多功能水声信号发生及数据采集显控系统设计

　　0 引言

　　海水是电的良好导体，电能在水中传播很快地以热的方式耗散掉，而由于在同样距离下声波在水下比电磁波衰减少，因此常被作为水下远距离传播的信息载体[1]。水声信号复杂多变，市面上常见信号发生器设备一般不能按设计需求来产生信号形式、工作频率、脉冲长度、重复周期、调制形式等特征多变的实际信号，且价格高昂，为水下目标测量带来诸多难题。

　　目前市售数据采集卡都包含了完整的数据采集和计算机接口电路[2]，但其价格一般比较昂贵，与性能基本成正比[3]。

　　随着数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)和Codec芯片技术在音频信号采集控制、实时压缩和解压缩[4]等领域中的广泛应用， 计算机声卡同时具有A/D和D/A转换功能，价格低廉，且兼容性好、性能稳定，成为优秀的数据采集卡，能够配合PC机硬件资源，在音频范围内进行数据采集与信号处理。虚拟仪器作为现代计算机软、硬件和测量技术相结合的产物[5]，以计算机为核心的硬件平台，利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器控制面板并结合软件功能和I/O接口设备完成信号的采集、测量及控制，虚拟仪器具有扩展性强、良好的人机界面[6]、可重用性和可配置性强等诸多优点。

　　基于声卡及美国国家仪器公司数据采集器(NationalInstruments Data Acquisition，NI-DAQ)多功能水声信号发生和数据采集显示控制系统可利用声卡及NI-DAQ实现对多功能水声信号的控制、发射、显示，同时完成对音频信号的采集、显示，其控制输出部分可按实际需求发生正弦波、三角波[7]、方波、锯齿波、线性调频、宽带噪声等脉冲/连续复杂水声信号[8]，用于水声发射机工作，采集输入部分实现对水声信号、机械量信号、载波信号等音频信号的数据采集测量和波形显示。显控系统可工作于两种不同模式，且作用于水声功率放大器可实现对实际水声信号的发生及控制。该系统界面友好，价格低廉，性能稳定可靠，既减少了硬件开销，又满足实际需求。

　　1 系统整体设计方案

　　多功能水声信号发生和数据采集显示控制系统有控制输出、采集输入两种工作模式。其中，控制输出模式可对预发射信号形式、类型、频率、幅度、带宽、起始时刻、信号脉宽等参数进行设置，且能通过读取数据文件选择已有数据文件产生信号，实现基于声卡双声道输出及NI USB-6251(图1)设备的模拟输出，用于水声发射机信号的产生;采集输入模式利用声卡的DSP音效芯片处理功能，进行模拟音频信号与数字信号的转换，用于计算机上语音信号的特性分析及水声信号的后置处理。系统设计框图如图2所示。