Page 193 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 杨超等： 基于电磁 -压电混合结构的超声波穿金属通信系统 727

制。经过信号处理后的数字信号被传入数模转换电
2 系统设计
路(Digital to analog converter, DAC)，将其转换为
2.1 系统结构 模拟信号。随后，模拟信号经过大电流功率放大器
进行放大，使输出信号的电流增大。最终，该信号用
电磁 -压电混合结构的超声波穿金属通信系统
于驱动EMAT换能器，在金属壁内产生超声波。
由发送端、金属壁、接收端组成。混合结构的超声
信道结构如图 6 所示，金属壁信道为 60 mm 厚的 FPGA Ҫဋ
PLL DDS ஊܸ
铝板，系统发送端由 FPGA、A/D 转换模块、大电
流功率放大模块、EMAT 构成；接收端由倾斜结构
ηৌ ࣳ˙ OOK ᮕܿᄾ DAC
PUT、微弱信号放大模块、D/A转换模块、FPGA构 ࠰ᜉ ᣁ૱ ូ҄ ໚ฉ
成。这里需要指明的是，FPGA 采用 Altera 的 Cy-
cloneIV EP4CE10，该芯片包括 10320 个逻辑单元， 图 7 通信系统发送端结构
414 kbit/s 嵌入式存储器，23个18位嵌入式乘法器， Fig. 7 Transmitter structure of communication system
2 个锁相环 (Phase locked loop, PLL)。功率放大器
2.3 系统接收端
采用 LT1210X宽带功率放大器，最大输出电流达到
系统接收端结构框图如图 8 所示，主要由模拟
±2 A。
部分和数字部分组成。在模拟部分中，使用压电式
᧛࡛ܞ 斜探头将声信号转换为电信号。由于 EMAT 的换
能效率通常为千分之几及以下的量级，接收到的超
声波信号较为微弱，其电压幅值在几百微伏到几毫
ηՂ ηՂ 伏之间，同时信号还会受到回波干扰和噪声的影响。

EMAT PUT 为此，本文设计了模拟前端电路来放大和滤波微弱
的接收信号，以便将信号采集到数字域，并消除接收
到的杂波，从而提高信号的信噪比 (Signal-to-noise

图 6 电磁 -压电混合结构超声信道结构 ratio, SNR)。该电路具备较好的噪声抑制和微弱信
Fig. 6 Ultrasonic channel structure with electro- 号放大能力，由限幅电路、一级仪表放大电路、带通
magnetic and piezoelectric hybrid structure 滤波器和二级低噪声放大电路组成，电路原理图如
图 9 所示。限幅电路主要用于过滤输入端的尖峰噪
2.2 系统发送端
声，以防止对后续模块的工作产生影响。一级仪表
系统的发送端结构框图如图 7 所示。为了确保
放大电路采用 AD8429 芯片，该芯片具有超低噪声
数据传输的安全性，对发送信息进行封装，在其中
输入性能，增益范围为 2 ∼ 40 dB，共模抑制比可达
添加了帧头、帧尾、起始位、校验位和结束位，将
56 dB。带通滤波器采用由 AD828 构建的双放大器
信息封装成数据包的格式。接下来，通过并串转换
有源滤波器，其输入输出关系如式(3)所示：
模块，将数据包转换为串行比特流。同时在 FPGA ( )
2
中，配置了数字振荡器 IP 核，以生成所需的载波信 s
V bpfin R 4 · C 3
号。然后，将比特流与配置的载波信号发送到通断 = ( ) . (3)
V bpfout 2 1 1
键控 (On-off keying, OOK) 调制模块，进行数字调 s + s + 2
R 4 · C 3 R 5 · R 8 ∗ C
3
FPGA
വલҒቫ PLL ͯՏ൦ካข

ADC ѼхԦᯠکᛦ٨ Ͱᤰ໚ฉ OOKᝍូ ˙ࣳᣁ૱ ηৌᝍӊ

图 8 通信系统接收端结构
Fig. 8 Receiver structure of communication system