相位均衡器技術(shù)在水聲接收機(jī)的應(yīng)用

勇俊，靳桐

?

相位均衡器技術(shù)在水聲接收機(jī)的應(yīng)用

勇俊，靳桐

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心，黑龍江哈爾濱 150001)

濾波器相位的非線性引起的信號失真是超短基線接收機(jī)系統(tǒng)中必須要解決的問題之一。采用常規(guī)濾波器與全通網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的方法設(shè)計了一種相位均衡器，解決了僅使用常規(guī)濾波器帶來的非線性相位問題，使超短基線接收機(jī)在帶寬內(nèi)保持線性相位。給出了全通網(wǎng)絡(luò)的原理、電路結(jié)構(gòu)推導(dǎo)，分析了該網(wǎng)絡(luò)中各參量對相位的影響。在設(shè)計實(shí)例中，相位均衡技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際硬件電路中進(jìn)行測試，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及仿真結(jié)果對系統(tǒng)的性能進(jìn)行評估。測試結(jié)果證明了相位均衡器可以實(shí)現(xiàn)相位的均衡校正功能，在水聲接收機(jī)領(lǐng)域中有良好的應(yīng)用前景。

超短基線接收機(jī)；相位均衡器；群時延；全通網(wǎng)絡(luò)

0 引言

超短基線定位系統(tǒng)在水聲定位聲吶系統(tǒng)中一直發(fā)揮著重要的作用[1]，超短基線的接收機(jī)性能對定位距離、定位精度等更為重要。相位線性度不僅是衡量超短基線接收機(jī)重要的性能指標(biāo)，也是反映信號傳輸質(zhì)量的重要影響因子。若接收機(jī)各通道的相頻特性是非線性的或不同頻率的信號通過系統(tǒng)時產(chǎn)生的相移不同造成波形畸變、相位失真，都會直接影響系統(tǒng)的定位精度。模擬濾波器[2]性能是通過幅頻特性、輸出線性特性和輸出相移特性來表征的，對于理想濾波器，其頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)應(yīng)具有線性相移，即群時延為一條水平直線，其值理論上是一個常數(shù)。實(shí)際應(yīng)用的濾波電路很難達(dá)到線性相位，而同時滿足幅頻特性和相頻特性就更為困難，群時延波動也非常大。如何取得濾波器理想的帶內(nèi)相位，是濾波器的一個設(shè)計難點(diǎn)[3]。解決辦法一是采用巴特沃茲函數(shù)逼近，使其通帶內(nèi)具有最大平坦段，階數(shù)越大平坦度越好，但是過渡帶衰減較慢導(dǎo)致選擇性較差[4]，而且在實(shí)際電路中也難很達(dá)到最佳的線性相位。二是修改傳遞函數(shù)，這樣做的代價是破壞了濾波器的幅頻響應(yīng)[5]。

為使濾波器的幅頻特性和相頻特性在折衷的條件下達(dá)到各自的最佳狀態(tài)，本文采用了相位均衡器的設(shè)計方法[6]，在超短基線接收機(jī)的濾波單元之后接入相位均衡器，在工作通帶內(nèi)擬合一條水平直線作為理想的曲線初值，優(yōu)化元件參數(shù)[7]，使群時延特性曲線向這條直線逼近。實(shí)例設(shè)計表明該方法效果十分理想。

1 相位均衡器的設(shè)計原理

圖1 濾波器TF級聯(lián)全通濾波器TAP

由于信號的相位是頻率的函數(shù)，如果不同頻率的信號通過系統(tǒng)時產(chǎn)生的時延(相移)不同，則會使信號發(fā)生畸變[8]。群時延[9]是描述傳輸系統(tǒng)相頻特性的重要指標(biāo)，為了方便研究，用群時延代表系統(tǒng)的相頻特性，其定義為

為了使接收機(jī)的相位接近線性相位特性，需要對接收機(jī)的相位特性進(jìn)行校正，但不改變接收機(jī)的幅頻特性。全通濾波器具有幅頻響應(yīng)為1、相位響應(yīng)隨著頻率而變化的特性，所以設(shè)計的均衡器應(yīng)是一種全通網(wǎng)絡(luò)，并與原系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，可達(dá)到校正作用。

圖2所示為相位均衡的整體設(shè)計思路。

根據(jù)以上原理，完成恒定群時延系統(tǒng)的設(shè)計，大致分兩部分：

(1) 計算超短基線接收機(jī)中濾波單元提供的群時延；

圖2 相位均衡的設(shè)計思路

2 全通網(wǎng)絡(luò)的模型結(jié)構(gòu)與基本特性

2.1 一階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖3所示為一階有源全通網(wǎng)絡(luò)。

圖3 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖

一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為

群時延特性為：

可見群時延特性由各個網(wǎng)絡(luò)中的極點(diǎn)頻率決定，通過設(shè)計極點(diǎn)頻率來滿足所需的群時延特性。根據(jù)式(6)可發(fā)現(xiàn)，群時延隨著頻率的增加而減小[10]，如圖4所示。

通常在簡單的情況下，利用一階全通網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)一些最小的時延均衡。對于更復(fù)雜的需求，優(yōu)先使用二階全通網(wǎng)絡(luò)模塊。例如在帶通網(wǎng)絡(luò)中，工作頻帶不包括零頻，階數(shù)不能取0.5的奇整數(shù)倍，一定要取偶正整數(shù)才行，所以帶通網(wǎng)絡(luò)中，只能用二階全通模塊，不能用一階全通。

圖4 一階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時延特性

2.2 二階全通網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)

圖5所示為二階有源全通網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為

相頻特性為

群時延為

圖5 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)電路圖[11]

圖6 二階有源全通網(wǎng)絡(luò)的群時延特性

3 全通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法

3.1 初始值估算

3.2 加平過程

4 設(shè)計實(shí)例

4.1 指標(biāo)要求

表1 接收機(jī)中一個帶通濾波器的群時延特性

4.2 設(shè)計過程

根據(jù)超短基線接收機(jī)的群時延特性，需要級聯(lián)六階全通網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)相位均衡，經(jīng)過初始值的選定以及多次迭代所得各節(jié)全通網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)、極點(diǎn)頻率如表2所示。

表2 全通網(wǎng)絡(luò)的極點(diǎn)頻率和品質(zhì)因數(shù)

圖7(a)所示為超短基線接收機(jī)系統(tǒng)的相頻特性，圖7(b)為超短基線接收機(jī)系統(tǒng)的群時延特性，發(fā)現(xiàn)群時延有40 μs的波動。圖7(c)、7(d)分別是極點(diǎn)頻率為23 kHz、品質(zhì)因數(shù)為2.5的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。圖7(e)、7(f)分別是極點(diǎn)頻率為31 kHz、品質(zhì)因數(shù)為3.57的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。圖7(g)、7(h)分別是極點(diǎn)頻率為20 kHz、品質(zhì)因數(shù)為0.3的二階全通網(wǎng)絡(luò)的相頻特性和群時延特性。

4.3 結(jié)果分析

圖8 相位均衡前后超短基線接收機(jī)系統(tǒng)的性能對比

5 結(jié)論

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種用于解決超短基線接收機(jī)系統(tǒng)中濾波器相位非線性問題的相位均衡系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)硬件制作與調(diào)試，對相位均衡器應(yīng)用在超短基線接收機(jī)的相頻特性和群時延特性等性能進(jìn)行了測試。同時通過有無相位均衡器的比較實(shí)驗證實(shí)了相位均衡器能夠有效改善群時延波動，使接收機(jī)系統(tǒng)的相位達(dá)到了很好的線性效果，充分展現(xiàn)了均衡技術(shù)在水聲接收機(jī)中具有非常高的研究和應(yīng)用價值。

[1] 宋海巖. 水聲定位及遙測系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2008: 1-4, 24-27.

SONG Haiyan. Design and implementation of receiver for underwater acoustic positioning and telemetry system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2008: 1-4, 24-27.

[2] 肖大為. 超短基線定位系統(tǒng)接收機(jī)及其應(yīng)答器的設(shè)計[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2008.

XIAO Dawei. Design of receiver and transponder for ultra short baseline positioning system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2008.

[3] 江山. 窄帶小群時延波動晶體濾波器設(shè)計[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(3): 54-58.

JIANG Shan. Design of narrow band small delay fluctuation crystal filter[J]. Telecommunication Engineering, 2010, 50(3): 54-58.

[4] 丁士圻. 模擬濾波器[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2004: 97-100.

DING Shiqi. Analog Filter[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2004: 97-100.

[5] 李磊. 窄帶線性相位微波濾波器的設(shè)計[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2005, 3(3): 181-184.

LI Lei. Design of narrow band linear phase microwave filter[J]. Radar Science and Technology, 2005, 3(3): 181-184.

[6] HSU H T, YAO H W, ZAKI K A, et al. Synthesis of coupled-Resonators Group Delay Equalizers[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, Vol. MTT-50, August 2002. 1960-1967.

[7] 李鵬,馬紅梅.幅頻算術(shù)對稱無源帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(6): 105-108.

LI Peng, MA Hongmei. Optimal design of amplitude frequency arithmetic symmetric passive bandpass filter[J]. Telecommunication Engineering, 2010, 50(6): 105-108.

[8] 俎云霄, 王欣. 有源群時延均衡器的設(shè)計與仿真[C]//全國電工理論與新技術(shù)學(xué)術(shù)年會07論文集, 40-43.

ZU Yunxiao, WANG Xin. Design and Simulation of active group delay equalizer[C]//Proceedings of the 07 Annual Academic Conference on electrical theory and new technology, 40-43.

[9] ZISKA P, VRBATA J. Method for design of analog group delay equalizers[C]//Preceedings of the 2006 IEEE International Symposium on Circuits and systems, 21-24 May 2006: 445-448.

[10] SCHAUMANN R, van VALKENBURG M E. Design of analog filters[M]. New York: Oxford University Press, 2001: 432-446.

[11] 陳叔遠(yuǎn), 顏紹書. 相移均衡器[M]. 北京: 人民郵電出版社, 1984: 163-164.

CHEN Shuyuan, YAN Shaoshu. Phase shift equalizer [M]. Beijing: The People's Posts and Telecommunications Press, 1984: 163-164.

[12] 吳曉文, 馮剛. 群時延均衡器的計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計[J]. 通信技術(shù), 1989, 67(4): 40-47.

WU Xiaowen, FENG Gang. Computer optimal design of group delay equalizer[J]. Communication Technology, 1989, 67(4): 40-47.

Application of phase equalizer in underwater acoustic receiver

YONG Jun, JIN Tong

(National Demonstration Center for Experimental Underwater Acoustic Engineering Education, Harbin Engineering University, Harbin 150001, Heilongjiang, China)

The signal distortion caused by the phase nonlinearity of filter is one of the problems that must be solved in ultra-short baseline receiver system. In this paper, the cascade method of common filter and all-pass network is used to design the phase equalizer, which solves the nonlinear phase problem brought by using only the conventional filter, and makes the ultra-short baseline receiver maintain linear phase within the entire bandwidth. The principle and circuit structure of the all-pass network are described, and the influence of the network parameters on the phase is analyzed. In a design example, this method is applied to the actual hardware circuit system for test, and combined with experimental data and analysis of simulation result, the performance of the system is evaluated. The test results show that the phase equalizer can achieve phase equalization and correction, and has a good application prospect in underwater acoustic receivers.

ultra-short baseline receiver; phase equalizer; group delay; all-pass network

TN715.2

A

1000-3630(2019)-03-0354-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.020

2018-06-16;

2018-10-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0304102-5)、國家自然科學(xué)基金項目(61701504)

勇俊(1974－), 男, 吉林長春人, 副教授, 研究方向為聲吶系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計、海洋儀器的研究設(shè)計開發(fā)等。

勇俊, E-mail: yongjun@hrbeu.edu.cn