聲吶多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李淑萍 董衛(wèi)珍 李玉娥

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海，201108）

多通道接收機(jī)是多波束聲吶的重要組成部分，主要完成接收小信號(hào)的放大、濾波、可編程增益控制等[1-3]。接收機(jī)工作狀態(tài)是否正常、技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求，直接影響著聲吶的整體性能。多通道聲吶接收機(jī)要求各個(gè)通道在一定帶寬內(nèi)具有平坦的幅頻特性，且?guī)庠肼曇种菩Ч?，通道間需要保證一定的幅度、相位一致性，接收機(jī)整體要求噪聲低、靈敏度高、增益可控范圍大[4-5]。為了準(zhǔn)確評(píng)估接收機(jī)各通道之間幅度一致性、相位一致性、帶寬、噪聲、增益可控范圍等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，常用測(cè)試系統(tǒng)由掃頻儀、頻譜分析儀、示波器等專業(yè)設(shè)備搭建，價(jià)格昂貴且無(wú)法滿足多通道快速測(cè)試的需求，為此有必要研發(fā)聲吶系統(tǒng)多通道接收機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的聲吶多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，基于LabView軟件設(shè)計(jì)配合硬件電路開(kāi)發(fā)，能快速有效的完成接收機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)組成

聲吶多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、主控計(jì)算機(jī)等幾個(gè)部分組成。信號(hào)源模塊向接收系統(tǒng)發(fā)送多通道模擬小信號(hào)；主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行測(cè)試軟件，控制信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)試所需的信號(hào)，調(diào)用不同功能模塊對(duì)接收機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試；數(shù)據(jù)傳輸模塊完成接收系統(tǒng)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集并通過(guò)千兆網(wǎng)口上傳至主控計(jì)算機(jī)。測(cè)試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

信號(hào)源模塊為測(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試信號(hào)，由信號(hào)源、信號(hào)分配兩部分組成。信號(hào)源采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備Keysight33210信號(hào)發(fā)生器，使用直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS），可生成穩(wěn)定、純凈、低失真的正弦信號(hào)，頻率輸出最高可到10 MHz，幅度輸出范圍10 mV～10 V。該設(shè)備自帶圖形模式便于信號(hào)設(shè)置，同時(shí)也可以通過(guò)串口接收主控計(jì)算機(jī)的指令，根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，輸出需要的測(cè)試波形。為滿足接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)小信號(hào)的輸入要求，信號(hào)分配主要完成信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的衰減，并將信號(hào)分成多路，分別加載到各待測(cè)通道的輸入端。

圖1 聲吶多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

信號(hào)采集模塊使用多路AD同時(shí)采集所有通道輸出的模擬信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)打包上傳至主控計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出測(cè)試結(jié)果。本測(cè)試系統(tǒng)的采集器件使用 Ti公司的 18位 ADC芯片ADS9110[6]，信號(hào)輸入范圍是10 V，數(shù)據(jù)采樣率最高可達(dá)2 MHz。數(shù)據(jù)的傳輸模塊采用Xilinx公司的FPGA芯片Virtex-XC5VLX50T[7]實(shí)現(xiàn)，該器件不僅有豐富的存儲(chǔ)容量和邏輯單元，還內(nèi)嵌千兆網(wǎng)硬核MAC（Media Access Control）控制器，通過(guò)配置MAC控制器可與主控計(jì)算機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)FPGA時(shí)序控制，可實(shí)現(xiàn)多路AD同步采集，并將多路AD采集的結(jié)果打包，上傳至主控計(jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試分析軟件采用NI公司的LabView圖形化語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件分為接口模塊、通道指標(biāo)測(cè)試模塊、界面顯示模塊。測(cè)試系統(tǒng)軟件整體方案框圖如圖2所示。

圖2 多通道接收測(cè)試系統(tǒng)軟件方案框圖

接口模塊有三個(gè)主要功能：第一是通過(guò)串口控制信號(hào)源，產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的信號(hào)波形。第二是與測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊建立網(wǎng)絡(luò)連接，下發(fā)同步采集命令、采樣頻率、測(cè)試通道數(shù)等命令，接收、解析上傳數(shù)據(jù)。第三是保存測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果和采集數(shù)據(jù)，便于設(shè)備的其它用途。

通道分析模塊是測(cè)試系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵模塊，對(duì)各通道采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的算法分析，分別以圖形、文本的形式給出各通道的測(cè)試結(jié)果，完成測(cè)試系統(tǒng)所有通道技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。其中通道一致性測(cè)試給出每個(gè)通道的幅度、相位信息，并計(jì)算出各通道間的幅度、相位差異；通道頻響測(cè)試通過(guò)掃頻測(cè)量，繪制出通道濾波器頻響曲線圖，計(jì)算出濾波器的帶寬、帶外抑制能力等指標(biāo)；通道噪聲測(cè)試完成各通道等效輸入噪聲分析；通道增益控制范圍的測(cè)試是指通過(guò)測(cè)量通道不同增益控制下的信號(hào)幅值，繪制通道增益曲線圖，計(jì)算通道動(dòng)態(tài)范圍。

界面顯示模塊使測(cè)試系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，可設(shè)置信號(hào)源的頻率、幅值、波形形式，也可以圖形化、列表格顯示通道測(cè)量結(jié)果，同時(shí)還可以保存并導(dǎo)出測(cè)試結(jié)果便于測(cè)試數(shù)據(jù)的后續(xù)分析使用。測(cè)試系統(tǒng)界面顯示如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)界面

3 測(cè)試方法

多通道接收機(jī)完成輸入小信號(hào)的放大、濾波、增益控制，其技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試項(xiàng)主要有：通道幅度一致性、相位一致性、濾波器帶寬及帶外抑制能力、短路噪聲、增益控制范圍。

3.1 幅度一致性的測(cè)量

測(cè)試軟件控制信號(hào)源輸出一定頻率、一定幅度的正弦信號(hào)，接收通道保持固定增益，數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)采集接收通道輸出信號(hào)并上傳，N個(gè)采樣點(diǎn)后，測(cè)試軟件停止采樣。然后按照以下步驟，開(kāi)始計(jì)算各通道信號(hào)的幅度誤差。

（1）根據(jù)下式計(jì)算各通道采集數(shù)據(jù)的平均值。

式中，Dj(i)為第j通道的數(shù)據(jù)采樣值，N為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)，Aj為第j通道的數(shù)據(jù)采樣平均值。

（2）根據(jù)下式計(jì)算得到各通道的有效值。

（3）根據(jù)下式計(jì)算各通道有效分貝值。

式中，Vin為輸入正弦信號(hào)的幅度有效值。

3.2 相位一致性的測(cè)量

相位一致性的測(cè)量過(guò)程和幅度一致性的測(cè)量一致，各通道信號(hào)的相位誤差的計(jì)算按照以下步驟進(jìn)行。

（1）根據(jù)公式（1）得到各通道采集數(shù)據(jù)的平均值A(chǔ)j，根據(jù)下式得到數(shù)組arrj，arrj為1×N的矩陣。（2）根據(jù)下式得到各通道的希爾伯特變換矩陣。

式中，H(·)表示對(duì)矩陣進(jìn)行希爾伯特變換，i=1,…N,表示各通道數(shù)據(jù)幅值，表示各通道相位。

（3）根據(jù)下式得到每個(gè)采樣點(diǎn)各通道與第一通道的相位差。

式中，Re(·)、Im(·)分別代表實(shí)部和虛部。

（4）根據(jù)下式得到度數(shù)表示的各通道與第一通道的相位差。

3.3 濾波器帶寬及帶外抑制能力的測(cè)量

測(cè)試軟件通過(guò)設(shè)置信號(hào)源的掃描頻率和步長(zhǎng)，控制信號(hào)源輸出一定頻率、一定幅度的正弦信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)采集接收通道輸出信號(hào)并上傳，測(cè)試軟件計(jì)算每個(gè)頻率點(diǎn)的通道放大量，并計(jì)算濾波器帶寬和帶外抑制比。

接收機(jī)常用的帶通濾波器的頻率響應(yīng)曲線如圖4所示，分為阻帶、通帶、阻帶三個(gè)部分。為測(cè)量精準(zhǔn)，阻帶測(cè)量時(shí)掃頻步長(zhǎng)可以較長(zhǎng)，輸入信號(hào)幅度比較大，在通帶內(nèi)掃頻步長(zhǎng)較小，同時(shí)為了使信號(hào)不失真，輸入小幅度信號(hào)。掃描步長(zhǎng)和輸入信號(hào)的幅度應(yīng)根據(jù)掃描時(shí)刻，由程序控制其自動(dòng)改變。

圖4 帶通濾波器頻率響應(yīng)曲線

掃頻頻率需要設(shè)置起始頻率fo，終止頻率fz，低阻帶頻率fl，高阻帶頻率fh，通帶步長(zhǎng)Dt和阻帶步長(zhǎng)Dz及通帶內(nèi)輸入量程Ct，阻帶輸入量程Cz。其測(cè)試的程序流程圖如圖5所示。

圖5 帶通濾波器頻率響應(yīng)測(cè)量流程圖

3.4 短路噪聲的測(cè)量

接收機(jī)短路噪聲的測(cè)量是將各通道模擬輸入接地，數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)采集接收通道輸出信號(hào)并上傳，測(cè)試軟件按如下步驟計(jì)算各通道短路噪聲：

（1）根據(jù)式（1）～（3），可以得到輸出端的短路噪聲DLoj；

（2）根據(jù)公式（8），得到等效到輸入端的短路噪聲DLj。

式中，DLoj為第j通道的輸出端短路噪聲，Vj為對(duì)應(yīng)通道的增益。

3.5 增益控制范圍的測(cè)量

測(cè)試軟件控制信號(hào)源輸出一定頻率、一定幅度的正弦信號(hào)，同時(shí)設(shè)定接收機(jī)最小增益，數(shù)據(jù)采集模塊同時(shí)采集接收通道輸出信號(hào)并上傳，測(cè)試軟件計(jì)算通道信號(hào)的幅度值。按照一定步長(zhǎng)增加接收機(jī)增益，并重新采樣計(jì)算通道信號(hào)幅度值，直至接收機(jī)增益設(shè)定最大值。

4 測(cè)試結(jié)果演示

現(xiàn)以一個(gè) 64通道接收機(jī)為例，利用測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其技術(shù)指標(biāo)。接收機(jī)中心頻率80 kHz，信號(hào)帶寬30 kHz，為保證測(cè)試精度，設(shè)定AD采集模塊的采樣率400 kHz，上傳數(shù)據(jù)量約500 Mbit。因?yàn)閿?shù)據(jù)量較大，測(cè)試軟件采取先以文件形式保存采樣數(shù)據(jù)，然后再分析采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

測(cè)試軟件共有 4個(gè)子界面，分別是自動(dòng)測(cè)量、頻率響應(yīng)測(cè)量、相位差測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量。四個(gè)界面集成在同一個(gè)系統(tǒng)里，通過(guò)界面上的按鈕進(jìn)行選擇。測(cè)試軟件子程序選擇按鈕如圖6所示。自動(dòng)測(cè)量子界面可完成接收電路的幅度測(cè)量、增益可控范圍測(cè)量、短路噪聲測(cè)量；頻率響應(yīng)測(cè)量子界面完成通道濾波器特性測(cè)量；相位差測(cè)量完成通道間相位一致性的測(cè)量；手動(dòng)測(cè)量主要是指在測(cè)量過(guò)程中不是軟件而是手動(dòng)控制信號(hào)源。

選用自動(dòng)測(cè)量界面測(cè)量通道一致性。在采樣參數(shù)設(shè)置中，設(shè)置采樣率和采樣點(diǎn)，信號(hào)源設(shè)置中設(shè)置信號(hào)的類型、頻率、幅度等，測(cè)量結(jié)果選擇以文本方式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，待測(cè)試信號(hào)穩(wěn)定后點(diǎn)擊開(kāi)始記錄按鈕，則記錄電壓有效值。波形圖中顯示測(cè)量信號(hào)的波形，右側(cè)的方框中顯示部分通道電壓值、增益、頻率等信息。測(cè)試軟件自動(dòng)測(cè)量界面如圖6所示。

圖6 測(cè)試軟件自動(dòng)測(cè)量界面

通過(guò)分析存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)，計(jì)算一定增益下的通道一致性，并將測(cè)試結(jié)果繪圖。64接收通道的幅度一致性測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7 64接收通道的幅度一致性測(cè)量結(jié)果

選用頻率響應(yīng)界面測(cè)量通道濾波器頻響曲線。設(shè)置掃頻起始頻率、終止頻率、掃描頻率步長(zhǎng)等參數(shù)，點(diǎn)擊上方的開(kāi)始按鈕，即可開(kāi)始掃頻。一次掃頻測(cè)量可以同時(shí)得到接收通道幅頻和相頻的信息。

測(cè)試軟件頻率響應(yīng)測(cè)量界面如圖8所示。界面同時(shí)有三個(gè)波形窗口，上面為信號(hào)波形顯示窗口，能夠?qū)崟r(shí)顯示信號(hào)的波形和幅度。中間窗口能夠?qū)崟r(shí)顯示某一選定通道的動(dòng)態(tài)掃頻過(guò)程。下面窗口在掃頻結(jié)束時(shí)，顯示出所測(cè)試的全部信號(hào)的頻率響應(yīng)曲線。通過(guò)分析存儲(chǔ)的通道幅頻數(shù)據(jù)，計(jì)算通道濾波器帶寬、帶外抑制能力，并繪圖。64通道接收濾波器響應(yīng)測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

上述兩例演示結(jié)果表明，該多通道接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，可便捷設(shè)置各種參數(shù)，也可以實(shí)時(shí)圖形化或列表格顯示通道測(cè)量結(jié)果。當(dāng)通道數(shù)較多，數(shù)據(jù)量較大時(shí)還可以保存并導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果便于測(cè)后繼續(xù)分析使用。

圖8 測(cè)試軟件頻率響應(yīng)測(cè)量界面

圖9 64通道的頻率響應(yīng)測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種多通道聲吶接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，使用多路AD同時(shí)采集所有通道輸出的模擬信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)打包上傳至主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)基于LabView圖形化語(yǔ)言編程測(cè)試分析軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)通道各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試。對(duì)接收機(jī)幅度一致性、通道一致性、頻率響應(yīng)等技術(shù)指標(biāo)的一體化測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確有效、方便直觀,表明該系統(tǒng)具有操作便捷、測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足對(duì)接收機(jī)性能的測(cè)試需求。本文實(shí)現(xiàn)的測(cè)試系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于聲吶、語(yǔ)音等微弱信號(hào)探測(cè)前端硬件技術(shù)領(lǐng)域。