一种声呐脉冲信号采集处理系统的设计∗

（海军工程大学 武汉 430033）

1 引言

水下无人航行器（Unmanned Undersea Vehicle，UUV）发展迅速，其机动灵活，可搭载各种类型的传感器，深入我方领海进行抵近侦察，严重威胁领海主权[1]。UUV自身的机械噪声小，水下声对抗平台对其辐射噪声的探测较为困难[2]。但是，为了避碰和目标成像精度，UUV多携带主动声呐，这些声呐的工作信号为高频脉冲信号[3]。水下声对抗平台可以通过对高频声脉冲信号的采集分析，探测发现敌方UUV并进一步估计其方位等信息[4]。因此，本文设计了一种声呐脉冲信号采集处理系统。

2 系统组成

声呐脉冲信号采集处理系统可以将水听器接收到的声呐脉冲信号进行调理、采集和处理，并实时估计脉冲信号的幅度、频率等特征信息，然后将检测结果上传给上位机。

系统主要由电源管理模块、信号接收采集模块、处理器模块、通信接口模块等部分组成，其详细组成如图1所示。

3 硬件设计

3.1 接收机

接收机对信号进行处理，先对信号进行放大，再对信号进行滤波处理，使信号特征更加清晰明显。

前置放大器是整个采集系统的第一级，它接收换能器输出的微弱信号，对该信号进行放大。前置放大器采用低噪声、高增益的OP放大器实现，放大倍数20倍，其电路原理如图2所示。

接收机的滤波器选用4阶有源带通滤波器，类型为巴特沃斯型，由于低频段较低，采用高低通滤波器级联的方式。其中高通滤波器的截止频率为10kHz，低通滤波器的截止频率为800kHz。

图1 系统组成图

图2 前置放大器电路图

信号采集系统中，信号变化的幅度都比较大，因此放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。在实际采集条件下，需要能够在程序中用软件控制放大器的增益，或者放大器本身能自动将增益调整到适当的范围。设计使用AD603型放大器，AD603是一款低噪声、电压控制型放大器，用于射频（RF）和中频（IF）自动增益控制（AGC）系统，电路原理如图3。AD603提供精确的引脚可选增益，90 MHz带宽时增益范围为-11 dB～+31 dB，9 MHz带宽时增益范围为+9 dB～+51 dB。实际设计时，可调增益范围为0～40dB，通过软件可调。

图3 程控放大器原理图

增益控制信号是通过DAC的输出控制的，DAC选择电压输出型的DAC，12比特输出。

经过滤波器滤波和放大输出的信号为单端信号，幅度为-5V～5V之间，而ADC的输入为差分信号，幅度为0～5V之间，因此需要在滤波器和ADC之间实现驱动匹配。ADC驱动电路使用的是TI公司的THS4521全差分放大器。该放大器实现单端信号转化为差分信号，并使输出信号偏移到合适的参考电平上，ADC驱动电路原理如图4所示。

ADC采用LT公司的LTC2311-16，该ADC为16位，最高采样率为5Msps，其电路原理如图5所示。

3.2 处理器

由于需要实现多通道采集和信号处理，一般处理器采用并行能力强，接口丰富的FPGA实现[5～6]。FPGA选用ALTERA公司的EP4CE15F17I7，其封装为FBGA256，拥有180多个通用IO接口，以及丰富的逻辑单元和内存，可以满足多通道数据采集和传输的要求。

图4 ADC驱动电路原理图

图5 ADC电路原理图

图6 接口处理板电路图

3.3 接口

接口处理板的网络主要用于数据的转发和协议转换，接口处理板电路如图6所示。网络芯片选用TI公司的以太网收发器（PHY）DP83867。其主要特点：单以太网物理层芯片；支持10 BASE-T和100 BASE-TX；媒体无关接口（MII接口）；TQFP100表贴封装。FPGA通过GMII接口与DP83867进行数据交换。

高频采集系统与上位机之间采用RS232通信，RS232和LVTTL接口转换芯片选用美信公司的MAX3226，这是一款低功耗的高速RS232电平转换芯片，具有自动进入省电模式功能，在省电模式下消耗电流仅为1uA，最高数据率可达1Mbps，其应用电路如图7所示，主要特点有：1）稳定数据率为250Kbps；2）超低功耗，在省电模式下消耗电流仅为1uA；3）具有+15kV静电保护功能；4）电源电压：+2.5V～5.5V。

图7 MAX3226应用电路图

4 软件设计

信号处理的软件主要完成对信号的接收采集，然后进行数字平滑滤波、并进行检测，估计脉冲信号的主要参数，把结果送给上位机进行显示。信号处理任务由FPGA实现，信号处理程序是利用FP⁃GA内部的逻辑资源、乘加DSP模块、存储器等实现各种功能。开发环境为QUARTUS ii 15.0，仿真环境为MODELSIM 6.5，开发工具为USB BLASTER，开发语言为VERILOG 语言/VHDL语言[7]。

FPGA程序按照功能进行模块化设计，包括接口模块和处理功能模块[8～9]。接口模块包括时钟模块、ADC接口模块、DAC接口模块、串口接口模块、网络接口模块。功能模块主要为时域滤波、FFT处理模块、信号检测、判决模块，以及测试信号生成模块等[10]。

时域信号处理是在时域对信号进行滤波，然后对滤波后的信号进行检测，测得信号的幅度和脉宽。首先对信号进行去直流处理，对信号进行长时间积分求得信号的直流分量，信号减去该直流分量，再求信号的包络，对信号取绝对值，然后对该信号进行平滑，得到信号的包络，最后对信号包络进行检测，信号检测的门限是噪声幅度的4倍，当包络幅度连续大于门限后，则判决有信号，脉冲的幅度为包络的最大值，信号的脉冲宽度为过门限区间。

频域信号处理是在频率域对信号幅度进行判决，判断信号的频率。首先，对ADC输入的信号进行“乒乓”缓存，当信号存满1024后，把这些数据送给FFT运算模块。FFT模块接收到信号后，开始对数据进行傅立叶变换运算，运算结束后输出运算结果。频域信号处理流程图如图8所示。

图8 频域信号处理流程图

频率累加器和相位累加器，通过改变频率累加器的频率控制字就可以控制输出的波形频率，改变相位累加器的相位控制字就可以控制输出波形的相位。而幅值的改变是将ROM里面读出的数据进行等比例的缩减，改变缩减倍数就可以改变输出波形的幅值（0～3.3V），改变的过程是使用外部的按键进行改变。

5 通信协议

高频信号采集系统使用网络和串口通信两种方式与上位机进行通信。

高频信号采集系统与上位机之间采用网络进行命令、数据、状态信息传送，通信内容包括上行数据和下行数据。网络通信信息交换采用IEEE802.3U标准局域对等以太网（100BASE-TX）和TCP/IP协议族，网络传输层选用TCP/IP协议中的UDP协议[11]。上位机IP地址：192.168.1.30，端口：12345；高频采集系统IP地址：192.168.1.100，端口：12345。网口通信协议格式如表1所示。

表1 网口通信协议格式

数据长度为帧头、长度、数据类型、数据内容的总字节数；数据内容占用2个字节时，先发低位，再发高位。

高频信号采集系统与上位机之间采用RS232串口通信进行命令、状态信息传送，通信内容包括上行数据和下行数据。串口波特率115200，无校验，8比特。串口通信协议格式如表2所示。

表2 串口通信协议格式

数据长度为帧头、长度、数据类型、数据内容的总字节数；数据内容占用2个字节时，先发低位，再发高位。

6 测试结果

对高频信号采集系统进行测试，主要测试对象为：频率采样范围，采样率，采样精度，不失真动态范围，数据处理功能，输出接口等[12]。

图9 检测结果图

首先，检测频率采样范围、采样率、采样精度，由信号发射器输入脉冲信号，脉冲间隔为1s，幅值为100mVpp，经过检测，频率从10kHz～500kHz频率范围内都能检测到，满足要求。采样率，采样精度，数据处理功能均满足要求。图9为检测时采样结果。

其次，检测失真动态范围，把信号源输出的幅度调整到100mV，通过衰减器把信号衰减40dB，然后接到信号源输入端，再逐渐将信号幅度调大，采集板输入从0.5mV～5V之间，系统都能检测到信号，满足不失真动态范围80 dB的要求。

最后，检测网络输出与串口输出功能，经过检测，两种接口输出均能实时上传检测结果，工作状况良好。

7 结语

本文设计了一种声呐脉冲信号采集处理系统，能够接收声脉冲信号，并对信号进行调理、采集、处理、检测，将处理结果上传至上位机。经过测试，频率采样范围，采样率，采样精度，不失真动态范围满足设计要求，数据处理功能，输出接口使用状况良好，该系统可以用来采集声呐高频脉冲信号。