《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)字式主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)的研究與設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
劉大利1,,2,,張劍波3,,顏恒平3
1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,,天津300387,; 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,北京100190,;3.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,,江蘇 無錫214061
摘要: 針對(duì)常規(guī)主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了全數(shù)字式聲納發(fā)射機(jī),。信號(hào)發(fā)生器,、波束形成、PWM產(chǎn)生,、死區(qū)設(shè)置等模塊集中在FPGA中,,改進(jìn)了D類功率放大器的控制方式,減小了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜度,,提高了設(shè)備可靠性,。FPGA利用數(shù)字延時(shí)線實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成,延時(shí)后的采樣信號(hào)通過數(shù)字比較器生成PWM信號(hào),。設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間控制電路,,實(shí)現(xiàn)了死區(qū)時(shí)間的在線精確調(diào)整。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及湖上試驗(yàn)表明,,全數(shù)字式主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方案可行有效,。
中圖分類號(hào): TN72;TB565
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171118
中文引用格式: 劉大利,張劍波,,顏恒平. 數(shù)字式主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(11):66-69.
英文引用格式: Liu Dali,,Zhang Jianbo,,Yan Hengping. Research and design of full digital active sonar transmitter[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(11):66-69.
Research and design of full digital active sonar transmitter
Liu Dali1,,2,Zhang Jianbo3,,Yan Hengping3
1.School of Electrical Engineering and Automation,,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,,China,; 2.State Key Laboratory of Acoustics,Institute of Acoustics,,Chinese Academy of Sciences,,Beijing 100190,China,; 3.HaiYing Enterprise Group Co.Ltd.,,Wuxi 214061,China
Abstract: Full digital active sonar transmitter was designed, in order to solve the disadvantages of conventional transmitter. Many modules, such as signal generator, beam former, PWM generator and dead time setting, were integrated in a FPGA, and the control mode of class D power amplifier was improved. The complexity of the transmitter was reduced, while the equipment reliability was increased. The sample signals were converted into PWM signals using digital comparators, after transmitting beam forming with digital delay lines in FPGA. The dead time control circuit was designed, realizing the online accurate adjustment of dead time. Laboratory tests and lake trials showed that the proposed full digital active sonar transmitter was feasible and effective.
Key words : full digital transmitter,;beam forming,;PWM;dead time

0 引言

    發(fā)射機(jī)是主動(dòng)聲納或水下通信設(shè)備的重要組成部分,,由信號(hào)發(fā)生器,、功率放大器、匹配網(wǎng)絡(luò)和發(fā)射換能器組成,。為了達(dá)到預(yù)期的聲源級(jí)和發(fā)射指向性,,幾十路甚至上百路換能器構(gòu)成陣列,相控發(fā)射,。相控陣發(fā)射機(jī)電子部分包含多個(gè)功率放大器,,設(shè)備龐大復(fù)雜,系統(tǒng)可靠性受到限制,。功率放大器是聲納發(fā)射機(jī)的核心設(shè)備,,一般采用效率高、體積小的D類放大器,,該放大器廣泛用于音響,、工業(yè)控制等領(lǐng)域,。

    在發(fā)射機(jī)整體設(shè)計(jì)方面,江磊等人利用音頻功率放大器設(shè)計(jì)了小型水聲發(fā)射機(jī),,整機(jī)體積縮小了50%[1],;戴戈等人提出了大功率、小體積且具有信號(hào)產(chǎn)生,、監(jiān)控和通信功能的智能寬帶聲納發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方案[2],;張纓、周雒維等人對(duì)放大器的控制方式進(jìn)行研究,,分別設(shè)計(jì)了級(jí)聯(lián)多電平和單周期控制的D類功率放大器[3-4],。

    本文研究并設(shè)計(jì)了全數(shù)字化主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī),針對(duì)常規(guī)發(fā)射機(jī)存在的問題,,對(duì)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),改進(jìn)了功率放大器的控制方式,,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度和調(diào)試難度,,提高了系統(tǒng)的可靠性,并通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和湖上試驗(yàn)驗(yàn)證了發(fā)射機(jī)的性能,。

1 常規(guī)主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)及分析

    常規(guī)聲納發(fā)射機(jī)的信號(hào)發(fā)生器和功放機(jī)柜分離,,通過電纜進(jìn)行連接。信號(hào)發(fā)生器處于信號(hào)處理機(jī)柜中,,便于與接收機(jī)進(jìn)行收發(fā)同步,,并與主控計(jì)算機(jī)通信。信號(hào)發(fā)生器中DSP根據(jù)主控計(jì)算機(jī)下達(dá)的工作參數(shù),,讀取存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù),,進(jìn)行發(fā)射波束形成, 然后進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,,形成多路模擬信號(hào),,通過電纜輸送給功率放大器。除了模擬信號(hào)外,,電纜中仍需傳輸功放控制信號(hào)及功放工作狀態(tài)信號(hào),。

    在艦艇嘈雜的工作環(huán)境中,信號(hào)容易受到噪聲干擾,;模擬信號(hào)高達(dá)幾十路甚至上百路,,模擬信號(hào)間、模數(shù)信號(hào)間容易形成串?dāng)_,,嚴(yán)重影響信號(hào)質(zhì)量,。此外,信號(hào)處理機(jī)柜與功放機(jī)柜之間需要粗笨電纜連接,,在狹窄的艙室內(nèi)不容易安裝調(diào)試,。

    信號(hào)發(fā)生器存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,,生成的模擬波形與載波進(jìn)行比較,形成PWM數(shù)字信號(hào),,驅(qū)動(dòng)功率放大模塊,。這個(gè)過程增加了系統(tǒng)復(fù)雜度,容易引入噪聲干擾,,降低了系統(tǒng)的性能和可靠性,。

2 全數(shù)字式發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射機(jī)總體結(jié)構(gòu)

    本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字式聲納發(fā)射機(jī)去除了“數(shù)字—模擬—數(shù)字”的轉(zhuǎn)換過程,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。信號(hào)發(fā)生器,、PWM波形產(chǎn)生、死區(qū)控制等功能集成在FPGA中,,F(xiàn)PGA使用以太網(wǎng)或RS485等串行通信方式與信號(hào)處理機(jī)柜交互工作參數(shù)和狀態(tài)信息,,并使用時(shí)間同步信號(hào)與接收機(jī)實(shí)現(xiàn)收發(fā)同步。這種全數(shù)字發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)減小了機(jī)柜間線纜規(guī)模,,消除了信號(hào)間的干擾,,降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,可提高設(shè)備性能和可靠性,。

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    FPGA是功放機(jī)柜的核心控制單元,,完成了發(fā)射波形產(chǎn)生、發(fā)射功率控制,、發(fā)射波束形成,、PWM信號(hào)產(chǎn)生、死區(qū)控制等功能,。FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示,。

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    控制指令經(jīng)過解析后分發(fā)給各個(gè)模塊,根據(jù)指令讀取相應(yīng)的發(fā)射波形進(jìn)行幅度控制和波束形成,,對(duì)波束形成后的N路數(shù)字信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào),,經(jīng)過死區(qū)控制,生成N對(duì)互補(bǔ)PWM波形,,輸出后送給H橋的驅(qū)動(dòng)電路,。

2.2 發(fā)射波束形成的設(shè)計(jì)

    為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的發(fā)射聲源級(jí)和指向性,發(fā)射機(jī)通常進(jìn)行波束形成,,相控陣發(fā)射,,使各個(gè)陣元的信號(hào)同時(shí)到達(dá)目標(biāo)[5]

    對(duì)于一個(gè)任意陣列,,發(fā)射波束指向?yàn)閍時(shí)(a為單位方向向量),,各個(gè)陣元相對(duì)于發(fā)射方向a的波陣面有一個(gè)延時(shí)。為了保證所有陣元的發(fā)射信號(hào)同時(shí)到達(dá)該波陣面,,每個(gè)陣元的信號(hào)需要進(jìn)行延時(shí)或移相,。

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    由接收陣列流行矢量得到陣元接收波束形成的延時(shí)時(shí)間,,進(jìn)一步對(duì)接收延時(shí)進(jìn)行規(guī)整化處理,得到發(fā)射波束形成的延時(shí)時(shí)間:

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    FPGA實(shí)現(xiàn)可控?cái)?shù)字延遲線,,使用延時(shí)法設(shè)計(jì)發(fā)射波形成系統(tǒng),。由于數(shù)字延時(shí)的離散性,延時(shí)量不能做到連續(xù)變化,,只能是采樣周期的整數(shù)倍,,實(shí)際延時(shí)時(shí)間與理論值將會(huì)有一定誤差,誤差為:

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其中,,TS為采樣周期,;k=round(τi/TS),round( )表示四舍五入取整,,則-TS/2<Δτi<TS/2,。采樣頻率越高,延時(shí)誤差Δτi越小,,采樣頻率大于發(fā)射信號(hào)中心頻率10倍以上時(shí),,發(fā)射波束圖和理論波束圖的差異可以忽略。

2.3 PWM的生成

    對(duì)于全數(shù)字D類功放控制器,,數(shù)字波形生成PWM信號(hào)有脈沖密度調(diào)制、均勻脈沖寬度調(diào)制等多種方法[7],。本文采用UPWM的方式生成PWM信號(hào)[8],,與傳統(tǒng)的D類功放控制器相比,該方法集成度更高,,抗干擾能力強(qiáng),,避免了D/A轉(zhuǎn)換過程。

    FPGA生成PWM波形的流程如圖3所示,。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過幅度偏移后與L進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行比較,,得到PWM波形。發(fā)射波形幅度為-A/2~A/2,,得到的PWM波形最小脈寬為(L-A)TC/2,,TC為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘周期,則PWM信號(hào)最小占空比為(L-A)/(2L),。

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2.4 死區(qū)控制

    D類放大器一般采用半橋或全橋結(jié)構(gòu),,同一橋臂兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)呈互補(bǔ)結(jié)構(gòu),為了防止開關(guān)管發(fā)生直通現(xiàn)象,,互補(bǔ)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)存在一定的死區(qū)時(shí)間,。死區(qū)時(shí)間的設(shè)置方法有多種[9],本文在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間控制,,產(chǎn)生互補(bǔ)的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào),。

    FPGA設(shè)置死區(qū)時(shí)間的電路結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示,,CLK為時(shí)鐘信號(hào),PWM為CLK時(shí)鐘下產(chǎn)生的數(shù)字波形,,CTRL調(diào)整死區(qū)時(shí)間的控制字,,PQ1和PQ2為互補(bǔ)的兩路PWM信號(hào)。調(diào)試過程中,,可以在線調(diào)整D觸發(fā)器的數(shù)量,,控制死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)度;圖4(b)顯示了電路中各節(jié)點(diǎn)波形的關(guān)系,,其中死區(qū)時(shí)間τD可以在線調(diào)整,,調(diào)整精度為一個(gè)時(shí)鐘周期。

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3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 功放控制信號(hào)的測(cè)試

    利用Xilinx公司Spartan-6系列FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字發(fā)射機(jī)的控制器,,發(fā)射信號(hào)中心頻率為5 kHz,,采樣頻率50 kHz,生成PWM的時(shí)鐘頻率為200 MHz,,計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)值為4 000,,數(shù)字信號(hào)幅度為-1 600~1 600,則生成PWM的占空比范圍為10%~90%,。通過在線調(diào)試軟件Chipscope獲取FPGA內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù),,用MATLAB軟件進(jìn)行離線分析,結(jié)果如圖5所示,。

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    從圖5可以看出,,數(shù)字波形與鋸齒波載波信號(hào)比較后可以生成占空比隨信號(hào)幅度變化的PWM波形PQ1,經(jīng)過死區(qū)控制電路,,可以產(chǎn)生與PQ1互補(bǔ)的功放驅(qū)動(dòng)信號(hào)PQ2,。

3.2 全數(shù)字發(fā)射機(jī)指向性的驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證全數(shù)字聲納發(fā)射機(jī)的發(fā)射指向性,2014年12月在新安江水庫組織湖上試驗(yàn),。發(fā)射陣列為24陣元的圓柱陣,,重復(fù)發(fā)射脈沖信號(hào),同時(shí)緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng),。接收水聽器與發(fā)射陣列相距15 m,, 采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た赜?jì)算機(jī)進(jìn)行處理,實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,。

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    測(cè)量發(fā)射機(jī)全向發(fā)射時(shí)的不均勻性和單波束定向發(fā)射時(shí)的波束圖,,結(jié)果如圖7所示。

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    由圖7可以看出:全向發(fā)射時(shí),,全數(shù)字發(fā)射機(jī)的全向發(fā)射不均勻性為0.89 dB,;定向發(fā)射時(shí),發(fā)射機(jī)的波束寬度約為14.2°,,主旁瓣比為12.4 dB,,滿足設(shè)計(jì)要求,。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)常規(guī)發(fā)射機(jī)存在的問題,對(duì)發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),,對(duì)功率放大器的控制方式進(jìn)行改進(jìn),,設(shè)計(jì)了全數(shù)字主動(dòng)聲納發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)將信號(hào)發(fā)生器,、發(fā)射波束形成,、PWM波形產(chǎn)生、死區(qū)控制等功能集中在FPGA完成,,通過串行通信方式與控制計(jì)算機(jī)交互控制指令和工作狀態(tài)信息,。全數(shù)字發(fā)射機(jī)機(jī)構(gòu)減小了機(jī)柜間線纜規(guī)模,降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,,提高了設(shè)備可靠性,。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和湖上試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)性能可靠,,指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求,。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

劉大利1,2,,張劍波3,,顏恒平3

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津300387,;

2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,,北京100190;3.海鷹企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,,江蘇 無錫214061)

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