水声收发实验系统设计与实现

根据科研需要完成了水声收发试验系统的设计与工程实现,它可实现主动、被动水声信号的产生、发射、接收、处理与显示等功能。其中,主动水声信号的波形及参数可任意设置,被动信号的产生包括实际采集数据和利用模型产生的数据,信号的显示包括时域和频域波形。该系统利用CVI（C for Virtual Instruments）技术完成了系统界面设计和控制,利用DAQ（数据采集）模块完成了A／D转换、D／A转换,将低噪声放大器件和FPGA（现场可编程门阵列）结合完成了低噪声放大和数字滤波,将有源功率放大器件和单片机结合完成了数控功率放大器设计。系统经调试满足设计要求,具有结构简单、性价比高、扩展性好等特点。     

2001年全国大学生电子设计竞赛一等奖——高效率音频功率放大器

<正> 本设计主要由功率放大器、信号变换电路、输出功率显示电路和保护电路组成。功率放大器部分采用D类功率放大器确保高效率,在5V供电情况下输出功率大于1W,且输出波形无明显失真,低频输出噪声电压很低(输出频率为20kHz以下时,低频噪声电压约1mV);信号变换部分采用差分放大电路,将双端输出信号变为1:1的单端输出信号;输出功率显示部分用乘法器电路及带A/D转换的电压表头显示功率值,电路简单合理;保护电路部分采用电流互感器监控,实现输出短路保护。 题目分析及设计方案论证与比较 根据题目要求,整个系统由D类功率放大器、信号转换电路及功率测量显示装置组成。系统组成如图1所示。     

多通道水声同步光纤采集存储系统设计

介绍了一种水声信号采集存储系统,该采集存储系统水下将8路水声模拟信号进行同步A／D采样,然后复用成1路高速数字信号,通过一根光纤远距离传输到岸上的上位机,上位机可以实现数据的实时存储和波形显示功能。该水声同步采集系统通过光纤作为传输介质,传输距离远,抗干扰能力强;可用于港口、海上钻井平台和石油码头等设施的安全防范及信息采集。     

基于FPGA的VGA波形显示系统设计与实现

为了适应嵌入式系统显示终端的图形显示应用需要,提出了一种通用的VGA波形显示系统。依据VGA的显示原理,该系统FPGA内部集成A/D控制模块、双口RAM模块和VGA显示控制模块,利用双口RAM完成了采集数据的缓存,通过VGA显示控制模块读取缓存数据,产生标准的VGA控制时序信号,实现数据的图形显示。测试结果表明:基于FPGA的波形显示系统能够产生正确的VGA接口时序,完成波形数据的稳定显示。该系统具有自主知识产权核,方便移植,为基于FPGA的嵌入式可视化终端提供一种较好的解决方案。     

声呐发射机中D类功率放大器的设计

声呐发射机的主要作用是产生具有特定形式的大功率电信号,经过匹配网络(提高发射机输出效率)后再通过换能器将电信号转换为声信号.发射机一般包括信号产生器、功率放大器和发射换能器.详细介绍了一种基于MOSFET的半桥式D类功率放大器设计的步骤和方法,并给出了水声换能器假负载的实验波形,信号畸变与失真较小.根据测试结果证明输出50 kHz左右PWM波时效率达到80％,符合声呐发射机高效率、小体积的设计要求.     

基于水声器耦合的低频功率放大器的设计

低频功率放大器作为电子设备的后级放大电路,它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作,获得良好的声音效果。基于此,设计了水声信号发生系统中的低频功率放大电路,该电路以前级放大芯片NE532、功率放大,TDA2030芯片和直流稳压电源为核心,实现了对小信号的功率放大,经multisim仿真,该电路工作稳定正常,输出波形无失真,在输出功率以及放大增益等方面均满足设计要求。     

基于TFT彩屏液晶的便携数字存储示波器

设计了一种以TFT彩屏液晶模块为显示器件的新型便携数字存储示波器。示波器的信号调理电路通过CA3338E的输出信号控制两级AD603放大,结合单片机控制继电器对信号进行衰减,实现了程控衰减放大和自动增益控制的功能。对于A/D采集到的信号,在单片机内部开辟RAM存储区对波形数据进行循环缓存,达到了边采集边显示的控制效果。在对波形显示的控制中,使用数字化的触发器代替传统的硬件触发电路,降低了系统的复杂度,借助于正弦插值技术,使屏幕显示的波形连续稳定。该示波器可以用来显示常用信号的波形,并进行相关参数的测量显示,具有输入信号的动态范围大,体积小,便于携带的优点,具有广泛的应用空间。     

基于单片机波形采集存储和回放系统

这里设计是以C8051F020单片机最小系统为核心,将采集到的波形信号通过C8051F020集成的模数转换（A／D）、数模转换（D／A）完成相应的信号转换,并将波形信号存储于外接的MB85RS256存储器中,实现波形采集、存储和回放的功能。同时,系统外扩（LCD,LiquidCrystalDisplay）,在LCD上显示波形信号的周期和峰峰值。该系统能够同时采集两路信号波形,并按先后顺序存储在存储器中,读取存储器实现两路信号波形的回放功能。实验结果表明,该系统能够实现相应的功能,性能安全,可靠。     

输出波形可控的高精度数控电源设计

针对精密仪器和精密机电系统中对任意波形电源的应用需求,设计一种输出波形可控的高精度数控电源。系统采用模块化设计,主要包括信号发生器、电压幅值调节、功率放大器、A/D转换和触摸式液晶屏显示等模块。信号发生器采用直接数字频率合成技术和积分电路,得到电压幅值固定的正弦波、方波、三角波和锯齿波等模拟信号,并通过电压幅值调节模块实现模拟信号电压幅值可调,最后经功率放大器后输出以驱动负载。实验测试结果表明:该电源可以输出频率范围为1~50 k Hz,最大峰值电压为40 V的任意波形。     

基于STM32和μC/OS-Ⅱ的嵌入式数字示波器设计

提出了一种基于嵌入式技术的嵌入式数字示波器设计方法,硬件设计以STM32为主控核心,采用高性能低噪声的AD8066电压反馈性放大器、压控增益放大器AD603和双路D/A转换器TLV5618A组成程控放大电路,并采用高速带宽A/D转换器和IDT7204高速缓存器组成数字采集电路,以TFT彩屏输出信号波形。软件设计移植开源的实时操作系统μC/OS-Ⅱ系统,确保了系统的实时性和稳定性。实验结果表明设计思路正确,性能参数达到设计要求。     

一种水下有源噪声抵消系统的设计

潜艇的自噪声是影响潜艇被动声纳系统性能的重要因素。对接收信号中的潜艇自噪声进行有源抵消,从而可提高被动声纳的作用距离。该文设计了一个针对舰艇艏端被动声纳平台的本艇自噪声有源抵消系统,并设计了其试验系统方案。采用直接-并联型结构的多通道有源陷波器和滤波最小均方误差算法(FXLMS)自适应滤波算法,有效地抑制了潜艇自噪声中的线谱分量,提高了接收端的输入信噪比,提高了被动声纳作用距离。     

水下声信号激光探测技术研究

水下声信号激光探测技术采用了激光接收技术。它在空气中利用光波,而在水中利用声波,把两种最佳的信道和物理场结合了起来,是遥感探测水下声信号的一种比较理想的方法。水下声信号在水空气界面会引起表面波动而对打在水表面处的激光束进行幅度调制。利用直接光强检测方法可以检测受水下声信号调制的激光信号。本文在理论分析的基础上通过试验验证了激光探测水下声信号技术的可行性,同时对水下声信号光电探测存在的问题进行了探讨并提出了相应的解决途径。     

基于AD7980的多路水声信号采集处理系统设计

针对水下声探测系统的要求,利用AD公司最新推出的超低功耗器件AD7980与数字信号处理器TMS320VC5509A设计了一种水下信号采集存储处理系统。可同步采集存储和处理多路水下信号,系统速度、功耗、精度都满足水声探测系统的要求。对整个数据采集处理系统,给出了系统软硬件设计的关键接口原理框图和流程图。经过实验验证,整个采集处理系统达到了设计要求。     

基于多层双向长短时记忆网络的水声多载波通信索引检测方法

索引调制滤波器组多载波(FBMC-IM)水声通信系统在进行信号检测时,需要先根据均衡后子载波上承载的恢复数据判断出活跃子载波的位置。针对传统检测方法估计索引信息时计算复杂度高且准确度较低的问题,该文结合双向长短时记忆网络(BLSTM)对时序信号进行特征提取的优势,将深度学习理论引入水声信号处理的概念,提出一种基于多层BLSTM的水声通信信号索引检测方法。该方法将传统索引检测问题转化为数据驱动的多元分类问题,在提高估计性能的同时降低了计算复杂度。基于湖试测得的水声信道数据仿真验证了该方法的优越性和鲁棒性,可以作为索引调制机制下的一种通用检测手段。     

混沌滤波器对水声信号非线性动力学特性的影响

 本文探讨了混沌滤波器在水声信号处理中的一种新的应用.混沌蔡氏电路产生的信号进行频带调制和高通IIR滤波后,由水声换能器发射并经过水池传播和接收.实验结果表明混沌滤波器实现了频带搬移,且接收到的水声信号具有与原始的混沌发射信号相似的宽频带特性.进一步,运用非线性动力学方法对原始混沌电路信号和接收水声信号进行时间序列分析比较.发现接收的水声信号具有比发射的原始混沌信号更为不规则的重建相空间和更高的分形维数.混沌滤波器运用于水声信道提高了接收信号的非线性复杂特性.     

流形学习在浅海水声通信中的应用

在复杂的浅海环境中,水声信道具有强烈的空变和时变特性,致使水声通信系统的鲁棒性很难得到保证。该文不同于依赖复杂信道编码和信道均衡手段的传统水声通信算法,将流形学习思想应用于高维海洋环境参数空间刻画及信号空间映射中,为水下数据传输提出创新方案。从声场角度出发,结合浅海实验数据,分析通信信号时空起伏特性,研究环境参数空间和声场信号空间的内在关系,提出了基于非线性流形学习算法增加合理的物理约束,结合信道稀疏特性,对于高维非线性水声信号系统的冗余维度信息进行维数约简,映射到稳定的低维目标空间,降低信道时空起伏对通信系统的影响。仿真和实验结果验证了算法的可靠性和有效性。     

基于分数阶Fourier变换的并行组合扩频Chirp水声通信系统研究

Chirp信号具有较大的时宽带宽积,因此具有较强的抗多普勒扩展的能力,近年来在水下通信环境中得到广泛应用。但由于水声信道带宽非常有限,而Chirp信号又是一种宽带的信号,因此水下多载波Chirp系统中的的通信速率一般较低。利用Chirp信号在分数阶Fourier变换(Fractional Fourier Transform,FrFT)的最佳分数阶变换域的冲激特性,结合并行组合扩频(Parallel Combinatory Spread Spectrum,PCSS)技术,本文提出了一个基于FrFT的并行组合扩频Chirp水声通信系统。该系统的特点是:一方面充分利用Chirp信号的性质,在保证可靠性的同时,省去均衡环节,大大简化通信系统接收端结构;另一方面,通过并行组合多载波的选择方式有效提升了系统的速率,提高了系统的频带利用率。通过在计算机仿真和实验室水池实验验证了该系统的性能。     

激光探测水下声信号的实验研究

在实验室条件下,对于不同频率、不同振动强度的水下声音信号展开激光相干探测研究,建立了基于该方法的实验系统。水表面在水下声音信号作用下产生波动时,用激光照射水表面,其产生的水表面散射光携带了声波信息并与参考光发生干涉,对干涉信号进行采集并处理可得到水下声信号的频率与强度信息。对不同条件下得到的实验结果进行对比分析。实验结果表明,激光相干探测技术可有效地探测水下声信号,并且随着声信号的频率提高、强度减弱,探测效果趋于变差。实验系统采用全光纤光路设计,取得了较好的效果。     

激光多普勒振动计用于水下声光通信

介绍了激光多普勒振动计(LDV)用于水下声光通信的应用背景,阐述了激光多普勒振动计的工作原理和两种相干检测方式。采用零差的相干探测方式,设计并实现了一套光纤结构的激光多普勒振动计。为了证明系统能够应用于水下声光通信,进行了对水下声源发出的声波频率和强度的探测实验。通过对实验数据的分析得出:第一,系统能够检测出水下声源发出的声波频率,对7kHz附近的10个声波频率的测量标准偏差小于8Hz;第二,系统探测信号强度与水下声源发声的声压级成指数关系,对于水下目标通信所用的3.5kHz和7kHz声波频段的最小探测能力分别达到146.2dB和150.8dB声压级。