高一致性低噪声多路水声信号预处理设计方法

　　1 概述

　　远距离声源发射的水声信号到达接收设备时已十分微弱，其在水声换能器产生的电压信号通常只有微伏量级，信噪比较小，因此必须对某一频带的水声信号进行宽带滤波和无失真放大。笔者提出一种高一致性低噪声多路水声信号预处理方法，采取三级放大，八阶滤波级联，主要从等效输入噪声、幅频特性、相频特性三个方面进行实验和分析，来验证提出的方法。

　　2 系统设计

　　2.1 系统整体设计

　　由于接收到的水声信号是弱信号，所以，需要对信号进行一定的放大，放大过程中要注意信噪比的控制。同时，在信号的传输过程中要设计一个带通滤波器。由于前端信号幅值是在μV量级的微弱信号，而带通滤波器的本体噪声也在μV量级上，两者相差不大，为了提高信噪比，在信号进入滤波器之前，先让弱信号进入一级放大，通过滤波器之后再进行两级放大，使最终输出的信号达到V量级。满足幅度增益大于85dB的技术指标。

　　为了达到上面提到的技术指标，本实验设计一个硬件系统，图1是实验系统的结构框图。系统总体结构由3部分组成，第一级放大，采用AD797芯片实现，高阶带通滤波器采用MAX274芯片实现，第二、三级放大采用OP285实现。

　　2.2 低噪声第一级放大

　　从信号源输出的信号属于μV量级的弱信号，后面的带通滤波器本体噪声和信号幅值相差不大，信噪比很低，所以，信号在进入带通滤波器之前，要给信号进行一级放大，本实验中给信号提高了48dB的幅度增益，使信号幅值达到了mV量级，这样就大大提高了信号的信噪比。由于本实验有等效输入噪声的技术指标，所以运算放大器要选择低噪声的精密放大器，这里选择的AD797是AnalogDevice公司出品的一颗超低噪声低失真单运放。有着超低噪声，超低失真，以及80μV的输入失调电压。此芯片的超低噪声能够很好地满足要求，在引入很小噪声的同时增加了信号的幅度，使后级的高阶带通滤波器能够很好地工作。

　　2.3 带通滤波器

　　通过运算放大器和RC网络组成的高阶带通滤波器，能够达到滤波的效果。笔者在初始阶段设计了一个通过运算放大器OpAmp和RC网络组成的高阶带通滤波器，一阶单元的结构如图2所示。

　　通过图2可以看出，一阶的电路需要2个电容和3个电阻，如果实现8阶带通滤波器，一个通路需要16个电容和24个电阻，由于外围电路的电容过于多，很难控制滤波器的幅频和相频特性，尤其是相位一致性方面，电容对其影响很大，所以本设计很难控制和满足要求指标。