一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路

吴剑明，张小康，黄身钦，许肖梅

(厦门大学 信息科学与技术学院，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005)



一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路

吴剑明，张小康，黄身钦，许肖梅*

(厦门大学 信息科学与技术学院，水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005)

摘要：介绍一种适用于移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路，电路采用初级放大—滤波—次级放大(反馈至初级放大)的闭环信号调理机制，可将调理后的输出信号稳定在某期望量值附近，能有效解决移动水声跳频通信中由于收发端相对距离变化、声传播衰减、信道频率选择性衰落、收发端电路频率响应不均匀等因素引起的接收声信号幅度随频率大起伏变化的问题.海上试验结果表明，该电路具备良好的幅度均衡性能，能大幅度提高信号检测准确度，明显提高水声通信质量.

关键词：水下移动通信；跳频技术；幅度均衡

水声信道的复杂特性会引起严重声信号衰减、频率选择性衰落，再加上收发端相对距离变化、调理电路频率响应不均匀等因素造成水声通信接收系统接收到的原始信号幅度强度变化范围大，普遍在几十dB上下，不仅可能超出模数转换芯片限定的输入范围，引起信号失真，还会影响通信系统的误码率和算法复杂度，尤其是采用非相干能量解调的水声跳频通信系统.因此，水声通信系统的接收端常采用幅度均衡(amplitude equalizing,AE)电路，可将原始信号调整到限定的输入范围内，还可以减少码元信号能量起伏以利于提高检测准确率[1].目前，幅度均衡技术从实现方式上可以分为2种：数字方式和模拟方式[2].数字方式是当前水声通信领域研究的热点，主要依赖于均衡算法，在均衡性能、噪声引入等方面有优势，但其算法运算量大、收敛时间长等因素制约了数字均衡技术在成熟水声通信系统中的应用[3-6]；模拟方式主要依赖硬件电路实现，在收敛时间、系统复杂度等方面有明显优势[7-11].本文中设计的幅度均衡电路属于模拟方式，采用两级间接级联放大反馈回路，形成放大-滤波-次级放大的闭环信号调理机制，能有效提高幅度均衡性能、降低电路噪声，集合了模拟和数字幅度均衡的优点，通过海上现场测试验证了电路性能.

1电路结构介绍

本研究介绍的幅度均衡电路结构如图1所示.该电路由阻抗变换电路、自动增益控制电路和带通滤波器3部分组成.其中，阻抗变换电路以运算放大器LT1678为核心器件，实现水声换能器输出阻抗与自动增益控制电路低输入阻抗之间的变换；自动增益控制电路以可变增益放大器AD603为核心器件，通过两片间接级联实现初、次两级的增益自适应控制，增益控制动态范围可达84 dB；带通滤波器以模拟滤波器MAX274为核心，构成8阶切比雪夫带通滤波器.

图1　幅度均衡电路结构示意图Fig.1The diagram of the circuit of amplitude equalizing

1.1阻抗变换电路

阻抗变换电路如图2所示.电阻R1、高阻值电阻R2和双向导通二极管D1构成限幅电路，允许换能器接收到的微弱回波信号通过，而在大功率信号激励换能器发射时，可起到限幅作用，保护接收端电路；以运算放大器LT1678为核心组成的电压串联负反馈放大电路，具有大的输入阻抗和小的输出阻抗，实现换能器输出端和自动增益控制电路输入端间信号无损传递；R3、R4和C2构成的反馈支路具有选频增益控制作用，对带宽内低频信号实施小增益放大，而对高频信号实施大增益放大，一定程度上补偿了水声信道频率选择性衰落.

图2　阻抗变换电路Fig.2The circuit of impedance conversion

图3　自动增益控制电路Fig.3The circuit of auto gain control

1.2自动增益控制电路

自动增益控制电路如图3所示.该电路主要由线性可变增益放大电路和反馈调节电路构成.

线性可变增益放大电路是由两片AD603间接级联构成两级放大，初级放大后先经过带通滤波器再进行次级放大.这种机制可以通过控制初级放大增益，降低噪声放大，提高调理信噪比.AD603芯片引脚5和7之间的外接电阻R11、R12的阻值用于选择-22～102 dB区间内最大84 dB的可编程增益范围，外接阻值均为0时，增益范围是-22～62 dB，外接阻值趋近∞时，增益范围是18～102 dB；AD603芯片引脚1与2之间的电压差值可线性控制输出增益值，比例系数是25 mV/dB，为了保证级联电路具有最佳的线性控制能力，芯片U3引脚2与芯片U2引脚2之间的电压差应稳定在1.05 V左右(刚好对应单片AD603的最大增益42 dB)[13].

反馈调节电路由一对互补三极管Q1和Q2构成，Q2集电极可稳定提供300 μA输出电流，分别流向Q1集电极和电容C132个支路；Q1和R13组成半波检测电路，根据次级放大电路输出信号幅度反向调节电容C13充电电流大小，改变C13两端电压，进而控制线性可变增益放大电路的输出增益，实现反馈，取得稳定幅值的输出信号；反馈调节的灵敏度由C13的容值大小决定，容值越小，充放电越快，灵敏度越高，但容值的选择要与被调理信号频率相匹配；稳定输出的信号幅值通过R13电阻确定，阻值越大输出电压越大.

1.3带通滤波器

带通滤波器采用单片集成有源滤波芯片MAX274来实现.设计的8阶切比雪夫带通滤波器具有陡峭的滚降，可以有效滤除带外噪声.

带通滤波器置于自动增益控制电路的初级放大和次级放大之间，形成初级放大—滤波—次级放大(反馈至初级放大)的闭环信号调理机制.相比传统的放大—滤波开环调理机制，该机制能够在保证输入到带通滤波器的信号幅度足以克服滤波器本体噪声前提下，尽量减小初级放大增益，从而降低噪声放大，再在次级放大电路中放大有用信号，大大提高处理信噪比，使带宽内不同频率信号取得更稳定的幅值输出，实现幅度均衡.

2试验结果

现场测试在厦门五缘湾浅海域进行，海域平均水深约为10 m，沙底质，测试距离设置为890 m，水声信道测试结果如图4所示.可以看出，时延5 ms内的信道多途结构稳定.测试平台采用4FH-16FSK调制，卷积码为信道编码的水声跳频通信系统，每个通信帧包含1个码元宽度粗同步信号、1个码元宽度细同步信号、80个数据码元和若干个码元宽度的保护间隔，每个码元宽度为10 ms.

图6　跳频频点全集频谱分析结果Fig.6Spectrums of all the frequency hopping points

图4　水声信道冲击响应Fig.4The pulse responses of underwater acoustic channels

为了验证本文介绍的幅度均衡电路性能，在系统接收端设计了一个预处理模块，如图5所示.该模块包含直连(direct connection,DC)、线性放大+滤波(linear amplifier and filter,LAF)和AE 3种信号调理电路.在同等条件下，采集了各电路的调理输出信号，分别用ro、rl和ra来表示，经过同步捕获后准确切割码元，并对每个码元采用快速傅里叶变换鉴频.

图5　信号预处理模块Fig.5The signal pre-processing module

分别从ro、rl和ra中提取出64个跳频频点码元进行频谱分析，得到如图6所示结果.横轴代表归一化频率，用于分析频率f与采样频率fs的比值，测试平台使用的通信带宽在0.2fs～0.3fs之间.理想的频点信号谱图在通带内应该具有一致的频率响应，在经过信道传输后，通带频率发生不同程度的衰减，见图6(a)；采用LAF调理方法仅增强通带强度，无法克服通带内的起伏，见图6(b)；而采用AE调理后，有效克服了通带频率起伏问题，见图6(c).

图7所示为ro、rl和ra中截取的某一帧信号.图7(a)的原始接收信号幅度小且波形起伏大；图7(b)是LAF调理后的信号，幅度增大但起伏并没有克服，在原始信号幅度已经很强的情况下，还有可能引起调理输出信号饱和削顶失真(模数转换器(ADC)输入范围是±1.2 V)；图7(c)是经过AE调理的信号，幅度稳定地保持在±0.5 V之间(设定Vpp=1 V)，信号增强和时域起伏问题都得到解决.

图7　经过3种调理电路预处理后的某一帧信号波形Fig.7The conditioned signal waveforms by the three circuits

为了定量分析3种信号调理电路的性能差别，分别从ro、rl和ra中提取若干码元(数量分别是9 200，8 880和7 120)，通过快速傅里叶算法对码元进行频谱分析，提取各码元的主瓣峰值、第一旁瓣峰值，并计算其均值、标准差、偏差等参数，如表1所示.

表1中显示：AE、LAF调理对主瓣信号和第一旁瓣信号均提供放大增益，但LAF调理是提供近似于线性的放大增益，而AE调理可对主瓣信号提供大增益、对第一旁瓣信号提供较小增益，一定程度上提高了码元信噪比.经LAF调理和AE调理后输出码元主瓣峰值均值和第一旁瓣峰值均值的比值δ分别是：

(1)

(2)

提高的码元处理信噪比(SNR)为：

(3)

图8　码元频谱主瓣峰值和第一旁瓣峰值归一化分布图Fig.8The normalized peaks of the main lobe and the first side lobe extracted from frequency spectrums of symbols

表1　码元频谱分析的统计结果

Tab.1　Statistical results of spectral analysis of symbols

调理电路分析码元数主瓣峰值第一旁瓣峰值均值标准差偏差/%均值标准差偏差/%AE7120194.4649.9625.6981.7522.1227.06LAF8880113.7246.7541.1177.1329.8938.76DC92003.322.0060.431.330.4936.53

从各电路调理码元中提取1 000个，并将其主瓣峰值和第一旁瓣峰值以各自调理电路统计所得的最大值为参照进行归一化处理，显示成散点图，如图8所示.图8(a)显示原始接收信号第一旁瓣峰值基本涵盖在主瓣峰值的浮动区间内；图8(b)显示经过LAF调理后，部分第一旁瓣峰值移出了主瓣峰值分布区间，但不显著；图8(c)显示AE调理使主瓣峰值向更高值区间移动，让主瓣峰值和第一旁瓣峰值呈现明显的分离趋势.

对采用非相干能量检测的水声跳频通信系统，码元的第一旁瓣峰超过主瓣峰时，会导致检测误判，形成误码.而以上分析与3种调理电路试验时统计得到的传输误码率变化趋势相一致，如表2所示.

表2　3种调理电路误码率Tab.2　Statistical results of spectral analysis of symbols

3结论

本研究介绍的幅度均衡电路，可以有效克服水声跳频通信中接收声信号时域波形大起伏变化问题，稳定输出期望幅度信号；在频域上，能对目标频点(主瓣)和干扰频点(旁瓣)施加不同放大增益，提高处理SNR，输出的目标频点具有较平稳的强度，克服了接收信号通带频域内的起伏.经过海上现场比较试验，表明该幅度均衡电路具备良好时域、频域均衡的性能，能显著提高水声通信质量.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512031

收稿日期：2015-12-28录用日期：2016-04-07

基金项目：国家自然科学基金(41376040)；福建省中青年教师教育科研项目(JA15001)

*通信作者：xmxu@xmu.edu.cn

中图分类号:P 733.24

文献标志码：A

文章编号：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：吴剑明，张小康，黄身钦，等.一种移动水声跳频通信接收系统的幅度均衡电路[J].厦门大学学报(自然科学版)，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)