一种鱼探仪发射机信号源的设计方法与流程

本发明涉及助渔设备领域，尤其涉及一种鱼探仪发射机信号源设计方法。

背景技术：

鱼探仪是一种能够对水下鱼群进行探测与定位的助渔设备，其工作原理和主动声呐相同，利用超声波换能器向水下发射超声波信号并接收各方向的回波信号以实现对鱼群搜索、跟踪、识别、定位和测距。由于回波信号是来自于发射信号经障碍物反射而形成，因此发射机信号源的设计就显得尤为重要。

现有的鱼探仪多采用经放大的方波信号源直接驱动换能器在水下发射信号进行探测，然而，方波由于谐波成份较多，在短距离发射尚可，随着探测距离和发射功率的增大，其弊端就越发突出：1、方波的高次谐波通过换能器在水下发射会对水下形成噪声污染，发射功率越大，噪声能量越大，干扰其自身及其它船只的水下设备正常工作；2、谐波随着发射功率的增大导致了可观的能量浪费，造成仪器功耗过大，散热性差，使用寿命缩短等问题。

正弦波作为信号源无疑是最佳的选择。现有设计方法一般有：1、模拟小信号源+A、B类(甲、乙类)线性功放。由一片微控制器或DDS(直接数字式频率合成器)生成模拟正弦波小信号源，后接线性功放放大输出。此方法的源输出线性度良好，但具有负载特性差、动态响应慢、大功率线性功放造价高、效率低<50％、体积庞大和不易于系统集成的缺点；2、PWM调制+D类(丁类)数字功放。参见图1，采用一组等腰三角形波与正弦波比较，其交点作为功放管的开关时刻，生成PWM调制数字正弦波，驱动D类数字功放放大，经过滤波器滤波后即可还原输出放大的模拟正弦波。然而这种调制技术对功放管的带宽要求很高，功放管选型较难，另外，图1中的t1，t2处的窄脉宽的时长无法预算，会比可选的功放管的响应时间还短，功放管因响应不及时而丢失脉冲，造成输出波形畸变，随着信号源频率和采样率的提高问题将愈加严重。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种鱼探仪发射机信号源的设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种鱼探仪发射机信号源的设计方法，包括步骤：

S1：在一PC端利用matlab的Delta-Sigma toolbox工具箱进行正弦波Delta-Sigma调制仿真计算，得到一组正弦波Delta-Sigma调制二进制编码串；

S2：在所述PC端将一信号源频率参数f和所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码通过一串口下传到一微控制器；

S3：在所述微控制器一串口中断处理程序中接收所述信号源频率参数f和所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码；

S4：所述微控制器根据所述信号源频率参数f设置一定时器中断周期T；

S5：在所述微控制器一定时器中断处理程序中，所述微控制器对所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码进行移位比较操作，并执行所述微控制器的一IO端口的置位/复位操作。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中：

在所述正弦波Delta-Sigma调制仿真计算过程中，根据生成的一正弦波输入Y获得一组由“0”和“1”组成的所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码串；

其中k为调制比，f为信号源频率参数，N＝OSR×2×f，其中OSR为过采样率；

当k不同时，获得的二进制码型也不同，改变调制比k，无需D/A芯片转换实现信号源的调幅调压输出。

本发明的进一步改进在于，所述微控制器采用嵌入式微控制器，所述微控制器集成有所述串口、一定时器和所述IO端口。

本发明的进一步改进在于，步骤S4中，所述定时器中断周期改变定时器中断周期T实现信号源的调频输出。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S5中，所述二进制编码进行移位比较操作采用循环移位法，所述循环移位法包括循环左移法和循环右移法，当采用循环左移法时，将所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码的最高位作为判断位，如采用循环右移法时，将所述正弦波Delta-Sigma调制二进制编码的最低位作为所述判断位，当所述判断位为“1”时，则对所述微控制器的IO端口高置“1”，即置高电平，当所述判断位为“0”时，则对所述微控制器的IO端口清“0”，即置低电平。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明采用了正弦波作为鱼探仪发射机的信号源，与方波相比其发射波形成的水下噪声干扰小，避免了对自身及其它船只的水下设备的干扰，同时减少了能量浪费，解决了仪器散热，使用寿命短的问题；本发明为鱼探仪发射机提供了适用于D类功放的正弦波信号源生成方法，因而具有一般的D类调制源输出的优点，如负载特性好，动态响应快，效率高达90％，而线性功放的效率不足50％，另外系统各单元体积小，易于单板集成，造价低；本发明的Delta-Sigma调制方式的最窄脉宽时长可预算，与PWM调制方式相比，大大降低了对功放管的带宽要求，解决了功放管选型难的问题，同时避免了PWM调制方式由于功放管响应不及时丢失脉冲而引起输出波形畸变的问题，信号源输出精度得到大大提高；本发明的Delta-Sigma调制技术融合了过采样技术与噪声整形技术，将低频段的量化噪声转移到了高频段，因而生成的信号源只需经过简单的低通滤波器滤除高频噪声信号后即可还原输出正弦波信号，极大地简化了滤波器设计；本发明只需通过改变调制比k，无需添加D/A芯片转换即可实现信号源的调幅调压输出。

附图说明

图1为现有正弦波PWM调制波形图；

图2为本发明正弦波Delta-Sigma调制波形幅度-时间图(调制比k＝0.8)；

图3为本发明正弦波Delta-Sigma调制波形幅度-频率图(调制比k＝0.8)；

图4为本发明正弦波Delta-Sigma调制波形幅度-时间图(调制比k＝0.5)。

具体实施方式

下面结合附图2-4和具体实施方式对本发明作详细说明。

请参阅图2-图4，一种鱼探仪发射机信号源的设计方法，具体如下：

1)在PC端采用matlab的Delta-Sigma toolbox工具箱进行正弦波Delta-Sigma调制仿真计算。Delta-Sigma toolbox工具箱的输入，对于正弦波，其数字抽样输入k为调制比，f为信号源频率，正弦波抽样频率fs为奈奎斯特采样率2f的OSR倍，OSR为过采样率，因而抽样数N＝OSR×2×f。如信号源频率f＝25kHz，过采样率OSR＝40，则抽样频率fs＝2MHz，当调制比k＝0.8时，Delta-Sigma toolbox工具箱的输入为仿真计算输出参见图2。图2中A为正弦波数字抽样输入，B为正弦波Delta-Sigma调制输出，这里的’1’和’-1’并非常规数学数值概念，代表了硬件电路实现时，微控制器IO端口电平的置高电平和置低电平2种状态，进而驱动功放管打开和关闭，因而可将‘-1’替换为“0”，即“1”置高电平，则“0”置低电平，这也方便于微控制器软件编程。图2中输出的一组由“0”和“1”组成的正弦波Delta-Sigma调制二进制编码串为‘00111011011110…’，每个编码对应的脉宽时长相等，即为采样周期因而最窄脉宽时长可预算，即为Ts，对比PWM调制方式，参见图1中的t1，t2处的窄脉宽时长无法预算，会比可选功放管的开关响应时间还短，因此对功放管的带宽要求很高，功放管选型较难，另外，功放管因响应不及时则丢失脉冲，造成输出波形畸变，随着信号源频率和采样率的提高以上问题愈加严重。然而，本发明的Delta-Sigma调制方式的最窄脉宽时长可预算，即为Ts，在功放管选型时，协调选择采样周期Ts与功放管以保证功放管的响应时间≤Ts即可，因而大大降低了对功放管的带宽要求，解决了功放管选型难的问题，同时避免了PWM调制方式由于功放管响应不及时丢失脉冲而引起输出波形畸变的问题，信号源输出精度得到大大提高。

参见图3为调制比k＝0.8时，正弦波Delta-Sigma调制波形幅度-频率图，可见本发明的正弦波Delta-Sigma调制技术，将低频段的量化噪声转移到了高频段，生成的信号源只需经过简单的低通滤波器滤除高频噪声信号后即可还原输出正弦波信号，极大地简化了滤波器设计。

改变调制比，如k＝0.5，其余输入参数不变，Delta-Sigma toolbox工具箱的输入为仿真计算输出参见图4，输出的一组正弦波Delta-Sigma调制二进制编码串为‘00110110101110…’，对比图2可以看出，当调制比k值不同，即输入正弦波幅值不同时，如图2中A和图4中C，对应输出的二进制码型也不同，在硬件电路实现时，微控制器根据二进制编码执行相应的IO端口电平置高和置低，端口输出Delta-Sigma调制正弦波信号，当k＝0.8如图2中B，当k＝0.5如图4中D，后接功放放大并滤除高频噪声后即可还原输出为不同幅值的正弦波信号，因而无需添加D/A芯片转换即可实现调幅调压输出。

2)在PC端将信号源频率参数f及步骤1)生成的正弦波Delta-Sigma调制二进制编码，通过串口下传到微控制器；

3)进行微控制器程序设计，当程序进入串口中断处理时，接收PC端下传的报文如信号源频率f，正弦波Delta-Sigma调制二进制编码，微控制器则根据信号源频率参数f设置定时器中断周期T，每当程序进入一个定时器中断处理周期时，微控制器则执行与一个调制编码相对应的IO端口电平操作，如步骤1)所述每个编码对应的脉宽时长相等，即为采样周期因而定时器中断周期如f＝25kHz，OSR＝40，则fs＝2MHz，则T＝Ts＝0.5us，如改变信号源频率f，则T改变，因而当改变相应的定时器中断周期T即可实现信号源的调频输出。

当程序进入定时器中断处理周期时，微控制器对接收的正弦波Delta-Sigma调制二进制编码进行循环移位比较，如采用循环左移法，则判断比较其最高位，如采用循环右移法，则判断其最低位，判断位为“1”时，则对微控制器的IO端口置“1”，即IO端口输出高电平，为“0”时，则对微控制器的IO端口清“0”，即IO端口输出低电平，从而完成对应一个调制编码的IO端口电平输出，调制编码循环移1个位，程序跳出定时器中断处理周期，当程序进入下一个定时器中断处理周期时，执行判断位比较，重复以上步骤，则完成对应下一个调制编码的IO端口电平输出，如此循环直至IO端口完成一个周期的Delta-Sigma调制正弦波信号输出。以此类推，最终IO端口输出n个周期的Delta-Sigma调制正弦波信号。在定时器的中断程序设计中，只进行Delta-Sigma调制编码移位比较，以及IO端口的置位/复位操作，精简的程序代码极大地提高了IO端口对Delta-Sigma调制编码的执行准确度和效率，保证了信号源输出的精度。

微控制器IO端口生成的信号源只需后接D类数字功放放大，并经过简单的低通滤波器滤除高频噪声后即可还原输出为正弦波信号，为鱼探仪发射机提供了适用于D类功放的可软件调幅，调频的正弦波信号源。大幅度降低了对功放管的带宽要求，解决了功放管选型难的问题，避免了PWM调制方式因功放管脉冲丢失而引起输出波形畸变的问题，大幅度提高了信号源的输出精度；极大地简化了滤波器的设计；无需添加D/A芯片即可实现信号源的调幅调压输出。

最后需要说明的是，以上结合附图实施例详细说明了本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。