檢波器經(jīng)90°移相后為：

該信號作為本地載頻與輸入信號相乘，得

NE567采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)相位檢波，其原理與鎖相放大器相同，對帶外信號和海洋環(huán)境噪聲中的隨機(jī)信號有強(qiáng)的抑制能力，資料[1]表明，輸入信號的信噪比低到-6 dB情況下能夠?qū)崿F(xiàn)可靠檢波。

2 典型水聲遙測信號的特點(diǎn)

2.1 CW和FSK信號

在水聲工程中大量采用CW和FSK信號。CW信號為單頻矩形脈沖信號，是雷達(dá)及聲納中常用的信號形式。FSK（Frequency-shift keying）頻移鍵控為CW信號的組合，是信息傳輸中使用得較早的一種調(diào)制方式，其抗噪聲與抗衰減的性能較好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸中得到了廣泛的應(yīng)用。

水聲遙測、遙控和定位應(yīng)用有同步測距、水聲遙控釋放、超短基線定位和水聲應(yīng)答定位等，典型的水聲裝備如Sonardyne公司的AvTrak2超短基線定位系統(tǒng)、Oceano Technologies公司的 ET861G和 Benthos公司的 TR6000水聲應(yīng)答器。AvTrak2的工作頻率[2]為19～36 kHz，脈沖寬度為10 ms，頻點(diǎn)步長為500 Hz，指令編碼方式為FSK；ET861G的接收頻帶為8～16 kHz，應(yīng)答信號為CW，輔助遙控設(shè)備為TT301。圖2為AvTrak2典型的FSK編碼信號示意圖：

圖2 FSK遙控指令編碼示意圖

如圖2所示，每個(gè)命令字由8個(gè)脈沖組成，每個(gè)脈沖為單頻CW信號，脈寬10 ms，脈沖間隔100 ms，信號頻率F1代表比特“1”，信號頻率 F2代表比特“0”。頻率 F1，F(xiàn)2可以在 19～36 kHz內(nèi)，以0.5 kHz為步長選取。

水聲遙測采用的CW單頻脈沖信號及其時(shí)間系列的組合FSK信號，具有特定的頻率和一定的持續(xù)時(shí)間，具備采用鎖相檢波技術(shù)的基本條件。

2.2 傳播損失

水聲遙測信號由發(fā)射換能器發(fā)出，到達(dá)接收裝置位置時(shí)的傳播損失按球面波衰減加海水吸收為：

式中：r為傳播距離（km）；a為吸收系數(shù)（dB/km）。

對于30 kHz的信號，距離4 km時(shí)可求得的傳播損失為TL=78.6 dB。假設(shè)換能器發(fā)射聲源級為180 dB，海洋環(huán)境噪聲級為110 dB，則距離4 km處接收到的信號信噪比為-8.6 dB。

水聲遙測信號通過海洋信道傳播后在遠(yuǎn)距離信號衰減較大，將淹沒在海洋環(huán)境噪聲中。遠(yuǎn)距離信號檢測需要需要具有合適的放大量和較強(qiáng)的信號檢測能力。

2.3 多普勒頻移

在水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位中，發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的相對運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生多普勒頻移。單向傳輸時(shí)的多普勒頻移為：

式中：v為發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的相對速度；c為聲波的傳播速度；f為信號頻率；φ為相對速度與信號傳輸方向之間的夾角。

對于速度20 kn、運(yùn)動(dòng)方向指向接收點(diǎn)的目標(biāo)，30 kHz信號的頻率偏移為200 Hz。

由于多普勒頻移，信號檢測需要有一定的帶寬。

3 NE567的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)公式

中心頻率f0：

無信號輸入時(shí)，NE567的電流控制振蕩器CCO的自由震蕩頻率由外接元件R1C1決定。其中R1應(yīng)限制在2～20 kΩ的范圍內(nèi)。

捕捉帶寬：

BW的單位為中心頻率的百分?jǐn)?shù)（%），輸入信號Vi≤200 mVrms，Vi的單位為V，C2的單位為μF。一般可選擇C2為C1的2倍，可增加C2的值以減小帶寬，或減小C2的值以增加帶寬。

NE567無信號輸入時(shí)，CCO將以f0為中心，BW為帶寬自由振蕩，在引腳5上可獲得性能極佳的方波。電路調(diào)試時(shí)可以監(jiān)測該方波信號的頻率變化復(fù)范圍。

3.2 捕捉速度與帶寬

環(huán)路的最小鎖定時(shí)間與自由震蕩頻率有關(guān)并且和帶寬有關(guān)。信號檢測中一般希望以較小的帶寬抑制帶外信號干擾，又要有較快的捕捉速度。NE567不丟失信息的最高速度是每位10個(gè)周期，相應(yīng)的信息傳輸速率為f0/10 bit。在不同帶寬和中心頻率下，滿足系統(tǒng)最大捕捉速度的濾波電容值為：

靠增加C2容量來減小頻帶寬度，會使捕捉時(shí)間增長。設(shè)計(jì)捕捉帶寬時(shí)要考慮捕捉速度要求。另外，還要選擇合適的頻率和脈沖寬度，一般每位信息要有20個(gè)信號周期。

3.3 低通濾波電容選擇

檢測帶寬由環(huán)路低通濾波電容C2和輸入電壓Vi確定，但一般不用公式計(jì)算，而是根據(jù)圖3所示的捕捉帶寬與輸入信號幅度關(guān)系曲線來確定。已知輸入信號頻率、幅度和必須的捕捉帶寬，可由圖3確定 f0·C2的值，其中f0的單位為Hz,C2的單位為μF。

圖3 捕捉帶寬與輸入信號幅度關(guān)系[1]

由圖3可知，當(dāng)輸入電壓低于200 mV rms時(shí)，隨著輸入信號幅度提高，捕捉帶寬增大。當(dāng)輸入電壓大于200 mV rms時(shí)，捕捉帶寬恒定，不再隨輸入電壓幅度變化。設(shè)計(jì)時(shí)將NE567的輸入電壓控制在200 mV rms以下，可以得到更小的帶寬。

3.4 帶外諧波信號抑制

NE567 在高次諧波（2n+1）f0信號附近鎖定，并在（4n+1）f0附近會有輸出（n=0，1，2...）。如果先接收到5f0或9f0的信號，就會引起不必要的輸出。另外在輸入信號電壓較高的情況下，NE567對f0/3，f0/5信號的諧波敏感。因此，在NE567輸入級的前端需要設(shè)置帶通濾波器抑制帶外諧波信號干擾。

4 鎖相檢波在遙控測距中的應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)對水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多方位精確測距，在目標(biāo)上安裝Sonardyne公司8065型應(yīng)答器，研制一套多通道遙控測距裝置，接收8065應(yīng)答器的應(yīng)答信號，通過計(jì)算延時(shí)解算目標(biāo)相對每個(gè)測量水聽器的距離。8065應(yīng)答器接收詢問信號為雙脈沖，應(yīng)答信號為CW脈沖，可設(shè)置CW信號參數(shù)。

圖4 鎖相譯碼電路圖

圖4 所示為基于NE567的鎖相檢波電路圖。其中U1A為濾波器，用于實(shí)現(xiàn)對帶外諧波信號的抑制；U1B實(shí)現(xiàn)對檢波輸入信號的電平控制。U3為鎖相檢波電路，采用跳線開關(guān)可以選擇4個(gè)不同的中心頻率。U4為光電耦合器，實(shí)現(xiàn)鎖相檢波部分和后級單片機(jī)控制電路的隔離，有利于降低干擾。

圖5 鎖相譯碼輸入輸出信號

圖5 所示為實(shí)測鎖相檢波電路的輸入輸出信號。CW信號填充頻率為30 kHz，周期為280，在光電隔離輸出端獲得穩(wěn)定的檢波信號輸出。從CW信號起始時(shí)刻到檢波信號輸出有0.5 ms延遲，為環(huán)路鎖定時(shí)間。該延遲有利于濾除環(huán)境噪聲中短的假信號干擾。

研制測距裝置采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)四通道鎖相檢波電路，可方便更改檢波頻率，組合成四個(gè)同頻率的CW信號檢波器或兩組SFK信號檢波器。

圖6所示為2009年9月在浙江千島湖實(shí)驗(yàn)的四通道同步遙控測距實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)前在湖上平臺對測距精度進(jìn)行了標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)時(shí)在湖底布設(shè)4個(gè)水聽器基陣，采用小艇拖曳8065超短基線應(yīng)答器航行通過基陣，獲得了穩(wěn)定的測量結(jié)果。

海上實(shí)驗(yàn)情況：2010年1月，在南海進(jìn)行海上目標(biāo)拉距實(shí)驗(yàn)。信標(biāo)發(fā)射源級為185 dB，海洋環(huán)境噪聲113 dB，實(shí)測最遠(yuǎn)距離達(dá)到3 km，信噪比為-6.6 dB。

圖6 湖上試驗(yàn)四通道同步測距結(jié)果

5 結(jié)論

鎖相檢波采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)相位檢波，對海洋淹沒在海洋環(huán)境噪聲中頻率已知的微弱信號有較強(qiáng)的檢測能力。水聲遙測、遙控和定位中采用的CW信號和FSK信號具有特定的頻率和一定的持續(xù)時(shí)間，可以采用鎖相技術(shù)提高檢測能力。用鎖相檢波器設(shè)計(jì)信號檢測電路時(shí)需要考慮捕捉速度與帶寬需求，濾除帶外諧波信號。采用鎖相檢波器研制的多通道水聲遙控測距裝置經(jīng)湖上和海上實(shí)驗(yàn)，證明其工作穩(wěn)定可靠，檢測能力達(dá)到-6.6 dB。

[1]NE/SE567 Tone decoder/phase-locked loop.Philips Semiconductors Linear Products Product specification[Z].

[2]Sonardyne International Limited.User Manual for Type 8065 Versatile Widebanb Transceiver Incorporating AvTrak 2[Z].

[3]RJ尤立克.水聲原理[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學(xué)院出版社，1990.

Application of Phase-locked Decoding in Underwater Acoustic Telemetry Signal Detection

GAO Shou-yong1,2,CHANG Zhe3
（1.Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Underwater Acoustic Antagonizing,Zhanjiang Guangdong 524022,China;3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

Phase-locked detection technology using simulated on time-multiplier,has a strong ability of detecting input signal consistent with local software processing signal frequency.Based on the analysis of the typical CW and FSK signal characteristics,according to the design formula and application points of audio phase lock NE567 geophone,a phase-locked detection module is designed for multimodal remote distance device.Lake and sea experiments proved the validity of its application.

phase-locked detection；CW signal； FSK;bandwidth； ranging

TP568

B

1003-2029（2011）02-0080-04

2011-01-24

水聲對抗國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研基金（2010015）

高守勇（1973-），男，云南巧家人，博士研究生，工程師，從事水聲測量研究。