“全数字”D 类发射机的研制

张 巍，刘 洋，邹 爽，邵立蓉

（中国人民解放军海军装备部驻沈阳地区军事代表局 沈阳辽海装备有限责任公司，沈阳 110003）

0 引言

随着我国海洋经济发展，在近海和港口航行的商船、渔船日益增多，为船只航行安全带来挑战。碰撞是船只航行安全的头号敌人，水下障碍物是导致船只受损的主要原因之一。航行时依靠声纳进行实时探测，规避障碍是避免碰撞的最有效方法之一。从功能上来说，声纳必须要在规定的距离内检测到目标，为船只实施机动规避留出足够的反应时间；又要能够覆盖足够的探测空间，并提供目标的空间位置信息，同时更要具有高分辨力[1]。作为主动探测声纳更要具备小体积、大功率、低能耗、宽带高频、低失真的发射机实现主动信号探测。因此，“全数字”D类发射机的研制显得尤为必要。

“全数字”D类发射机是采用可编程逻辑芯片产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）等探测信号，激励全桥功率放大器并通过匹配网络驱动发射换能器，实现电声信号转换达到主动探测的目的。“全数字”D类发射机具有小体积高效大功率、宽带高频、低失真的特点，具有过压、过流和过热等多重保护。

1 设计思路

1.1 传统D 类发射机

现代主动声纳发射机普遍采用效率高的D类功放，通常是将模拟输入信号（自振荡信号）与某一频率的三角波进行比较，产生一对相位相反的PWM脉冲宽度调制信号，经过驱动后控制功率放大器交替工作，从而形成高压放大。信号流程：“模拟信号产生→比较器→PWM脉冲→驱动→高压放大→模拟还原”，缺点如下：

1）电路复杂，走线多，成本高

采用复杂发射信号以后，发射波形不是再由简单的振荡电路产生，而是来自于数字信号发生器。信号通过多通道DA板转换为模拟信号再送至发射机，需要经过多路模拟电缆，易受干扰、布线成本高。

2）模拟信号PWM调制后功放的零电平问题

典型的D类发射机通过对模拟输入信号进行比较，当输入模拟信号接近为零时，正负PWM信号都是占空比为50%的方波，对功率放大器消耗极大的功率，极易损坏。为了解决这个问题，必须引进同步控制，同步控制信号与PWM信号进行逻辑运算，在无发射信号时使功率放大器保持截止。又提出对输入信号进行检波判决的方法，当信号小于某一电平后，就使得功率放大器保持截止。上述方法都会增加成本，降低可靠性。

1.2 “全数字”D 类发射机

“全数字”的意思是不采用模拟信号输入和PWM比较采样，而将数字信号发生器的FPGA或者DSP生成的数字信号通过数字电路直接转换为含有驱动要求的PWM控制信号。优点如下：

1）简化电路、降低成本

省去多通道DAC、PWM比较采样部分。同时上位机可通过网络、光纤或者串口与发射机通信，大幅减小了在船只上安装时的布线成本。

2）完全解决零电平问题，提高可靠性

发射波形的数字量化信号转换为PWM波形完全通过数字电路完成，当数值为零时，可以使功率放大器完全截止，不存在误判情况。

传统D类发射机与“全数字”D类发射机的系统实现过程比较见图1。

图1 传统与“全数字”D 类发射机系统实现比较

2 主要单元结构及功能原理设计

“全数字”D类发射机主要由全数字信号发生器（PWM调制信号）、驱动、功率放大（全桥）、保护、匹配网络、取样组成，原理框图见图2。

图2 原理框图

2.1 全数字信号发生器

“全数字”的意思是不采用模拟信号输入和PWM比较采样，而通过数字信号发生器FPGA或者DSP直接生成满足驱动要求的PWM数字调制信号，这部分就是全数字信号发生器。主要由以下几部分组成：

1）通信接口。与上位机进行通信，完成发射命令的接收、状态自检等反馈信号的回传等功能。该接口可以是光纤、以太网或其它高速串行接口。

2）信号发生器。依据发射命令，完成信号的生成、装订、驱动等。

3）转换。信号的电平转换和隔离驱动。

PWM数字信号的作用就是将幅度量化转换为脉冲时间宽度量化。PWM调制波形“全数字”产生见图3。

图3 PWM 波形“全数字”产生

从上位机角度看，与全数字信号发生器的通信包括以下内容：

1）下行

（1）发射机状态查询。

（2）下载发射波形数据。

（3）PING命令，选择某一波形并发射。

2）上行

（1）状态回传（告警、保护）。

（2）接收发射波形确认。

交互流程见图4。会话均由上位机发起，如果上位机在设定时间内没有收到回应，则进入超时错误处理程序。

图4 上位机与全数字信号发生器交互流程

其中，发射机状态查询用于确认与全数字信号发生器通信是否正常。全数字信号发生器收到查询命令后回复发射机当前各通道的自检状态。

全数字信号发生器可存储多种不同的波形数据，掉电不丢失。该数据在发射信号之前下载完成，全数字信号发生器收到该数据后，将其写入FLASH指定位置，以便调用和发射，并且向上位机回复确认。

正常工作状态下，选择某一指定的波形并发出，全数字信号发生器在发射完成后向上位机报告发射机状态作为确认。

2.2 驱动和功率放大

该发射机采用全桥设计，选用4个大功率开关管组成一个H桥为负载提供双向的驱动电流。驱动信号分别对应H桥的高压开关管，且自身带有自举电路分别对应H桥的高边和低边驱动。驱动和功率放大原理框图见图5。

图5 驱动和功率放大原理框图

驱动信号见图6。

图6 驱动信号

2.3 匹配网络

本发射机驱动的负载是发射换能器，负载特性表现为容性。如何消除容性负载使得换能器的功率发挥到最大是必须要考虑到的问题。消除容性负载的方法很多，本发射机采用了LC差分滤波器和并联匹配的方法。

匹配网络原理框图见图7。

图7 匹配网络

差分滤波，系数K及计算公式如下：

式中：K为滤波器系数；RL等效负载阻抗；FC滤波器截止频率；L为滤波器电感量；C为滤波器电容值。

并联匹配等效电路见图8(a)。谐振等效电路见图8(b)。

图8 谐振电感L0 与换能器并联等效及谐振等效电路

由式（4）可得，当谐振电感L0与换能器并联，其等效负载阻抗不变[2]。

采用并联匹配，计算如下：

式中：fc为信号的截止频率；L0为匹配电感量；C0为负载的容抗。

3 试验及测试结果

发射机经过水池、湖上联调试验和岸基试验[3-4]。按照所承载载体的总体要求，经过了多种单频和复合复杂信号的实际发射验证，达到了设计技术指标。

3.1 测试数据

主要指标数据测试如下：

1）带内起伏。通道内最大为2.4 dB。

2）通道间一致性。通道间为0.8 dB。

3）失真度。不大于0.08%。

4）声源级。不小于218 dB。

5）效率。不小于93%。

3.2 实物及波形

发射机实物见图9。信号波形[5]、发射波形和接收波形见图10。

图9 “全数字”D 类发射机

图10 各节点波形

4 结论

本发射机与传统D类发射机相比有如下创新和改进：

1）实现“全数字”PWM调制等复杂信号的产生。

2）完全解决传统D类功放的零电平问题，提高可靠性。

3）简化电路、降低成本。

大量的测试数据及水池、湖上联调试验和岸基试验结果表明：“全数字”D类发射机满足设计指标要求，完全达到设计目的。