1、本科毕业论文（20 届）水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现摘 要随着人类对于海洋资源利用程度的提高和海洋活动的增加，水声通信不仅在军事领域得到广泛应用，而今也发展到一些商业应用领域。其中模拟水声通信系统作为水声通信系统基本组成之一，有着广泛的研究意义。模拟水声通信系统中，通常需要将原始的电信号变换成其频带适合信道传输的信号。本课题即是对于已调信号如何进行滤波的滤波器设计与实现。本课题主要研究的是模拟水声通信系统中滤波器的软件仿真以及硬件的实现，对于信号频率范围内的保留以及直流分
2、量和噪声的滤除。其中需进行电路图的设计，元器件参数的计算以及元器件的选取，在仿真软件进行幅频特性的观察，再将仿真结果与实际测量结果进行对比和分析。最后在对于滤波效果的分析基础上，进行滤波器的改进。 本课题基于 PSpice 软件设计并实现一个二阶压控电压源带通滤波器，以及一个四阶无限增益多重反馈带通滤波器。利用 PSpice 软件进行仿真，将其二者性能进行比较，焊接电路板，最后利用信号发生器和示波器进行硬件功能的实现。关键词：水声通信系统；有源模拟带通滤波器；PSpice 软件设计与仿真；硬件实现；水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现AbstractWith the increase of m
3、arine resources and the increase of marine activities, underwater acoustic communication is not only widely used in the military field, but also in some commercial applications. As one of the basic components of the underwater acoustic communication system, the analog underwater acoustic communicati
4、on system has a wide range of research significance. In the simulation of underwater acoustic communication systems, the original signal is usually required to be converted into a signal which is suitable for the transmission of the channel. This thesis is about how to design and implement the modul
5、ated signal.This thesis mainly studies the software simulation and hardware realization of the filter in underwater acoustic communication system, and the reservation of the signal frequency range and the filtering of the DC component and noise. Which need to design the circuit diagram, selection of
6、 calculation parameters of components and components. In the simulation software of amplitude frequency characteristic of the observation, and the simulation results and the actual measurement results are compared and analyzed. Finally, the filter is improved based on the analysis of the filter effe
7、ct.This article is based on PSpice software design and realizes a two - step Voltage controlled voltage source bandpass filter and a four - order infinite gain multiple - feedback bandpass filter. The performance of the two is compared with the PSpice software, and the hardware function of the signa
8、l generator and oscilloscope is realized.Keywords: Underwater acoustic communication system; Active analog bandpass filter; PSpice software design and simulation; Hardware implementation;水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现目 录水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现 .1第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 课题研究内容及设计方案 .31.3 本章小结 .4第 2 章 滤波及滤波器的介
9、绍 .42.1 波的概念 .42.2 滤波及滤波器的基本知识 .52.2.1 滤波器的分类 .52.2.2 滤波器的主要特性指标 .82.2.3 滤波器特性的逼近 .102.3 有源滤波器的设计与常用滤波电路结构 .112.3.1 有源滤波器的设计 .112.3.2 有源滤波器的公式法设计流程 .122.4 本章小结 .13第 3 章 二阶压控电压源带通滤波器的设计 .133.1 二阶压控电压源带通滤波器电路设计 .133.2 二阶压控电压源带通滤波器主要技术参数的计算及分析 .153.3 二阶压控电压源带通滤波器元器件的选择 .183.4 二阶压控电压源带通滤波器的电路仿真 .193.5 二
10、阶压控电压源带通滤波器的硬件实现 .213.6 本章小结 .24第 4 章 四阶无限增益多路反馈有源带通滤波器的设计 .244.1 四阶无限增益多路反馈有源带通滤波器电路的设计 .244.2 四阶无限增益多路反馈有源带通滤波器的主要技术参数的计算及分析 254.3 四阶无限增益多路反馈有源带通滤波器电路的仿真与硬件实现 .274.4 结果分析 .304.5 本章小结 .31结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现1水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义谈到水声通信的起源就不能回避声呐的历史，因为水声通信的耳目喉舌
11、就是声呐，在声呐的发展过程中，逐渐发展起水声通信这一重要分支。有历史记载的最早的声呐使用记录是 1490 年的里昂那多.达芬奇：在船舶靠岸后，在水里插进一根管子，用耳朵来听另外一端，就能发现远处船舶的动向。尽管这种被动声呐的雏形十分简陋，但一直到第一次世界大战期间，还一直被广泛应用。随后，到十九世纪，“换能”现象被广泛，磁致伸缩和压电效应等换能现象的发现是水声的一个重要进展，并被成功应用制作为声呐。随后，海中变化多端的声传播机理论被逐渐认识到，为人们更好地开展水下声通信的研究工作除掉了一块绊脚石。在 1914 年，人们第一次提出了水声通信的概念。在 1914 年，人们成功地发明了水声电报系统，
12、并且英格兰的海军部队很快采用了这个设备，在水下的无线通信第一次进入了人们的视野。自这个设备问世以来，在军事领域里面，逐渐有越来越多的水下信息传输和用于通信的设备出现并且在实践中应用。但是真正名义上的，有可靠性的水声模拟通信系统，出现于第二次世界大战之后，例如 1945 年的水下电话，它是由美国的海军实验室成功研制的。这个系统使用的是单边带（SSB）调制技术，在潜艇之间的通信中用处较大。在次之后，还逐渐问世了许多运用模拟单边带（SSB）或者是幅度调制（AM）的水声通信系统。比如载波频率为 20KHz，频带宽度为 500Hz 的调频水声通信系统。它是由WHOI 在 50 年代末研制成功的。然而，这
13、些系统存在着功率的利用率不高的问题，当人们在几公里以上的距离进行通信时，常常需要把发射功率定在上百瓦。当今，建模技术在水声通信中的应用越来越多。由于在水声通信中，引起衰耗的原因有很多，声音的传播损失与以下两个方面有直接联系：频率以及海水成分的影响。这就使得进行远程水声通信时，信道的带宽变得很有限；声波接收信号时，是会产生多途效应的，它由以下两个原因：界面反射、随机散射。因此，我们要研究水声信道传播时的特性。这对于研究、分析水声通信，有着很大的意义，现如今基本上是采用建模仿真以用来辅助水声课题的开发。当代的有关数据传送接收系统的设计，把海洋声场及通信工程这二者的研究结合了水声通信系统中模拟滤波器
14、的设计与实现2起来。对于已经成熟的有关无限电波的原理及应用，我们可以利用此种研究将它重新的应用在水声信道的研究里。很多重要的发展已经逐渐丰富了这个领域的研究工作。多径信道中，有时存在着比较严重的时间扩展，为此我们常常利用非相干方式，其中包括 FSK、MSK 两种调制形式。最近几年，对抗多径现象又有了新的方案扩频技术。这个技术对遏制或减小海面反射所产生的干扰有着很明显的功效。此外，相干通信的方式随着信号处理的发展，也得到了时间。例如相移键控技术，可以实现中等速率数据的传输，它利用 MPSK 的方式，并且结合了均衡与同步参数估计这两种方法。最后，在水声通信中还常常使用时延差编码技术。目前，水声通信
15、领域已然获得了很多阶段性的成果。例如：S&NW 系统中心对于水声通信系统所利用的 MFSK 调制。还有 LHM 公司正视同利用扩频、跳频和自适应信道均衡技术来研究水声通信系统；佛罗里达大学对于水下的图像压缩技术目前已可以使压缩比成功达到 400：1；Woods Hole 研究所研究的声学 Modem，可以采用 MFSK（101000bps ）及 PSK（250010000 bps）两种调制方式，其中载频为 30KHz。最开始，水声通信的用武之地主要在于军事领域，例如海上部队的潜艇和舰艇之间的通信。2000 年，本瑟斯公司成功研制出一种调制解调器“ATM850”。它作为一种新型设备可以实现水中连
16、结 Internet。这大大优化了水上的通信。一百多米深的潜艇在航行时，可以向岸上的接收部门系统发送电子邮件信息。这是人们首次可以不借助伸出或是浮在水面上的天线来进行潜艇与岸上的成功通信。近些年来，人类对于海洋资源的利用程度逐渐提高，对于海洋活动也在逐年增加，水声通信系统不仅在军事领域里得到了广泛的应用，而且也发展到了一些商业应用领域。军事领域里，常常有以下几种应用：对于潜艇所给予的检测和导航，潜通信，还有对已发射鱼雷进行的远程遥控等。民用领域中，常有以下这些应用：开发及更好的使用渔业资源，应接和维护水上原油、天然气钻井的平台和船只，水下的资源发掘，水底的地理探测，在海上的科学实验，以及对于海
17、洋环境变化的气候监测行为等等。随着技术的一步步发展，现如今的水声通信系统已被各式各样的场合很好的利用。它们可代替人类的潜水员，完成很多海洋的作业。且突破了人力所很难达到的深海研究。在水声通信出现之前，几千米深的水底作业似乎只是天方夜谭，但它已经可以在海底把视频几乎不是真的传输给陆地，声遥感的水下网络目前也提上了研究的日程。对于未来，我们相信这一方向的应用范围一定可以更进一步的丰富，只要我们能够研制出效率高的通信系统。近些年来，世界各国对于海洋资源逐渐重视，加强了开发的力度。不仅仅是对于传统的通信方式有了发展，一些发达国家对于建立水下水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现3通信网也产生了浓厚的兴趣
18、。比如传统的潜艇与岸上或水面上的船舶进行实时通信时，不仅仅应当包含传统的通信连接，还应该有网络的架构。在声通信网中对于一些陆上无线领域的组网技术也得到了很好的研究。这个水下声通信网的课题对于未来的发展有着很大的价值，它可以帮助实现真正意义上的全球覆盖立体信息网。对于水下声通信领域的研究，我国的起步较晚。在我国的军事领域中，语音通报机是我国海军主要运用的通信系统，它采用了模拟单边带调幅（SSB）的调制方式。像 660 通信声呐，它主要可以实现信息的通信、报文的传输、语音的模拟等等。在海洋环境中，由于多重因素而导致的多径效应十分棘手，常常会使通信的质量严重的受到干扰，多数情况下语音会失真且模糊不清
19、。在我国民用领域中，仅由很少的用于考察的研究船只利用了这个系统，除此之外还很少见到其它方面的应用。下面我们主要考虑本文研究的重点，即滤波器的设计。数字化进程在当今时代的不断发展，使得数字滤波器再多种应用上占有主导的地位。但是模拟滤波器与数字滤波器相比，仍然有着它独特的优势和特点，我们要完成一些工作必须要使用模拟滤波器。例如，当我们抽样量化时，首要工作是对一个信号进行最高频率限制的处理；其次，对于所有数字系统，必有要对前端的微小信号进行处理。而这些都是数字滤波器所不能完成的，只能借助于模拟滤波器。当今的水声通信系统，由两部分组成：模拟水声通信系统以及数字水声通信系统。其中模拟水声通信系统如下图
20、1 所示。.图 1.模拟水声通信系统图其工作原理如下：第一步，将发送的原始信号，由连续的变为离散的电信号，而在接收时，又要讲其转换为原始的信号。因为它总是有着频值很低的低频或直流分量，直接传输时会产生失真。所以我们要利用模拟通信系统，将其进行调至。以实现在频带内的传输，最后再解调，在接收端进行接收。这就是我们经常说的调制与解调。已调信号是指调制完的原始信号，它有着以下两个水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现4基本特点：携带着信息、适合在信道内传输。而本文中涉及的部分即是设计一个滤波器，将信号频率范围内的保留以及直流分量和噪声的滤除。这是水声模拟通信系统传输中关键的一个部分。1.2 课题研究内容
21、及设计方案本文针对水声通信系统中模拟通信系统这一部分，对于其已调信号（系统工作频率在 25KHz35KHz）进行滤波，首先进行电路图的设计，元器件参数的计算以及元器件的选取，在仿真软件进行幅频特性的观察，最后再把实际测量得出的结论与仿真时的幅频特性等进行比对。最后在对于滤波效果的分析基础上，进行滤波器的改进。 1.3 本章小结通过本章的介绍，可以了解水声通信系统的时代背景、历史及其重要意义，又对本课题的任务有了宏观的认识。同时对本课题研究的内容即电路设计、参数计算、软件仿真、硬件实现这几个步骤有了比较清晰的了解。第 2 章 滤波及滤波器的介绍2.1 波的概念我们经常谈到的“波”，在物理领域是一
22、个十分广泛的概念。电子技术所设计的波，是指狭义的波。它仅仅特指各式物理量随着时间起伏变化的过程。各种各样的传感器被用作与转换这些电流或电压，为时间的函数。这也就是我们通常看到的物理量和时间的函数波形，也就是所谓的信号。由于自变量时间（t ）常常是选取连续的值，因此我们也叫它为连续时间信号。又习惯地称之为模拟信号（Analog Signal）。经过这些年的数字式电子电脑技术的发展，我们已经可以使用抽样定理为基础的将连续时间信号转换为离散时间信号进行处理的方法，这也意味着，通过只在原模拟信号在一些离散的时间坐标点上的样本值就可以完美的替代，且不会遗漏任何信息，即 tnftf 抽 样其中 n=0,1
23、,2,.事实上为了真正适合于计算机的处理，还必须把抽样值（幅度）量化为数跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟跟水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现5字量。t 的实际大小对于量化以后的处理过程无关紧要，于是模拟信号最终被处理成一个数字序列，即 nxtnf 量 化其中 n=0,1,2,.该序列被称为数字信号。波、波形、信号以及等等相关的说法，表示的是各种物理量在客观物质世界中的变化，也就是承载各种讯息的一种载体。讯息的传播，
24、就是以这些波形信号为载体的。因为环境以及各种影响而产生的畸变，会发生在信号传递的每一个环节，例如产生、转换、传输等等。此类的畸变往往在大多数情况时还是比较严重的，导致了噪声取代了信号中的有用信息，占了主导地位，即f(t)=(t)f(t)+(t)或者x(n)=a(n)x(n)+b(n)2.2 滤波及滤波器的基本知识我们通常所说的滤波，其实质是把原始信号中有用的信息从严重的噪声或干扰中选择出来的过程。所谓的滤波器，也就是针对此种情况而对有用波进行过滤的器件2.2.1 滤波器的分类1、按照所处理信号分类滤波器再整体上应当分为两个大类，即模拟滤波器和数字滤波器。这两种滤波器虽在用处上有一些相似的地方，
25、但在组成结构上却有着不小的差别。前者处理对象为连续的模拟信号，后者为离散的数字信号。对于模拟信号，通常使用模拟滤波处理，即用模拟的元器件构建一个网络，对模拟的信号进行处理，又或是计算模拟信号中相关的模拟量。这也就是人们常说的模拟滤波。而对于数字信号，滤波的主要作用是要利用数字元器件亦或是数字信号处理器来构建一个网络，让数字信号可以通过。亦或是在编程过的电脑中将数字序列进行计算分析，这也就是我们常说的数字滤波。众所周知，相比于模拟的系统，数字的系统有着明显的优势以及更加多用的功能。它可以用来处理那些比较繁琐的问题，并且有着精确、稳定，以及信号可用性强大、灵活的功能，集成性好，可拓展等等有点。尽管
26、它的速率比不上模拟的系统（刨去电路相关的延迟，后者的处理时长几乎为零），但是随着水声通信系统中模拟滤波器的设计与实现6数字时代的发展，处理速率的提高，数字系统也可以愈发接近完美地满足许多信息处理相关的领域对于速率的限定。总而言之，数字系统与模拟系统进行比较时，存在很多相似的长处和优点，所以探索滤波器的使用是否还有必要呢？答案是肯定的。因为除了之前说的对微弱信号预处理和对信号最高频率进行限制处理之外，还有以下两个优点： 虽说数字系统有着种种优点，但它的不足也是明显的。例如过于繁琐的结构、成本过高，且并不能所有情况都完美使用。因此在一些可以只利用模拟系统就能很好完成要求的时候，它仍然作为首要的选择
27、来组成电路。总而言之，作为设计模拟电子设备电路的奠基，它在当今看来，已然可以有很大的应用空间。 身为一个传统的二端或者四端的网络，模拟滤波器自出现以来，已经取得了很完备的理论基础和方法。这些都可以作为数字滤波器研究和设计的桥梁。数字滤波器含有的一些诸如网络的特性，以及很多的设计方法都是来源于模拟滤波器并且借助它的理论来完成的。 2、按照所选择的频率分类按照频率进行分类是，有以下四种分法：高通（HPL）、低通（LPF）、带通（BPF）和带阻（BEF）滤波器。1）高通滤波器高通滤波器是可以通过所有比截止频率 f 高 的波，而不让比截止频率低的波通过的滤波器。在音频范围内，电话机的频率是 300 赫
28、兹到 3 千赫兹，高保真的频率是 20 赫兹到 20 千赫兹。如果有一位的振动混入麦克风中变换为电信号，就会成为一种干扰信号，扬声器上叠加有直流成分。声音的失真往往是由于受话线圈的位置偏移所造成的。有时，严重的失真会导致线圈因为发热而被烧坏。这就需要高通滤波器的滤波来阻止意外低频产生的恶劣反应。当我们对加以直流中交流的信号分析时，或者对加以商用电源中谐波的成分分析时，经常要用到这种滤波器。2）低通滤波器高通滤波器是可以通过所有比截止频率 f 低 的波，而不让比截止频率高的波通过的滤波器。当使用智能监控装置时，处理模拟信号时数模转换是不可或缺的。在使用数模转换器，将模拟信号量化处理成数字信号之前，若是信号里包含高于采样频率二分之一或更高的频率成分，则将产生出截然不同的频率成分，就会随之
