认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路的制作方法

本发明涉及一种认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路，属于通信电子电路领域。

背景技术：

在水声通信系统中,由于吸收、散射、反射、几何扩展等因素的作用,高频声波在水中的传播衰减非常大。研究表明,频率的变化与其声强的幅度衰减系数成指数关系。当发射的频率越高、传输距离越远时,则接收到的信号幅度也越小。水声通信的可利用频带非常有限，通常的水声通信频带覆盖低频段 0～15kHz,中频段 15～150kHz,高频段 150～1500kHz,作用距离l～10km的系统通常使用上限 10～100KHz 的频率,这时系统多工作于浅海。远距离通信的首选频段是 0～20kHz。此外，由于声波在水中的传播速度约为 1500米/秒,仅为电磁波在空气中传播速度的二十万分之一,因此与陆地通信相比,水下的传播时延非常大。随着水声通信技术的进一步发展,人们对水下通信的需求日益增加,有限的通信频带必然会带来频谱资源紧张的问题。因此,如何合理分配水下的频谱资源、提高频谱利用率,就成为提高水声通信性能的关键问题。

认知无线电技术是近年来陆上无线通信研究中提出的一种智能通信新技术。它以动态频谱接入方式，使非授权频带用户（也称次用户）与授权频带用户（也称主用户）共享频谱资源，从而提高了频谱的利用率。认知通信的基本思想是让无线终端通过感知周围无线环境的历史和当前状况来调整自己的传输参数,使用最合适的无线资源(包括频率、调制方式、发射功率等)来完成无线传输,主要涉及频谱感知技术和频谱分析、决定、分配及移动等频谱资源管理等技术。由于认知无线电的思想能让无线终端高效地利用频谱资源、适应多变的无线环境,因此在频带有限、环境复杂的水下通信,特别是多用户、高速率的水下通信中具有很大的发展潜力。

水声信号发生器是认知水声通信系统中的关键设备之一。作为实现动态频谱接入的基础，其需要在一千至几百千赫兹的宽频带内输出水声信号。但是目前市面上的水声设备普遍存在价格昂贵，产生信号频段窄的缺点。

技术实现要素：

为了解决现有目前市面上的水声设备普遍存在价格昂贵，产生信号带宽窄的问题，本发明提供了一种用于认知水声通信的宽频2ASK信号产生电路。

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路，其特征在于，包括：

用于处理采样电压并产生频率控制电压的核心处理器；

与核心处理器连接的压控振荡电路；

与压控振荡电路连接微分电路；

与微分电路相连接，用于产生同步信号的非门整形电路；

与非门整形电路连接的驱动信号产生电路；

与驱动信号产生电路相连接，用于放大水声信号的功放电路；

与功放电路连接的匹配电路；

与匹配电路相连接，用于发射水声信号的水声换能器。

进一步的技术方案为：

所述匹配电路通过电流互感器与电压采样电阻，向核心处理器发送水声换能器端的实时电流电压波形。

所述非门整形电路由两个反相器并联而成，反相器输入端接上拉电阻至电源，该电路将微分后的正负脉冲波信号补偿、翻转为占空比小于10%的正脉冲波形，作为同步信号。

所述压控振荡器电路由芯片R1、R2端和C1A、C1B端外接的振荡电阻与电容充放电来产生基础方波信号，再由芯片Freq Control端输入的电压值来控制方波信号的频率偏移。

所述水声换能器为压电型换能器，谐振频率至少为1kHz, 至多为200kHz。

所述核心处理器采用单片机MSP430F149芯片，使用3.3V直流电压供电。

所述反相器采用74HC04芯片。

本发明的有益效果是：使用压控振荡和模拟信号处理技术，在不改变驱动信号产生电路结构和驱动能力的情况下，通过调整同步信号频率来实现水声2ASK信号在较宽频带内的变频，为认知水声通信系统中动态频谱接入技术提供了硬件基础。

附图说明

图1为本发明认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路结构框图。

图2为压控振荡、微分、非门整形和驱动信号产生电路图。

图3为宽频2ASK信号产生各阶段的实测波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路包括核心处理器、压控振荡电路、微分电路、非门整形电路、驱动信号产生电路、功放电路、匹配电路、水声换能器。

核心处理器用于处理采样电压并产生频率控制电压；压控振荡电路与核心处理器连接；微分电路与压控振荡电路连接；非门整形电路与微分电路相连接，用于产生同步信号；驱动信号产生电路与非门整形电路连接；功放电路与驱动信号产生电路相连接，用于放大水声信号；匹配电路与功放电路连接；水声换能器与匹配电路相连接，用于发射水声信号。所述匹配电路通过电流互感器与电压采样电阻，向核心处理器发送水声换能器端的实时电流电压波形。所述非门整形电路由两个反相器并联而成，反相器输入端接上拉电阻至电源，该电路将微分后的正负脉冲波信号补偿、翻转为占空比小于10%的正脉冲波形，作为同步信号。所述水声换能器为压电型换能器，谐振频率至少为1kHz, 至多为200kHz；所述核心处理器采用单片机MSP430F149芯片，使用3.3V直流电压供电；所述反相器采用74HC04芯片。

图2中分别是压控振荡器电路、非门整形电路、微分电路和驱动信号产生电路。其中，压控振荡器电路使用锁相环芯片CD4046内的压控振荡功能，由芯片R1、R2端和C1A、C1B端外接的振荡电阻与电容充放电来产生基础方波信号，再由芯片Freq Control端输入的电压值来控制方波信号的频率偏移。压控振荡器电路输出的方波信号在后端的RC微分电路中被整形成正负脉冲波信号，经非门整形电路翻转、补偿后变为占空比小于10%的正脉冲波形，该信号进入SG3525 PWM控制芯片的SYNC端后被二分频，输出同频反相的两路超声驱动信号。同时，由单片机输出调制信号至该芯片的IN+端，以实现2ASK调制。

认知水声通信中的宽频2ASK信号产生电路工作时，由核心处理器中的DAC产生压控振荡电路的输入电压，压控振荡器电路、非门整形电路、微分电路和驱动信号产生电路经上述信号整形处理后，驱动功放电路进行逆变，完成水声信号的功率放大，放大后的信号经匹配电路实现阻抗和相位匹配后，驱动水声换能器发射设定频率的声波信号。同时，匹配电路通过电流互感器与电压采样电阻，向核心处理器反馈水声换能器端的实时电流电压波形，核心处理器比较其相位，实时监测水声换能器的工作状态。若需改变2ASK信号的频率，可较为方便的通过调整压控振荡电路输入电压及匹配电路参数来实现。

图3中为宽频2ASK信号产生各阶段的实测波形图。可以看出，在324kHz脉冲信号的作用下，SG3525芯片输出162kHz同频反相的两路超声驱动信号。该驱动信号控制半桥功放工作，各测试点波形符合设计预期。同时，从换能器端采集到的电流、电压处于同相，说明换能器处于稳定的谐振状态。2ASK已调信号的调制信号频率为159Hz，载波频率为162kHz。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。