水声通信模拟信号处理电路设计

康真威 杨策

（第七一五研究所，杭州，310023）

水声通信模拟信号处理电路设计

康真威 杨策

（第七一五研究所，杭州，310023）

为了使水声通信模拟信号处理电路满足低功耗和高效率的要求，本电路设计采用了由低功耗元器件构建的前置预处理电路，并结合高效率的D类功放完成功率输出。通过对各部分工作电源的合理管理，降低了系统的功耗。经实验室和湖海试联调证实，该设计应用到实际项目中效果较好，并能通过较少的更改，将其应用于多个不同频段的水声通信项目中，提高该电路的可靠性和通用性。

水声通信；模拟信号；电路；功率放大；低功耗 ；预处理

水声通信系统是一个软硬件相结合的复杂系统。通常是由软件控制硬件完成相应的通信过程。硬件部分根据电路的类型可以分为模拟电路部分和数字电路部分，前者主要包括系统的电源管理电路、功率放大电路和信号接收预处理电路等；后者主要包括信号AD采集、信号处理MCU和数字逻辑控制。由于系统较为复杂，各部分的电路种类较多，所以以往的设计较多根据各自的功能设计独立的电路模块，这样会使电路板种类较多，体积庞大，而且通常缺少统一的考虑，性能上也未达到预期的效果。本设计则将水声通信模拟信号处理电路统一考虑设计，降低了模拟信号预处理电路的功耗，提高了功率放大输出的效率，同时增加了该电路的通用性和可靠性。

本文描述了水声通信模拟信号处理电路的总体设计思路，硬件电路设计和相关的软件设计。该电路完成水声通信信号的功率放大和接收信号的预处理，并结合单片机的软件控制，完成对模拟信号处理模块上各电源的切换控制，达到系统低功耗的要求。

1 基本设计思路

整个模拟信号处理电路的总体设计思路是模块电路低功耗和提高能量的使用效率，其三个部分的设计需要考虑在完成主要功能的情况下，满足总体设计思路的要求。

（1）通过功率器件将输出信号功率放大，然后用于驱动换能器。设计中需通过提高功率放大电路的效率，减少能量的损失，提高能量的利用率。

（2）信号接收预处理主要完成信号的接收调理，模块需长期处于工作状态，因此选用低功耗的电路器件和合理的电路设计结构，可以降低该电路部分的工作损耗，达到低功耗的要求。

（3）电源主要为其它的各部分提供工作电源电压，所以各个电源电路除了需要能够在较高效率下工作之外，还要在低功耗MCU的控制下，能够开关切换，达到各部分电源能量合理利用的目的。

2 硬件电路设计

2.1 功率放大

功率放大电路通常根据其工作状态可以分为A类、AB类、B类和D类等。前三种功放由于工作在线性区，所以称为线性功放，因其功放管上的能量损耗较大，所以效率不高。D类功放称为开关功放，功放管处于开关状态，因此能量损耗小，通常功放效率可达90%左右[1]。本文设计功率放大部分采用D类功率放大电路，电路框图见图1。

图1 功率放大部分电路框图

2.1.1 信号驱动电路

信号驱动电路采用隔离式半桥驱动器并结合三极管构成。该驱动器的速度可达1 MHz，内部具有隔离电源，具有较好的抗干扰性。同时，由外部的三极管搭建的推挽电路，进一步的增加了该驱动电路的驱动能力。为了进一步的减少驱动器的开关损耗，在三极管的基极电阻上并联瓷片电容和反向二极管，加快三极管的开关速度，减少开关损耗[2]。

2.1.2 全桥驱动电路

全桥驱动电路由高速 MOSFET管构成。功放选用全桥结构，适用于大功率的输出，同时选用高速 MOSFET管作为全桥电路的开关管，增加电路的可靠性。高速MOSFET管通常工作频率为1 MHz，并且其导通电阻为 0.011 Ω，较小的导通电阻可以有效的减小开关损耗。

2.1.3 LC低通滤波电路

滤波电路选用LC构成的低通滤波器。合理的低通滤波器可以滤除 SPWM 的开关频率，将基带信号传送给换能器输出。

2.1.4 匹配电路

匹配电路选用电感并联匹配。通过并联匹配电路实现信号的调谐，并滤除谐波的影响，提高由于换能器的电容特性而带来的功放效率低下。

2.2 信号接收预处理

信号接收预处理主要由放大电路、滤波电路和程控增益电路构成。信号接收预处理部分组成见图2。

图2 信号接收预处理部分电路框图

2.2.1 前放电路

前放电路采用低噪声运算放大器构成。该运算放大器的工作电流为180 μA，并且具有较低的自噪声和较大的增益带宽积，满足低噪声、低功耗设计要求。

2.2.2 程控增益电路

程控增益电路有多种实现方式，包括集成程控放大器和由模拟开关构成的电阻网络等。这里对增益控制精度要求不是很高，并且集成的程控增益放大器一般需要较大功耗，所以选用由模拟开关和电阻网络共同构成程控增益控制电路。电阻网络构成多级信号衰减，通过控制模拟开关选择不同的衰减信号达到增益控制的目的。

2.2.3 滤波电路

考虑到电路体积及电路稳定性，滤波电路采用低功耗、宽带宽的运算放大器构建。通过采用多路反馈电路形式构建四阶切比雪夫滤波器[3]。采用上述形式滤波器电路结构，性能稳定并且易于设计及调整参数。该运算放大器工作电流为37 μA，并且有3 MHz的增益带宽积，所以适合构建本设计中的带通滤波器。

2.2.4 补充放大电路

补充放大电路主要采用低功耗运算放大器完成对滤波后的信号进行幅度放大，满足后端信号采集的要求。

2.3 电源管理

电源管理部分由多组 DC-DC电源、负载开关和低功耗单片机构成，组成框图见图3。电源管理主要分为八个部分，每组 DC-DC电源根据电压、电流的不同要求，采用了不同的DC-DC电源芯片，保证了电源的高效率工作。功放高压48 V电源采用宽电压输入范围的 DC-DC电源芯片构成反激式开关电源。该电源的效率达到90%左右。接收通道3.3 V电源采用高效率DC-DC电源转换芯片。当输入12 V工作电压，输出3.3 V，工作电流1 mA时，该芯片具有近90%的工作效率，对于采用3.3 V作为待机电源来说，可以有效的节约电源能耗。数字电路5 V电源同样采用高效率DC-DC电源转换芯片，并且该电源同时通过负载开关提供给信号驱动电路5 V电源。由于数字电路5 V电源需要同时提供给数字信号处理模块中 DSP和功放的驱动电路使用，所以选择能提供最大1 A电流的电源转换芯片，满足上述功能的要求。信号驱动电路15 V电源采用隔离电源模块，由于主要提供给功放作为驱动电源的一部分，所以选择隔离15 V电源模块，减少电源间的相互干扰。接收阵12 V和接收阵3.3 V分别由低压差线性稳压芯片转换而成，考虑到对接收电路供电，所以选择线性稳压芯片，减少开关噪声对接收电路的影响。单片机采用MSP430系列，该单片机在休眠状态工作电流为几十个μA[4]，同时由于电源控制比较简单，所以工作频率选择 100 kHz，有效的降低了工作电流，减少了电路功耗。模拟信号处理模块通过单片机有效地控制多组电源切换，在满足模块功能要求的同时，提高了电源的能量利用率。

图3 电源管理电路框图

3 软件设计

低功耗的单片机软件设计主要功能是完成电路的电源管理，达到优化系统功耗的目的。软件流程图见图4。整体软件设计采用C语言编程实现。软件控制流程主要采用对状态引脚循环检测的方式。当MCU完成初始化之后进入休眠状态，将模拟信号处理电路设置为低功耗待机模式。当模拟信号处理电路需要进入信号接收或者发射模式的时候，将MCU通过引脚触发唤醒，然后MCU对状态控制引脚进行循环检测，根据引脚的不同状态，将模拟信号处理电路设置为不同的工作模式，完成整个电路的电源管理。将闲置状态的MCU休眠，减少的MCU的无端损耗。

图4 软件设计流程图

4 测试结果及结论

在实验室中对本设计进行测试，带宽 16～21 kHz，测试结果如下：（1）模拟信号处理模块待机功耗3.9 mW。（2）发射功率大于40 W，效率大于90%。（3）输入短路噪声小于3 μV。（4）接收增益72 dB。（5）程控增益调节−42 dB，8档调节，每档(−6±1)dB。（6）带内起伏小于±1 dB。

本设计完成了通信信号的接收，发射和整个系统的电源管理，实现了预期的模拟信号处理电路的功能。与以往的电路相比，整个电路体积小，结构紧凑，功能和性能都达到了预期指标的要求。由于不同水声通信系统对输出功率和接收电路噪声的不同要求，为了提高电路的通用性，后续将进一步的降低电路噪声和增大输出功率。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]高少波,肖仁彪,康真威.基于自然采样SPWM 技术的高频开关功放[J].声学与电子工程,2013(4):47-48.

[3]康华光.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4]沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.