一種移動(dòng)水聲跳頻通信接收系統(tǒng)的幅度均衡電路

吳劍明，張小康，黃身欽，許肖梅

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

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一種移動(dòng)水聲跳頻通信接收系統(tǒng)的幅度均衡電路

吳劍明，張小康，黃身欽，許肖梅*

(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，水聲通信與海洋信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建廈門361005)

摘要：介紹一種適用于移動(dòng)水聲跳頻通信接收系統(tǒng)的幅度均衡電路，電路采用初級(jí)放大—濾波—次級(jí)放大(反饋至初級(jí)放大)的閉環(huán)信號(hào)調(diào)理機(jī)制，可將調(diào)理后的輸出信號(hào)穩(wěn)定在某期望量值附近，能有效解決移動(dòng)水聲跳頻通信中由于收發(fā)端相對(duì)距離變化、聲傳播衰減、信道頻率選擇性衰落、收發(fā)端電路頻率響應(yīng)不均勻等因素引起的接收聲信號(hào)幅度隨頻率大起伏變化的問題.海上試驗(yàn)結(jié)果表明，該電路具備良好的幅度均衡性能，能大幅度提高信號(hào)檢測(cè)準(zhǔn)確度，明顯提高水聲通信質(zhì)量.

關(guān)鍵詞：水下移動(dòng)通信；跳頻技術(shù)；幅度均衡

水聲信道的復(fù)雜特性會(huì)引起嚴(yán)重聲信號(hào)衰減、頻率選擇性衰落，再加上收發(fā)端相對(duì)距離變化、調(diào)理電路頻率響應(yīng)不均勻等因素造成水聲通信接收系統(tǒng)接收到的原始信號(hào)幅度強(qiáng)度變化范圍大，普遍在幾十dB上下，不僅可能超出模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片限定的輸入范圍，引起信號(hào)失真，還會(huì)影響通信系統(tǒng)的誤碼率和算法復(fù)雜度，尤其是采用非相干能量解調(diào)的水聲跳頻通信系統(tǒng).因此，水聲通信系統(tǒng)的接收端常采用幅度均衡(amplitude equalizing,AE)電路，可將原始信號(hào)調(diào)整到限定的輸入范圍內(nèi)，還可以減少碼元信號(hào)能量起伏以利于提高檢測(cè)準(zhǔn)確率[1].目前，幅度均衡技術(shù)從實(shí)現(xiàn)方式上可以分為2種：數(shù)字方式和模擬方式[2].數(shù)字方式是當(dāng)前水聲通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，主要依賴于均衡算法，在均衡性能、噪聲引入等方面有優(yōu)勢(shì)，但其算法運(yùn)算量大、收斂時(shí)間長(zhǎng)等因素制約了數(shù)字均衡技術(shù)在成熟水聲通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[3-6]；模擬方式主要依賴硬件電路實(shí)現(xiàn)，在收斂時(shí)間、系統(tǒng)復(fù)雜度等方面有明顯優(yōu)勢(shì)[7-11].本文中設(shè)計(jì)的幅度均衡電路屬于模擬方式，采用兩級(jí)間接級(jí)聯(lián)放大反饋回路，形成放大-濾波-次級(jí)放大的閉環(huán)信號(hào)調(diào)理機(jī)制，能有效提高幅度均衡性能、降低電路噪聲，集合了模擬和數(shù)字幅度均衡的優(yōu)點(diǎn)，通過海上現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了電路性能.

1電路結(jié)構(gòu)介紹

本研究介紹的幅度均衡電路結(jié)構(gòu)如圖1所示.該電路由阻抗變換電路、自動(dòng)增益控制電路和帶通濾波器3部分組成.其中，阻抗變換電路以運(yùn)算放大器LT1678為核心器件，實(shí)現(xiàn)水聲換能器輸出阻抗與自動(dòng)增益控制電路低輸入阻抗之間的變換；自動(dòng)增益控制電路以可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603為核心器件，通過兩片間接級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)初、次兩級(jí)的增益自適應(yīng)控制，增益控制動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)84 dB；帶通濾波器以模擬濾波器MAX274為核心，構(gòu)成8階切比雪夫帶通濾波器.

圖1　幅度均衡電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1The diagram of the circuit of amplitude equalizing

1.1阻抗變換電路

阻抗變換電路如圖2所示.電阻R1、高阻值電阻R2和雙向?qū)ǘO管D1構(gòu)成限幅電路，允許換能器接收到的微弱回波信號(hào)通過，而在大功率信號(hào)激勵(lì)換能器發(fā)射時(shí)，可起到限幅作用，保護(hù)接收端電路；以運(yùn)算放大器LT1678為核心組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，具有大的輸入阻抗和小的輸出阻抗，實(shí)現(xiàn)換能器輸出端和自動(dòng)增益控制電路輸入端間信號(hào)無(wú)損傳遞；R3、R4和C2構(gòu)成的反饋支路具有選頻增益控制作用，對(duì)帶寬內(nèi)低頻信號(hào)實(shí)施小增益放大，而對(duì)高頻信號(hào)實(shí)施大增益放大，一定程度上補(bǔ)償了水聲信道頻率選擇性衰落.

圖2　阻抗變換電路Fig.2The circuit of impedance conversion

圖3　自動(dòng)增益控制電路Fig.3The circuit of auto gain control

1.2自動(dòng)增益控制電路

自動(dòng)增益控制電路如圖3所示.該電路主要由線性可變?cè)鲆娣糯箅娐泛头答佌{(diào)節(jié)電路構(gòu)成.

線性可變?cè)鲆娣糯箅娐肥怯蓛善珹D603間接級(jí)聯(lián)構(gòu)成兩級(jí)放大，初級(jí)放大后先經(jīng)過帶通濾波器再進(jìn)行次級(jí)放大.這種機(jī)制可以通過控制初級(jí)放大增益，降低噪聲放大，提高調(diào)理信噪比.AD603芯片引腳5和7之間的外接電阻R11、R12的阻值用于選擇-22～102 dB區(qū)間內(nèi)最大84 dB的可編程增益范圍，外接阻值均為0時(shí)，增益范圍是-22～62 dB，外接阻值趨近∞時(shí)，增益范圍是18～102 dB；AD603芯片引腳1與2之間的電壓差值可線性控制輸出增益值，比例系數(shù)是25 mV/dB，為了保證級(jí)聯(lián)電路具有最佳的線性控制能力，芯片U3引腳2與芯片U2引腳2之間的電壓差應(yīng)穩(wěn)定在1.05 V左右(剛好對(duì)應(yīng)單片AD603的最大增益42 dB)[13].

反饋調(diào)節(jié)電路由一對(duì)互補(bǔ)三極管Q1和Q2構(gòu)成，Q2集電極可穩(wěn)定提供300 μA輸出電流，分別流向Q1集電極和電容C132個(gè)支路；Q1和R13組成半波檢測(cè)電路，根據(jù)次級(jí)放大電路輸出信號(hào)幅度反向調(diào)節(jié)電容C13充電電流大小，改變C13兩端電壓，進(jìn)而控制線性可變?cè)鲆娣糯箅娐返妮敵鲈鲆?，?shí)現(xiàn)反饋，取得穩(wěn)定幅值的輸出信號(hào)；反饋調(diào)節(jié)的靈敏度由C13的容值大小決定，容值越小，充放電越快，靈敏度越高，但容值的選擇要與被調(diào)理信號(hào)頻率相匹配；穩(wěn)定輸出的信號(hào)幅值通過R13電阻確定，阻值越大輸出電壓越大.

1.3帶通濾波器

帶通濾波器采用單片集成有源濾波芯片MAX274來(lái)實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)的8階切比雪夫帶通濾波器具有陡峭的滾降，可以有效濾除帶外噪聲.

帶通濾波器置于自動(dòng)增益控制電路的初級(jí)放大和次級(jí)放大之間，形成初級(jí)放大—濾波—次級(jí)放大(反饋至初級(jí)放大)的閉環(huán)信號(hào)調(diào)理機(jī)制.相比傳統(tǒng)的放大—濾波開環(huán)調(diào)理機(jī)制，該機(jī)制能夠在保證輸入到帶通濾波器的信號(hào)幅度足以克服濾波器本體噪聲前提下，盡量減小初級(jí)放大增益，從而降低噪聲放大，再在次級(jí)放大電路中放大有用信號(hào)，大大提高處理信噪比，使帶寬內(nèi)不同頻率信號(hào)取得更穩(wěn)定的幅值輸出，實(shí)現(xiàn)幅度均衡.

2試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在廈門五緣灣淺海域進(jìn)行，海域平均水深約為10 m，沙底質(zhì)，測(cè)試距離設(shè)置為890 m，水聲信道測(cè)試結(jié)果如圖4所示.可以看出，時(shí)延5 ms內(nèi)的信道多途結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.測(cè)試平臺(tái)采用4FH-16FSK調(diào)制，卷積碼為信道編碼的水聲跳頻通信系統(tǒng)，每個(gè)通信幀包含1個(gè)碼元寬度粗同步信號(hào)、1個(gè)碼元寬度細(xì)同步信號(hào)、80個(gè)數(shù)據(jù)碼元和若干個(gè)碼元寬度的保護(hù)間隔，每個(gè)碼元寬度為10 ms.

圖6　跳頻頻點(diǎn)全集頻譜分析結(jié)果Fig.6Spectrums of all the frequency hopping points

圖4　水聲信道沖擊響應(yīng)Fig.4The pulse responses of underwater acoustic channels

為了驗(yàn)證本文介紹的幅度均衡電路性能，在系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)處理模塊，如圖5所示.該模塊包含直連(direct connection,DC)、線性放大+濾波(linear amplifier and filter,LAF)和AE 3種信號(hào)調(diào)理電路.在同等條件下，采集了各電路的調(diào)理輸出信號(hào)，分別用ro、rl和ra來(lái)表示，經(jīng)過同步捕獲后準(zhǔn)確切割碼元，并對(duì)每個(gè)碼元采用快速傅里葉變換鑒頻.

圖5　信號(hào)預(yù)處理模塊Fig.5The signal pre-processing module

分別從ro、rl和ra中提取出64個(gè)跳頻頻點(diǎn)碼元進(jìn)行頻譜分析，得到如圖6所示結(jié)果.橫軸代表歸一化頻率，用于分析頻率f與采樣頻率fs的比值，測(cè)試平臺(tái)使用的通信帶寬在0.2fs～0.3fs之間.理想的頻點(diǎn)信號(hào)譜圖在通帶內(nèi)應(yīng)該具有一致的頻率響應(yīng)，在經(jīng)過信道傳輸后，通帶頻率發(fā)生不同程度的衰減，見圖6(a)；采用LAF調(diào)理方法僅增強(qiáng)通帶強(qiáng)度，無(wú)法克服通帶內(nèi)的起伏，見圖6(b)；而采用AE調(diào)理后，有效克服了通帶頻率起伏問題，見圖6(c).

圖7所示為ro、rl和ra中截取的某一幀信號(hào).圖7(a)的原始接收信號(hào)幅度小且波形起伏大；圖7(b)是LAF調(diào)理后的信號(hào)，幅度增大但起伏并沒有克服，在原始信號(hào)幅度已經(jīng)很強(qiáng)的情況下，還有可能引起調(diào)理輸出信號(hào)飽和削頂失真(模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)輸入范圍是±1.2 V)；圖7(c)是經(jīng)過AE調(diào)理的信號(hào)，幅度穩(wěn)定地保持在±0.5 V之間(設(shè)定Vpp=1 V)，信號(hào)增強(qiáng)和時(shí)域起伏問題都得到解決.

圖7　經(jīng)過3種調(diào)理電路預(yù)處理后的某一幀信號(hào)波形Fig.7The conditioned signal waveforms by the three circuits

為了定量分析3種信號(hào)調(diào)理電路的性能差別，分別從ro、rl和ra中提取若干碼元(數(shù)量分別是9 200，8 880和7 120)，通過快速傅里葉算法對(duì)碼元進(jìn)行頻譜分析，提取各碼元的主瓣峰值、第一旁瓣峰值，并計(jì)算其均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏差等參數(shù)，如表1所示.

表1中顯示：AE、LAF調(diào)理對(duì)主瓣信號(hào)和第一旁瓣信號(hào)均提供放大增益，但LAF調(diào)理是提供近似于線性的放大增益，而AE調(diào)理可對(duì)主瓣信號(hào)提供大增益、對(duì)第一旁瓣信號(hào)提供較小增益，一定程度上提高了碼元信噪比.經(jīng)LAF調(diào)理和AE調(diào)理后輸出碼元主瓣峰值均值和第一旁瓣峰值均值的比值δ分別是：

(1)

(2)

提高的碼元處理信噪比(SNR)為：

(3)

圖8　碼元頻譜主瓣峰值和第一旁瓣峰值歸一化分布圖Fig.8The normalized peaks of the main lobe and the first side lobe extracted from frequency spectrums of symbols

表1　碼元頻譜分析的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.1　Statistical results of spectral analysis of symbols

調(diào)理電路分析碼元數(shù)主瓣峰值第一旁瓣峰值均值標(biāo)準(zhǔn)差偏差/%均值標(biāo)準(zhǔn)差偏差/%AE7120194.4649.9625.6981.7522.1227.06LAF8880113.7246.7541.1177.1329.8938.76DC92003.322.0060.431.330.4936.53

從各電路調(diào)理碼元中提取1 000個(gè)，并將其主瓣峰值和第一旁瓣峰值以各自調(diào)理電路統(tǒng)計(jì)所得的最大值為參照進(jìn)行歸一化處理，顯示成散點(diǎn)圖，如圖8所示.圖8(a)顯示原始接收信號(hào)第一旁瓣峰值基本涵蓋在主瓣峰值的浮動(dòng)區(qū)間內(nèi)；圖8(b)顯示經(jīng)過LAF調(diào)理后，部分第一旁瓣峰值移出了主瓣峰值分布區(qū)間，但不顯著；圖8(c)顯示AE調(diào)理使主瓣峰值向更高值區(qū)間移動(dòng)，讓主瓣峰值和第一旁瓣峰值呈現(xiàn)明顯的分離趨勢(shì).

對(duì)采用非相干能量檢測(cè)的水聲跳頻通信系統(tǒng)，碼元的第一旁瓣峰超過主瓣峰時(shí)，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)誤判，形成誤碼.而以上分析與3種調(diào)理電路試驗(yàn)時(shí)統(tǒng)計(jì)得到的傳輸誤碼率變化趨勢(shì)相一致，如表2所示.

表2　3種調(diào)理電路誤碼率Tab.2　Statistical results of spectral analysis of symbols

3結(jié)論

本研究介紹的幅度均衡電路，可以有效克服水聲跳頻通信中接收聲信號(hào)時(shí)域波形大起伏變化問題，穩(wěn)定輸出期望幅度信號(hào)；在頻域上，能對(duì)目標(biāo)頻點(diǎn)(主瓣)和干擾頻點(diǎn)(旁瓣)施加不同放大增益，提高處理SNR，輸出的目標(biāo)頻點(diǎn)具有較平穩(wěn)的強(qiáng)度，克服了接收信號(hào)通帶頻域內(nèi)的起伏.經(jīng)過海上現(xiàn)場(chǎng)比較試驗(yàn)，表明該幅度均衡電路具備良好時(shí)域、頻域均衡的性能，能顯著提高水聲通信質(zhì)量.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512031

收稿日期：2015-12-28錄用日期：2016-04-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41376040)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15001)

*通信作者：xmxu@xmu.edu.cn

中圖分類號(hào):P 733.24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438-0479(2016)04-0575-05

An Amplitude Equalization Circuit for the Frequency Hopping Receiving System of Underwater Acoustic Mobile Communication

WU Jianming,ZHANG Xiaokang,HUANG Shenqin,XU Xiaomei*

(Key Laboratory of Underwater Acoustic Communication and Marine Information Technology,Ministry of Education,School of Information Science and Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:The paper presents an amplitude equalization circuit for the frequency hopping receiving system of underwater acoustic mobile communication.The circuit is composed of a primary amplification circuit,bandpass filter and a secondary amplification circuit feeding back to the primary amplification circuit.For the closed-loop mechanism,the conditioning signal output has a stable amplitude,so the circuit can effectively solve the problem of signal amplitude fluctuation with frequency caused by the distance change between transmitter and receiver,propagation attenuation,frequency selective fading of underwater acoustics channel and the uneven frequency response of transmitting and receiving circuit.The comparative experiments in the field of Wuyuan Bay show that the circuit has a good performance at amplitude equalization,and can greatly improve the signal detection accuracy to improve the quality of underwater acoustic communication.

Key words:underwater acoustic mobile communication；frequency hopping；amplitude equalization

引文格式：吳劍明，張小康，黃身欽，等.一種移動(dòng)水聲跳頻通信接收系統(tǒng)的幅度均衡電路[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(4)：575-579.

Citation：WU J M, ZHANG X K, HUANG S Q,et al．An amplitude equalization circuit for the frequency hopping receiving system of underwater acoustic mobile communication[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：575-579．(in Chinese)