相位均衡器技术在水声接收机的应用

勇俊，靳桐



相位均衡器技术在水声接收机的应用

勇俊，靳桐

(哈尔滨工程大学水声工程国家级实验教学示范中心，黑龙江哈尔滨 150001)

滤波器相位的非线性引起的信号失真是超短基线接收机系统中必须要解决的问题之一。采用常规滤波器与全通网络级联的方法设计了一种相位均衡器，解决了仅使用常规滤波器带来的非线性相位问题，使超短基线接收机在带宽内保持线性相位。给出了全通网络的原理、电路结构推导，分析了该网络中各参量对相位的影响。在设计实例中，相位均衡技术应用到实际硬件电路中进行测试，并结合试验数据及仿真结果对系统的性能进行评估。测试结果证明了相位均衡器可以实现相位的均衡校正功能，在水声接收机领域中有良好的应用前景。

超短基线接收机；相位均衡器；群时延；全通网络

0 引言

超短基线定位系统在水声定位声呐系统中一直发挥着重要的作用[1]，超短基线的接收机性能对定位距离、定位精度等更为重要。相位线性度不仅是衡量超短基线接收机重要的性能指标，也是反映信号传输质量的重要影响因子。若接收机各通道的相频特性是非线性的或不同频率的信号通过系统时产生的相移不同造成波形畸变、相位失真，都会直接影响系统的定位精度。模拟滤波器[2]性能是通过幅频特性、输出线性特性和输出相移特性来表征的，对于理想滤波器，其频率响应在通带内应具有线性相移，即群时延为一条水平直线，其值理论上是一个常数。实际应用的滤波电路很难达到线性相位，而同时满足幅频特性和相频特性就更为困难，群时延波动也非常大。如何取得滤波器理想的带内相位，是滤波器的一个设计难点[3]。解决办法一是采用巴特沃兹函数逼近，使其通带内具有最大平坦段，阶数越大平坦度越好，但是过渡带衰减较慢导致选择性较差[4]，而且在实际电路中也难很达到最佳的线性相位。二是修改传递函数，这样做的代价是破坏了滤波器的幅频响应[5]。

为使滤波器的幅频特性和相频特性在折衷的条件下达到各自的最佳状态，本文采用了相位均衡器的设计方法[6]，在超短基线接收机的滤波单元之后接入相位均衡器，在工作通带内拟合一条水平直线作为理想的曲线初值，优化元件参数[7]，使群时延特性曲线向这条直线逼近。实例设计表明该方法效果十分理想。

1 相位均衡器的设计原理

图1 滤波器TF级联全通滤波器TAP

由于信号的相位是频率的函数，如果不同频率的信号通过系统时产生的时延(相移)不同，则会使信号发生畸变[8]。群时延[9]是描述传输系统相频特性的重要指标，为了方便研究，用群时延代表系统的相频特性，其定义为

为了使接收机的相位接近线性相位特性，需要对接收机的相位特性进行校正，但不改变接收机的幅频特性。全通滤波器具有幅频响应为1、相位响应随着频率而变化的特性，所以设计的均衡器应是一种全通网络，并与原系统网络级联，可达到校正作用。

图2所示为相位均衡的整体设计思路。

根据以上原理，完成恒定群时延系统的设计，大致分两部分：

(1) 计算超短基线接收机中滤波单元提供的群时延；

图2 相位均衡的设计思路

2 全通网络的模型结构与基本特性

2.1 一阶全通网络模型结构

图3所示为一阶有源全通网络。

图3 一阶有源全通网络电路图

一阶有源全通网络的传递函数为

群时延特性为：

可见群时延特性由各个网络中的极点频率决定，通过设计极点频率来满足所需的群时延特性。根据式(6)可发现，群时延随着频率的增加而减小[10]，如图4所示。

通常在简单的情况下，利用一阶全通网络来实现一些最小的时延均衡。对于更复杂的需求，优先使用二阶全通网络模块。例如在带通网络中，工作频带不包括零频，阶数不能取0.5的奇整数倍，一定要取偶正整数才行，所以带通网络中，只能用二阶全通模块，不能用一阶全通。

图4 一阶有源全通网络的群时延特性

2.2 二阶全通网络模型结构

图5所示为二阶有源全通网络，其传递函数为

相频特性为

群时延为

图5 二阶有源全通网络电路图[11]

图6 二阶有源全通网络的群时延特性

3 全通网络设计方法

3.1 初始值估算

3.2 加平过程

4 设计实例

4.1 指标要求

表1 接收机中一个带通滤波器的群时延特性

4.2 设计过程

根据超短基线接收机的群时延特性，需要级联六阶全通网络来实现相位均衡，经过初始值的选定以及多次迭代所得各节全通网络的品质因数、极点频率如表2所示。

表2 全通网络的极点频率和品质因数

图7(a)所示为超短基线接收机系统的相频特性，图7(b)为超短基线接收机系统的群时延特性，发现群时延有40 μs的波动。图7(c)、7(d)分别是极点频率为23 kHz、品质因数为2.5的二阶全通网络的相频特性和群时延特性。图7(e)、7(f)分别是极点频率为31 kHz、品质因数为3.57的二阶全通网络的相频特性和群时延特性。图7(g)、7(h)分别是极点频率为20 kHz、品质因数为0.3的二阶全通网络的相频特性和群时延特性。

4.3 结果分析

图8 相位均衡前后超短基线接收机系统的性能对比

5 结论

本文设计并实现了一种用于解决超短基线接收机系统中滤波器相位非线性问题的相位均衡系统，并完成了系统硬件制作与调试，对相位均衡器应用在超短基线接收机的相频特性和群时延特性等性能进行了测试。同时通过有无相位均衡器的比较实验证实了相位均衡器能够有效改善群时延波动，使接收机系统的相位达到了很好的线性效果，充分展现了均衡技术在水声接收机中具有非常高的研究和应用价值。

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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

国家重点研发计划项目(2016YFC0304102-5)、国家自然科学基金项目(61701504)

勇俊(1974－), 男, 吉林长春人, 副教授, 研究方向为声呐系统的软硬件系统设计、海洋仪器的研究设计开发等。

勇俊, E-mail: yongjun@hrbeu.edu.cn