简述养殖场的Smith圆图数据控制系统研究

　　海洋资源指的是与海水水体及海底、海面本身有着直接关系的物质和能量。 自然资源分类之一。指形成和存在于海水或海洋中的有关资源。包括海水中生存的生物，溶解于海水中的化学元素，海水波浪、潮汐及海流所产生的能量、贮存的热量，滨海、大陆架及深海海底所蕴藏的矿产资源，以及海水所形成的压力差、浓度差等。广义的还包括海洋提供给人们生产、生活和娱乐的一切空间和设施。按资源性质或功能分为海洋生物资源和水域资源。世界水产品中的85%左右产于海洋。以鱼类为主体，占世界海洋水产品总量的80%以上，还有丰富的藻类资源。海水中含有丰富的海水化学资源，已发现的海水化学物质有80多种。其中，11种元素（氯、钠、镁、钾、硫、钙、溴、碳、锶、硼和氟）占海水中溶解物质总量99.8%以上，可提取的化学物质达50多种。由于海水运动产生海洋动力资源，主要有潮汐能、波浪能、海流能及海水因温差和盐差而引起的温差能与盐差能等。估计海水温差能的可利用功率达100×10^8千瓦，潮汐能、波浪能、河流能及海水盐差能等可再生功率在10×10^8千瓦左右。

近年来随着我国大力开发海洋资源的脚步不断加大、人民生活水平不断提高，海产品消费越来越多，需求量越来越大。现在水产养殖业主要以养海参、鲍鱼、植物菜和其他水产类鱼苗为主，为了使养殖作物生长周期短、产品质量高，需要经常检测作物生长环境参数和水温等监控，目前市场上有两种自动检测系统投入使用：一种是时时远传系统，普遍采用脉冲计数式，这种方式需带电工作，易造成停电漏记，并有累计误差；一种是IC卡式测量系统。这种方式需要对原有水样、生物样品进行不同时段现场测量，投资和工作量大。

目前国内已有的方案是利用仿真分析，通过接口电路输入到自动识别计算机系统中进行识别处理。由于传输的是图像信息，系统的数据处理量和存储量相对较大，对硬件要求较高。因此本文提出了另一种方案，该方案采用Smith圆图控制整个养殖区域，通过调节阻抗改变信号发射频率以控制远近海的范围大小，采用图像截取方法仅采集对数据分析有用的图像信息，大大减少了数据的处理量和存储量。

　　1 系统整体设计

本系统采用图像解码装置实现养殖场水域环境图像的数字化，利用Freescale公司的MBC13916控制信号传输和接收的灵敏度，进而改变阻抗调节频率，调整覆盖范围，分析数据经接口电路输出识别结果。系统的总体结构如图1所示。

本系统的目的在于开发体积小、成本低的基于Smith圆图数据的电台式数据远传接收监控系统。所以在满足系统要求的前提下，在器件选择方面，需要尽可能地减少系统资源的冗余，提高系统的集成度。Freescale公司的MBC13916是一个集成的LNA，内部拓扑是共射-共基组态的，可以提供较高的增益，并且S12参数接近于0，反向泄露非常小。综合这些情况，在MBC13916芯片前增加一个简单的衰减电路，产生两级功率：当输入信号很弱时，衰减电路开路，全部信号进入LNA。

　　2 Smith圆图下系统控制理论设计

考虑输入/输出匹配网络对放大器的工作增益的影响：在Smith圆图上可以画出一系列的等增益曲线，这些曲线是一系列的圆，称之为等增益圆，这些圆的中心是增益的点，在这个点上，信号源和放大器的输入/输出阻抗实现了共轭匹配。

本系统频段的中心频率是227 MHz，这个频段较窄，因此用中心频率的特性代替整个频段。利用S参数表插值计算出227 MHz的S参数（角度单位是度）：

　　增益对应的信号源和负载反射系数分别为：

以为中心，在Smith圆图上绘制一系列的等增益圆，圆图覆盖的水域结果。

在选定系统控制中心，其的负载反射系数即=0.948∠9.4，偏离中心位置，放大器增益将降低，以2 dB为步长绘制了5个等增益圆，越远离中心的圆，其增益越低，覆盖的范围越大，传输数据需要的时间越长，传感器的灵敏度也越大。

当结合驻波系数和噪声情况时，综合确定输入和输出匹配阻抗的值，确定需要测量监控的养殖场海域[5]。与此对应的输入信号源反射系数的等增益圆覆盖的养殖场海域。

在实际测量监控的海域范围内，存在一定的噪声误差，使得噪声指数相等的信号源反射系数和负载反射系数在Smith圆图上也形成一个等噪声指数圆，当等噪声指数圆和等增益圆叠加在一起，选择折中的匹配参数（平衡增益和噪声指数两个指标），控制中心频率，准确定位测量监控的水域。

　　3 Smith圆图养殖场数据控制接收系统

MBC13916集电极输出，通过集电极馈电，因此集电极通常通过一个电感上拉到电源上。L1和C1、C2构成串联谐振，旁路镜像干扰信号，以免干扰接收机在180 MHz～188 MHz的频段构成镜像干扰，因此L1和C1、C2谐振在这个频段，C2在一定范围内微调，以补偿各种元件容差导致的频偏。在223 MHz～231 MHz频段，L1和C1、C2的并联谐振失谐，等效于一个电感，等效电感和L2、C3、C4构成π型匹配网络，把50 Ω的天线阻抗匹配到0.643∠36.8，并且具有一定的Q值（Q=7～8比较合适，具有大约30 MHz的带宽）。电感作为匹配电路的一部分，根据上面的计算，匹配电路需要把负载匹配到ΓL=0.95∠9.244。

10 Ω电阻和104、1 nF电容组成电源滤波和去耦电路，并联一个在227 MHz频段谐振的电容，避免了227 MHz信号成分通过电源干扰LNA[6]。当把等噪声系数圆和Γs的等增益圆绘制在一起时，可以看出，满足增益的信号源反射系数和满足噪声的信号源反射系数并不重叠在一个点上，因此在两个参数上取折中点。系统的增益比较高，如果噪声指数比较低，放大器增益在20 dB以上，整个系统的噪声指数就可以很低，因此使Γs更加趋近噪声指数的位置。对于整个系统而言，通过不同的阻抗参数转移覆盖的海域，使误差，并且随着范围的移动，获取的图像数据不断保存。

在L1、C1、C2组成π型匹配电路，通过Smith圆图工具，当L1取109.1 mH、C1取3.9 pF、C2=15 pF时，匹配的Q值约为7.5。但在实验中，LNA的负载是混频器，其输入阻抗未必是50 Ω，需要使用匹配电路将其匹配到50 Ω，届时L1、C1、C2的取值根据情况作调整。利用RFSIM99软件对这组参数仿真，信号输入端口的反射系数（灰色曲线）和放大器增益所示。

可见在222 MHz～233 MHz范围内，放大器增益超过30 dBm，Smith圆图控制水域测量结果误差比较大，在184 MHz的位置放大器增益为-7.6 dB，产生了幅度很小的衰减，有用信号和镜像频率之间存在接近40 dB的增益差别，也就是说镜像抑制比达到40 dB。此时的测量结果存在误差。而反向隔离效果非常好，按照RFSIM99的数据，Smith圆图几乎分辨不出S12的值，控制水域测量结果。