主動定向浮標(biāo)信號發(fā)生器設(shè)計*

張艷艷　饒　煒

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所　杭州　310012)

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主動定向浮標(biāo)信號發(fā)生器設(shè)計*

張艷艷饒煒

(杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所杭州310012)

論文根據(jù)主動定向浮標(biāo)工作原理，簡要分析了主動定向浮標(biāo)所需信號形式及技術(shù)指標(biāo)，利用VHDL語言在CPLD上進行片上開發(fā)，實現(xiàn)主動定向浮標(biāo)信號發(fā)生器的設(shè)計。實現(xiàn)的信號包括單頻控制信號以及CW脈沖信號和LFM信號，同時對遙控指令進行曼徹斯特解碼來實現(xiàn)對發(fā)射信號脈沖寬度的控制，為了進一步使系統(tǒng)硬件電路穩(wěn)定工作，在進行發(fā)射脈沖信號設(shè)計的過程中，實現(xiàn)了保護電路的設(shè)計。

浮標(biāo); CPLD; 曼徹斯特碼; 發(fā)射信號

Class NumberTN911.7

1　引言

在海洋技術(shù)快速發(fā)展的今天，低噪聲魚雷性能逐漸提高，潛艇降噪和消音技術(shù)也得到了突飛猛進的發(fā)展，為了實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的反潛，使主動聲納得到了廣泛的關(guān)注。在聲納技術(shù)研究方面，主動方式相對被動方式而言，成為了研究的重點。在航空反潛中，運用主動定向浮標(biāo)來實現(xiàn)對目標(biāo)的最終定位，是必不可少的反潛手段。

2　主動定向浮標(biāo)信號源設(shè)計

主動定向浮標(biāo)在實現(xiàn)目標(biāo)定位時，通過檢測回波到達時間來進行測距，利用矢量傳感器的南北、東西兩路接收信號，結(jié)合磁通門二分量羅盤感應(yīng)出的方位角，來確定目標(biāo)相對于浮標(biāo)的磁北方位，同時利用主動定向浮標(biāo)接收到潛艇的多普勒頻移來確定目標(biāo)的徑向速度，從而實現(xiàn)快速定位，引導(dǎo)反潛飛機對目標(biāo)進行攻擊[1～2]。根據(jù)其實現(xiàn)目標(biāo)定位原理可知，主動定向浮標(biāo)信號源需要產(chǎn)生信號的類型包括，發(fā)射信號、使羅盤感應(yīng)出方位信息的激勵信號，調(diào)制矢量傳感器偶極子輸出信號的控制信號等信號。

2.1發(fā)射信號的脈沖寬度

主動聲納系統(tǒng)中受到的干擾主要是海洋環(huán)境噪聲、海洋混響和自噪聲，其中混響干擾是由于海洋環(huán)境中有大量的散射體[3]，發(fā)射信號經(jīng)過散射體的散射，在接收端疊加而成。在不影響作用距離的前提下，可以采用窄脈沖信號，因為脈沖信號越窄，信號多途疊加的可能性越小，但若脈沖信號太窄，信號攜帶的能量相對較少，則增大了信號的檢測難度，所以應(yīng)根據(jù)預(yù)判設(shè)備的作用距離，選擇合適的脈沖寬度。

2.2發(fā)射信號的頻率選擇

在聲源級一定的情況下，主被動聲檢測裝置的作用距離取決于與頻率有關(guān)的物理量，主要是噪聲級NL，傳播損失TL，接收指向性系數(shù)DI，接收機通頻帶B等?？梢宰C明，存在一個最佳頻率，使得聲檢測的作用距離達到最大值[4]。系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)因數(shù)FM的定義式為

FM=SL-(NL-DI+DT)

(1)

式中DT表示檢測閾的大小。根據(jù)聲納方程，對水聲信息傳輸系統(tǒng)可以得出FM=TL，將等式兩邊分別對f求導(dǎo)，且SL、DI、DT與頻率無關(guān)，通常取噪聲譜級的變化為d(FM)/df=-5～-6分貝/倍頻程。吸收系數(shù)α=0.01f2dB/km，可以得到最佳頻率估計式為：

(2)

根據(jù)等式可知，選用中心頻率為4.5kHz～6.5kHz范圍內(nèi)，系統(tǒng)的最佳工作頻率越低，則系統(tǒng)的作用距離越遠。在聲納方程中的很多參數(shù)只有統(tǒng)計平均意義，它只用來確定設(shè)備工作頻率的一種參考。

2.3發(fā)射信號的波形形式

在主動聲納中，常用的發(fā)射波形為CW信號和LFM信號，依據(jù)模糊函數(shù)對發(fā)射信號波形的作用距離及多普勒分辨力進行分析可知，同等脈沖寬度下，CW信號多普勒分辨能力較好，但距離分辨能力較差，LFM具有較好的距離分辨能力，但多普勒分辨能力較差[5]，結(jié)合CW和LFM各自的優(yōu)缺點以及主動定向聲納的工作原理，則最終選用CW和LFM聲波組合的形式作為主動定向聲納的發(fā)射信號[6]。

圖1　信號波形形式示意圖

根據(jù)上述分析論述，主動定向浮標(biāo)發(fā)射信號形式為:中心頻率為f0，脈沖寬度分別為t1、t2、t3。通過CW與LFM聲波組合方式以T0為周期的方式交替發(fā)射，其中LFM信號方式下，帶寬為B。在每個發(fā)射周期的窄脈沖發(fā)出之后，要經(jīng)過τ0延時(接收盲區(qū))，再進行信號接收，即發(fā)收轉(zhuǎn)換時間為τ0。

3　信號源的設(shè)計實現(xiàn)

本系統(tǒng)的信號生成部分，利用VHDL語言在CPLD上進行片上開發(fā)實現(xiàn)，采用分模塊編程方式實現(xiàn)生成所需的各種信號。CPLD芯片選用Altera的MAX II系列，型號為EPM1270，它包含1270個LEs，980個宏單元，足以滿足本設(shè)計的要求。

主動定向浮標(biāo)根據(jù)作用距離的不同，發(fā)射的脈沖信號寬度不同，通過接收遙控指令并進行解碼來調(diào)節(jié)脈沖寬度。在信號發(fā)射的過程中，采用兩路反相信號驅(qū)動開關(guān)功率放大管，為防止兩路信號同時導(dǎo)通功率開關(guān)管造成短路現(xiàn)象，這里需要采取保護措施，使開關(guān)管在信號跳變時有一段時間同時處于截止?fàn)顟B(tài)。結(jié)合上文論述，CPLD片上信號生成框圖如圖2所示。

圖2　CPLD片上信號生成框圖

3.1遙控指令解碼模塊

在進行數(shù)字信號通信時，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由‘0’和‘1’組成的二進制序列，該傳輸方式在接收端沒有時鐘信號，使得在接收數(shù)據(jù)時無法識別數(shù)據(jù)位的開始和結(jié)束以及位的寬度。主動定向浮標(biāo)控制脈沖寬度的遙控指令采用曼徹斯特編碼方式，很好的解決了傳輸數(shù)據(jù)沒有時鐘問題。當(dāng)數(shù)據(jù)位為‘0’時，在該位的中間產(chǎn)生電平的正跳變，以“01”表示。當(dāng)數(shù)據(jù)位為‘1’時，在該位的中間產(chǎn)生電平的負跳變，以“10”表示，這就是曼徹斯特編碼方式[7]。通過這樣的編碼方式很容易在接收端恢復(fù)出時鐘信號，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎退俣?。選擇曼徹斯特編碼的另一個好處是，可以去除數(shù)據(jù)中的零頻率成分，提高了遠距離傳輸?shù)目煽糠€(wěn)定性。當(dāng)傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)始終為‘0’或‘1’，即頻率為零時，曼徹斯特編碼信號頻率即為時鐘信號頻率fc。當(dāng)傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)始終為‘0’和‘1’交替變化，即最高頻率為fc/2時，曼徹斯特編碼信號為時鐘頻率的一半fc/2，從而就使得傳輸?shù)亩M制數(shù)據(jù)頻率從0～fc/2搬移到fc/2～fc，變?yōu)轭l帶信號，實現(xiàn)了去除傳輸數(shù)據(jù)中的零頻率成分。曼徹斯特編碼方式如圖3所示。

根據(jù)曼徹斯特編碼形式，按照規(guī)定的協(xié)議，對控制脈寬變化的遙控指令進行解碼，實現(xiàn)發(fā)射脈寬可調(diào)功能。

3.2LFM信號生成模塊

在CPLD上生成LFM信號，采用定時器步進的方式，即每間隔固定時間ΔT，頻率增加固定值為Δf，LFM信號頻率為f0(-100Hz～+100Hz)，其中f0為中心頻率。LFM信號生成框圖如圖4所示。

圖4　LFM信號生成模塊

利用Quartus Ⅱ時序仿真功能，對生成的LFM信號進行時序仿真，同時與中心頻率為f0的單頻信號進行對比，仿真結(jié)果如圖5所示，f0頻率為6400kHz，LFM中心頻率為6400kHz，帶寬為200Hz。

圖5　LFM信號時序仿真圖

3.3保護電路生成模塊

主動定向浮標(biāo)發(fā)射電路通過兩路反相信號驅(qū)動開關(guān)功率放大管實現(xiàn)信號發(fā)射，為避免開關(guān)管同時導(dǎo)通，導(dǎo)致短路，應(yīng)設(shè)計必要的保護電路，使得兩路反相信號有一段時間同時處于截止?fàn)顟B(tài)。時序仿真圖如圖6所示，transmiter1和transmiter1-D為兩路發(fā)射信號。

圖6　保護電路仿真圖

單頻控制信號生成模塊包括羅盤激勵信號、矢量傳感器調(diào)制控制信號、濾波器參考信號等，單頻信號的生成，主要根據(jù)所需信號的頻率對輸入時鐘信號進行分頻，最終得到所需要的頻率信號。

4　測試結(jié)果

本系統(tǒng)屬于模塊化設(shè)計，根據(jù)各個功能模塊的需求，分別進行CPLD片上功能電路的設(shè)計、開發(fā)、仿真驗證，最終實現(xiàn)既定的模塊功能。在整機測試時，將各個功能模塊進行連接，設(shè)計頂層文件，完成配置并下載到硬件平臺中。對系統(tǒng)發(fā)送過來的脈寬控制遙控指令進行解碼，通過示波器觀測系統(tǒng)的整體性能，并做反復(fù)調(diào)試，使系統(tǒng)性能達到最佳。圖7為曼徹斯特控制碼編碼圖。根據(jù)規(guī)定的協(xié)議，對曼徹斯特碼進行解碼，并實現(xiàn)對發(fā)射信號的脈寬控制。圖8～圖10分別為100ms、400ms、1s的脈沖寬度，發(fā)射信號中心頻率均為6400Hz的波形圖，其中LFM與CM信號以10s為周期交替發(fā)射。

圖7　曼徹斯特控制碼

圖8　脈沖寬度為t1

圖9　脈沖寬度為t2

圖10　脈沖寬度為t3

根據(jù)示波器觀測的結(jié)果，可以得出結(jié)論，整個系統(tǒng)CPLD片上開發(fā)信號生成電路，完成了系統(tǒng)既定的功能，經(jīng)過長時間觀測，驗證了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的性能。

5　結(jié)語

根據(jù)上述理論分析以及試驗驗證得出結(jié)論：選用CPLD芯片實現(xiàn)單芯片生成該系統(tǒng)需要的所有信號，相對單片機而言提高了抗干擾能力。利用曼徹斯特編碼方式對控制脈寬遙控指令進行編碼，可以有效的提高系統(tǒng)指令傳輸?shù)目煽糠€(wěn)定性，并適合遠距離傳輸。利用LFM與CM信號交替發(fā)射的方式，使發(fā)射信號同時具有較好的距離分辨能力和多普勒分辨能力，從而實現(xiàn)提高對目標(biāo)定位的準(zhǔn)確度。在發(fā)射信號生成電路部分，采取一定的保護措施，形成保護電路，避免硬件電路工作時短路，確保硬件電路穩(wěn)定工作。在實驗室通過示波器監(jiān)測，驗證了所設(shè)計的信號發(fā)生器輸出完全符合理論設(shè)計指標(biāo)，且性能穩(wěn)定可靠，滿足主動定向浮標(biāo)系統(tǒng)的技術(shù)要求。

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Active Directional Buoys Signal Generator

ZHANG YanyanRAO Wei

(Hangzhou Applied Acoustics Institute, Hangzhou310012)

Based on the principle of active directional buoys, the active directional buoys form of the desired signal and technical indicators are analyzed briefly, the VHDL language in the on-chip CPLD development, achieve active directional buoys signal generator. Implemented signal comprises a single-frequency control signals, is used to CW pulse signal and LFM signal, while the remote commander is manchester decoded to achieve the transmit signal pulse width control, in order to further make the system hardware stability, in transmission pulse signal design process, the protection circuit design is realized.

buoys, CPLD, manchester code, transmit signal

2016年4月7日,

2016年5月24日

張艷艷,女,助理工程師，研究方向：聲納浮標(biāo)電路設(shè)計。饒煒,男,高級工程師，研究方向：聲納浮標(biāo)總體。

TN911.7

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.10.013