（水声工程专业论文）自航模水声遥控指令技术研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs t r a c t s o u n di st h eo n l ye f f e c t i v ei n f o r m a t i o nc a r r i e rf o rm e d i u mo rl o n gd i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni ns e aw a t e r c u r r e n t l y ， u n d e r w a t e ra c o u s t i c c o m m u n i c a t i o n p l a y s a l l i m p o r t a n t r o l ei nn a t i o n a ld e f e n s ea n di nt h e d e v e l o p m e n to fm a r i n ee c o n o m y m a n yc o u n t r ys p e n tal o to fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c ei nu n d e r w a t e ra c o u s t i ct e c h n o l o g y ， a n dm a d em a n yn e w e q u i p m e n tf o ra l lk i n d so fs u r r o u n d i n g sf o rt h en e e da b o u tt h eo c e a n i ca c t i o no f m a n k i n ds u c ha so b j e c td e t e c t 、c o m m u n i c a t i o n 、p o s i t i o na n dn a v i g a t i o n w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ea m b i e n tn o i s e ，v e r yn a r r o wb a n d w i d t h ，l o w e rc a r r i e r f r e q u e n c y ，g r e a tp r o p a g a t i o nl a t e n c ya n dt i m e s p a c e - f r e q u e n c yv a r i a n tm u l t i p a t h e f f e c t ，t h es t o c h a s t i co c e a nc h a n n e lh a sd e m o n s t r a t e dt h eg r e a t e s tc o m p l e x i t ya n d d i f f i c u l t yf o ru n d e r w a t e ra c o u s t i cw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h es i g n a lf a d i n ga n d t h ei n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c ew h i c ha r ec a u s e db ym u l t i p a t hp r o p a g a t i o nw a st h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o ro fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc h a n n e lw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e d i s s e r t a t i o ng i v e st h et h e o r yo ft h es y s t e ms u r v e yt r a c k i n g ，t h ed i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e do nt h et e c h n o l o g yo fu n d e r w a t e ra c o u s t i cc o m m u n i c a t i o n ，a n d f o c u s e do nt h es y s t e m a t i ck e yt e c h n o l o g i e sa n ds o l v er o u t e s t h em a t l a b s i m u l a t ea n df e a s i b i l i t ya n a l y s i so ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra l g o r i t h ma n d a l s og i v e st h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei nr e m o t ec o n t r o l 、 r e m o t em e a s u r ea n dt r a c km e a s u r e ，d e s i g nt h ed i s t r i b u t ea l g o r i t h mf i rf i l t e r b a s e do nf p g a t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc o u l db ea c h i e v e dt h ed u e - d e s i g n d e m a n do fp r o c e s s i n gh i g h - f r e q u e n c yn a r r o wp u l s e k e yw o r d s ：m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ；f s kf r e q u e n c yc o d i n g ；f r e q u e n c yd e t e c t i v e ； f i rd i g i t a ls i g n a lf i l t e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：堡蟑 e ta - 钞缉弓月1 7e t 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 本课题来源于课题组与某研究所的一个合作项目。系统用于水池中航模 水声遥测、遥控及测迹。 伴随着人类开发利用海洋活动的日益深入，水声通信技术的研究也日趋 迫切，逐渐成为水声研究领域中最具挑战性的课题之一。海洋中光波、电磁 波随着信息传输距离的增长，衰减极快，无法用在中等距离以上的信息传递。 尽管可以通过电缆和光纤进行水下通信，但对于水下移动设备，如潜水艇之 间、潜水艇和水面指挥舰之间、潜水艇和岸上基站之间、母舰与水下机器人 之间的通信，利用电缆和光纤进行水下通信几乎是不可能的。而声波是人类 迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中探测、通 信、定位和导航等都借助于声波来实现。因而，水下通信的研究主要集中在 对水声通信的研究。随着水声通信技术的发展，水声遥控系统也进入了实用 阶段，水声遥控系统随着海洋开发与水中兵器的需要而得到迅速的发展，它 将在水下通信，遥测，水下航行器的控制等方面有着广阔的应用前景。随着 海洋开发和信息产业的发展，利用海洋信道传递信息的需求大为增加。各种 数据信息，如遥测数据，水下机器人遥控指令，水下无缆电话，海底勘探数 据，水下电视图像，环境系统中的污染监测数据，水文站的采集数据等，都 需要通过水声信道和水声通信系统进行传送，水声通信系统的商用价值凸现， 与之相应的是水声通信的研究迅速增加。在近十年来，水声通信技术迅速发 展，各种通信技术，如扩频技术、相位相干检测、自适应均衡等都在水声通 信系统中得到了广泛的应用。 水声信道的研究始终是水声通信研究中的难点。在水下声通信的条件下 建立信道模型的难度远远大于一般的无线信道。而且学者们发现，根据一定 的实验数据所求得的模型参数很少具有普遍意义。结果在设计水声通信信号 时，只能定性地考虑水声信道的特点，并把它近似地作为设计水声通信信号 的依据。即使这样，关于水声信道的一些研究成果仍具有指导意义。这种指 导意义体现在：当有多种信号方案可供选择时，我们可以根据水声信道的基 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本特点来对方案进行大致的评估。同时，当已经选择了某种方案后，通常需 要根据水声信道的理论，测量相应的信道参数以便确定信号的发射格式。例 如，为了减小多径信号的影响，要求每发射一个码元后就停止一段时间，以 便多径信号逐步衰减。这种发射机制有损于信息的传播速率。因此，涉及发 射信号时总是希望发射的间隔越小越好。至于实际系统中这种间隔究竟选多 少才既能抑制了多径信号，又能尽量提高通信速率，不通过实际的测量就无 法准确地给出设计参数。信道理论的意义就在于：它指出了产生这种情况的 物理机制，以及可以处理这种问题的简化模型。所以我们必须针对水下环境 的特殊性来开发水下通信技术。 本课题工作就是根据水声信道的特点，选择一种应用于水下通信的信号， 并设计切实可行的水声通信系统。 1 2 水声通信的发展现状 1 2 1 非相干调制方式p 1 近十几年来，非相干系统的实现策略基本是一致的，即保护时间加频率 分集( g u a r d i n gt i m e sa n df r e q u e n c yd i v e r s i t y ) 。保护时间( g u a r d i n gt i m e s ) ， 实际上就是发射一个码元停止一段时间，当混响信号衰落到一定程度后再发 射下一个码元。频率分集是基于如下考虑，声波信号在水下传播，所受频率 选择性衰落的影响十分明显，而且是时变的。对于个别频点，信道增益时强 时弱，这就为检测带来了困难。而频率分集技术，通过选择多个频点同时发 射，将信息同时分布在多个频点上，减少信道的干扰。这种技术应用于f s k 方式，称为多频移键控( m u l t i p l ef r e q u e n c ys h i f tk e yi n m f s k ) 。通过这种调 制方式，不仅提高了通信性能，而且提高了通信速率。这对由于码元问的保 护时间( g u a r d i n gt i m e s ) 而降低了的通信速率在一定程度上是一种补偿。 更为重要的是，混响是影响水下声通信的主要障碍。混响的存在是水下 声信道与一般无线信道的最为本质的区别。对于数字通信而言，混响的一个 十分严重的后果是产生严重的码间干扰。因此，若要实现相干的传输方式， 信道均衡是必不可少的技术环节。但是，水声信道的时空变化十分明显和剧 烈，普通的均衡技术难以满足要求。针对这种情况，这方面的技术突破被寄 希望于盲信道均衡技术。另一方面，严重的相位畸变使得准确的相位恢复不 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 易实现。应用非相干的调制方式，可以有效地克服码间干扰和相位畸变。实 际上，在非相干调制方式中，为了克服码间干扰的所采用的技术十分简单。 由混响所产生的干扰信号总是比原信号延迟一段时间才能到达接收端，因此 只要在发射一个码元后停止一段时间后，再发射下一个码元，这样就能较为 有效地克服码间干扰。同时，非相干技术对相位畸变不敏感。所以，非相干 调制方式较相干调制方式有一定的优越性。就技术复杂度和设备复杂度而言， 非相干方式也较相干方式易于实现。对于水声信道，传播主要体现线性特性。 因此，信号的频率分量仍主要集中在发射时的带宽内。只不过信号的幅度和 相位有了畸变。 f s k 的应用，使得水下声通信有了进一步的发展。f s k 是一种基于能量 检测的非相干调制方式。它较相位检测的相干方式通信速率高，小于2 0 0 b i t s s 这主要是由于当时数字处理器的限制所造成的。随着处理技术及硬件的发展， f s k 的解调速度不断提高，f s k 信号的字符集也不断扩大。使得通信速率不 断地提高。d i g i t a la c o u s t i c t e l e m e t r ys y s t e m ( d a t s ) ，其数据率可达到 1 2 0 0 b i t s s 。随着微处理器功能的提高，研究人员已经开发出一种基于m f s k ， 通信速率可达到5 0 0 0 b i t s s 的水下通信系统。在美国，目前正在研发新一代 的水下通信网。主要的调制解调器是a t m 8 5 0 ，数据率可以达到干比特秒， 其基本技术就是f s k 。与此同时，它还利用频率分集及信道编码来提高性能。 非相干的调制方式的应用从来就没有终止过，而且近年来仍不断发展。这主 要集中在硬件水平的不断提高上。硬件水平的提高为算法的拓展提供了空间。 而且，当硬件发展的一定的水平后，算法的开发可以结合硬件综合考虑。这 正是本论文立论的出发点 1 2 2 相干调制方式嗍 相干的通信方式是近十年来水声通信的热点。尽管非相干方式的f s k 方 式具有很高的可靠性，但是相干方式仍有很多吸引人的优点。这主要体现在 带宽利用率上。f s k 虽然传输可靠性高，但它占用的带宽大，频率利用率低。 因此，对于高速传输而言，f s k 不一定合适。为了满足较大的距离速度积( 水 下通信性能的一个标准) ，往往采用相干的调制方式。但是，应用相干技术有 两大技术障碍：码间干扰和水声信道多径干扰的机理。在八十年代初期，相 3 哈尔滨下程大学硕士学何论文 干传输方式的研究进入了一个高潮。在相干方式的研究中，具有里程碑意义 的技术突破是判决反馈均衡和锁相环。为了较好的恢复相位，发射多采用差 分相移键控。常选用4 d p s k 。早期开发的系统，使用4 d p s k 调制方式，在 垂直水声信道通信速率可达到4 8 0 0 b i t s s ，九十年代后，相干系统进入了实 用阶段。 但是相干通信始终存在适用性差的问题。即在一定的海区和海况的条件 下，某一速率的相干通信可以在允许的误码率下工作：但是，当上述条件发 生变化时，系统的性能就可能发生巨大的变化。因此，相干通信方式存在很 明显的信道匹配问题。 我国在水下声通信方面起步较晚，主要的工作多集中在跟踪国外相应技 术的发展。例如，哈尔滨工程大学的水声国家重点实验室提出了时延差编码 的通信体制，这种方式，本质上仍属于非相干方式。但是它的思路却不同。 它主要是利用了线性调频信号良好的线性压缩特性，有效地克服了码间干扰 和码内干扰。同时，它较好的解决了同步问题。湖试结果显示，在带宽为2 k h z 的时候，信息速率可达到3 0 0 b i t s s 。 1 3 水声信道特点及分析 1 3 1 多普勒效应阎 声源，接收器的相对运动以及海洋介质的非均匀性，信道的时变性空变 性都会产生多普勒频移。多普勒频移对水声信道的信号传输有很重要的影响。 由于信号的多普勒频移，导致解码时系统的检测能力降低，在某些情况下， 为了考虑多普勒容限，甚至还要降低系统的通信速率。 对于由非均匀海洋介质的随机波动产生的多普勒频移的效果，我们可以 等效的表示为以载频为中心的等效带宽的一个频率扩散。而由声源、接收器 的运动产生的多普勒频移则与声线角度、运动速度、声速以及载波频率等有 关。常用相对速度来描述源和接收器之间运动产生的多普勒频移的关系，当 声波在声源和接收器之间直线传播时这种方法是正确的。然而，在水声信道 中，由于声线折射和边界反射，声音传播路径是极少会出现直线的。而且， 声源的发射角和接收器的入射角是不同的。因此，由声源的运动造成的多普 勒频移与由接收器的运动造成的多普勒频移并不相同，而且它们之间也不能 4 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 仅仅用简单的用相对速度来描述。 在无线通信的理论中，尤其是无线移动通信的理论对多普勒效应的研究 较为充分。由于声源的运动产生了多普勒频移，进一步地，由多普勒频移现 象又产生了多普勒扩展或称作多普勒扩散以及时间选择性衰落阳1 。 1 3 2 多径效应n 5 1 声波在水声信道传输时，由于介质空间的非均匀性，海底海面的反射， 及海洋中各种反射体和散射体的存在，声信号自声源发出，将沿着不同的路 径到达接收端，这就是水声信道的多径效应。在水声信道中由于多径效应的 存在，当声波沿不同路径到达接收端时，由于路径的差异造成接收端各路径 声波的能量和时间不同，最终引起信号的衰落，造成信号波形畸变。因此多 径效应是水声信号在海洋声信道传输波形发生畸变的重要原因。 图中三条声线表示三种不同路径的到达信号。其中，声线2 表示由a 到 达b 的直达信号；在处理时认为这是发射端所发射的原始信号。而声线13 是 多径信号，有时把这些多径信号统称为混响信号；他们都是干扰信号，但由 于混响信号的特点( 多径分量) ，它们与一般的噪声信号又是不同的。水声信 道的多途效应将导致水声通信系统接收端信号存在严重的码间干扰( 1 s i ) ， 从而引起误码，降低系统的可靠性。 图1 1 浅海声场的基本声线图 在水声信道中由于多径效应的存在，当声波沿不同路径到达接收端时， 由于路径的差异造成接收端各路径声波的能量和时间不同，最终引起信号的 衰落，造成信号波形畸变。因此多径效应是水声信号在海洋声信道传输波形 发生畸变的重要原因。 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 毫二譬卜孟韵一 发射脉冲 职1 胛1 r 甲 图i 2 ( a ) 多径到达的脉冲无交叠情况 丽 j 吐、r 飘 发射脉冲一 儿j 捌圳、。 图1 2 ( b ) 多径到达脉冲交叠情况 图1 2 由时延扩展带来的脉冲展宽示意图 1 3 3 有限通信带宽 由于声波在传播过程中的几何扩展及介质的粘滞、散射、反射、热传导 等物理吸收，导致声波能量的不断损失。这种传播过程中的能量损失随着通 讯系统作用距离和工作频率的增加而增加。其中，声吸收损失系数与声波频 率的平方近似成正比。这些限制了水声通信系统的最大作用距离和最高频率， 进而限制了系统的通信带宽。 1 3 4 时变、空变、随机性 水声信道可被看为空变、时变的梳状滤波器，有若干子通带构成，每个 子通带带宽只有几十几百赫兹，其形状随时间空间而变化。只有接收端确实 感知到信道变化，才能有效地译码，所以译码的设计必须考虑信道的这种不 定性。 1 3 5 非平稳的海洋环境噪声和本底噪声 对于水声通信系统的接收信噪比、发射功率、作用距离和可靠性，都受 f ； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 海洋环境噪声和本底噪声的干扰。噪声和多途效应在远程和近程通信中对可 靠性的影响不同：远程通信中，噪声和多途效应共同影响通信可靠性，而在 近程通信中，多途效应的影响占主导地位，噪声的影响在一定环境下影响不 大。 1 4 涉及的关键技术及解决措施 1 4 1 抗多途干扰 因为试验水池是非消声的，四壁、池底和水面都是声波的良好反射体， 因此，水池中的声场十分复杂，接收器可接收到来自不同途径的反射信号， 这些反射信号如果在时间上能与直达声分开，不产生迭加，则它们不会影响 信号的接收，如果反射信号与直达信号在时间上分不开，产生了迭加，则这 种迭加将会严重影响信号接收。针对这种多途干扰，本系统采用以下措施来 降低多途的影响： 1 、脉冲信号：在非消声水池中，抗多途的有效措施是采用脉冲信号， 且信号越窄，多途迭加的概率就越小，多途的影响也就变小。为 此，本系统将在允许的情况下，采用尽可能窄的脉冲信号； 2 、同步工作方式：采用同步工作方式，简化了水中声传播环节和声 场的复杂程度。简化声传播环节，可以提高系统的可靠性，简化 水中声场，可以降低多途干扰的影响； 3 、采用频率编码信号：对于抗多途干扰，频率编码信号的性能远优 于时间编码信号，因此本系统采用频率编码信号传送内测数据和 遥控命令； 4 、采用冗余技术：对于测迹系统来说，接收基阵只需三个基元，就 能定出航模的位置；对于遥测系统来说，仅需一个接收器便可给 出内测数据。本系统接收基阵由四个基元组成，因而系统便有了 冗余信息。对于测迹系统，可在四个接收信号中选取三个，得出 高精度解；对于遥测系统，可用“举手表决”法从四个接收信号中 挑选一个，该信号应为正确数据的最接近值； 5 、适当提高系统的工作频率：旨在提高反射损失和增加吸收损失， 可从一定程度上降低多途和混响的影响。 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 4 2 抗电磁干扰 航模安装有电机，它的工作，尤其是变速、变向时会辐射较强的电 磁脉冲；航模上安装有继电器，它接通或断开时，也有较强的电磁辐射； 对于岸上设备，电网中存在“尖冲”干扰，各分机之间，如果接地处理不当， 也会引进干扰；对于水中设备，接收基元的输出信号( 量级为上百微伏) 经上百米电缆传输，传输过程中引进的干扰噪声将是很强的，到多通道 接收机输入端，信噪比很低，甚至小于零，信号被噪声淹没，此时，信 号检测有较大难度，而且，即使检测出来，测时误差会变得很大，其后 果是出现“野点和错误数据。为克服上述干扰，本系统采取以下措施。 1 、采用前置放大：接收基元的输入信号经前置放大后再由电缆远距 离传输； 2 、光电隔离：各分机之间如有接口一律采用光耦； 3 、二次稳压：各分机均采用二次稳压。 1 4 3 抗内测信号对遥控指令接收的干扰 1 、采用频率隔离：遥测数据收发系统工作频率为7 1 9 1 k h z ，遥控指令 收发系统工作频率4 7 5 9 k h z ； 2 、遥控指令重复发射：每条遥控指令重复发射3 次，原则上，3 次接收 信号应是相同的。如果接收到的是遥测信号，一般情况下，3 次信号不可能 完全相同，根据这一规律，可判别接收信号的类型； 3 、采用关门电路：遥测数据发射换能器与遥控指令接收换能器之间相距 不足l m ，前者的发射信号，后者很快就能收到，而遥控指令发射换能器距 接收换能器距离较远，。要迟后一段时间信号才能传到接收换能器，因此，接 收机可采用关门电路，从发射时刻算起的一段时间内，接收机不接收任何信 号，将遥测信号“关”在f - j # b ，不被接收，待遥测信号过去后接收机再恢复 工作。 1 5 本论文的主要研究内容 论文首先介绍了水声通信研究的意义以及发展现状，通过对水声信道特 性的简要分析，提出了关键技术及解决措施，为水声通信系统的设计，技术 8 哈尔滨丁稃大学硕士学位论文 参数的选取，提供了重要的理论依据。 论文的主要研究内容如下： 1 、通过对几种频率编码检测算法可行性仿真研究，确定遥控分系统编码 及解码方案。 2 、对遥控分系统的编码发射系统进行软硬件设计与实现，并设计遥测分 系统的编码发射方案。 3 、基于f p g a 实现遥控接收系统的数字滤波器设计。 4 、进行遥控系统实验室实验和水池实验，并对结果进行分析。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章频率编码信号检测算法仿真 2 1 概述 本章将介绍几种计算量小、检测精度较高、适合工程上实时解算的频 率编码信号检测方案，通过仿真比较不同的频率编码信号检测方案，从 而找出一种最适于该系统的方案。 遥控分系统的工作频率分别为：五= 4 7 k h z ，厂2 = 5 1 k h z ，f 3 = 5 5 k h z ， ，4 = 5 9 k h z 。当航模的运动速度为3 m s 时，接收到的信号的多普勒频移最 大为： s ：f 42 y v ：0 5 1 2 k h z( 2 1 ) c 也就是说多普勒频移很小，远小于这四个频率的最小间隔( 4 k h z ) ， 不影响遥控数据的解码。 2 2 自适应陷波滤波器 2 2 1 原理 自适应陷波滤波器( a d a p t i v en o t c hf i l t e r ) 是一种运算量小、适合于工 程实时运算的相对精度较高的一种算法，该方法需要预知信号的先验信息。 只有两个正交权的自适应滤波器只能用于载频为常数或慢变化的单分量信 号，它采用l m s 算法就可以实现信号检测，其原理框图如图2 1 所示。 图2 1 自适应n o t c h 滤波器原理 1 0 哈尔滨- t 程大学硕十学位论文 图中形、形为两个正交权，由于本分系统的输入信号中含有四个载频 不一样的c w 脉冲信号，可用四个同样结构的滤波器并联对各个分量分别处 理，其结构图如图2 2 所示。 参考信号f - 参考信号f 2 参考信号f 3 参考信号f 4 一 h l 意 - _ 卜矽 急 一 卜萌 斤五、 _ 一 卜 l i 斗、 ll 哪 i + f l + i i 一 号 图2 2 四路并联n o t c h 滤波器结构图 n o t c h _ o u t l n o tc h _ o u t2 n o t c h _ o u t 3 n o t c h _ o u t 4 采用四路并联n o t c h 滤波器覆盖可能的目标频率。对于每一路n o t c h 滤 波器，参考输入为一对正交的单频信号分别对应四个规定的频率： x 。f ( f ) = c o s ( ( o i t ) x s j o ) = s i n ( w t ) i = l 、2 、3 、4 ( 2 2 ) 接收信号经过前一级的宽带滤波后，加到并联的四路n o t c h 滤波器上， 每个滤波器的中心频率分别对应四个规定的频率。为叙述方便，以下均采用 离散形式，并省略采样周期互。自适应迭代公式为： w 0 ，( 七+ 1 ) = w s 。( 七) + l u e ( 七) 宰s i n ( w k ) ( 2 - 3 ) w 名。( 七+ 1 ) ；w 名f ( 七) + u e ( k ) 木c o s ( c o c ) ( 2 - 4 ) ( 七) az ( 七) 一y r ( 七) ( 2 - 5 ) y f ( 七) ；w s 。( 七) 木s i n ( w i k ) + w c ，( 七) 水c o s ( c o , k ) ( 2 - 6 ) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 其中为自适应迭代步长，步长越大，收敛速度越快，但也不能将步 长取得过分大，否则权噪声将变大。滤波器的全带宽为： b = 上 ( 2 7 ) 捌： 、。 式中，z 为采样周期。对n o a h 滤波器组的自适应增强输出取绝对值， 按信号长度平方求和后进行能量检测。 2 2 2 仿真分析 利用m a t l a b 仿真，取上述四路n o t c h 滤波器的中心频率分别为： f 1 = 4 7 k h z ，2 = 5 1 k h z ，厶= 5 5 k r i z ，4 = 5 9 k h z 。设每一路n o t c h 滤波器的 全带宽为b = 2 k h z ，信号采样频率取为3 0 0 k h z ，根据式( 2 7 ) 可求出自适应 迭代步长“近似为0 0 3 3 。 由于文章篇幅的限制，下面我们只给出输入信号为直达信号叠加反射信 号时的仿真结果。其中图2 3 是输入信号，输入信号是四频率码元的排列 厶五厶厶叠a r i a 其延迟一定时间的反射信号，为了保证输入信号的连续性， 取每个频率码元的脉宽为5 0 个周期，输入信噪比为1 0 d b 。图2 4 是自适应 n o t c h 滤波器的输出。 图2 3 输入信号( 频率码元的排列，2 五六，4 叠加上其延迟的反射信号) 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 看 5 上0 暑5 z n 吾5 上0 暑- 5 05 0 01 咖1 5 0 0加0 02 5 0 03 0 0 0 3 5 0 04 0 0 0 05 0 01 咖 1 5 0 0 2 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 主重卜1 一 o 。i 】j l j l j l i i j _ j 图2 4 自适应n o t c h 滤波器的输出信号 2 3 数字窄带f i r 滤波器 2 3 1 原理 有限冲激响应数字滤波器( f i n i t ei m p u l s er e s p o n s ed i g i t a lf i l t e r ，简称 f i r 滤波器) 的单位脉冲响应是一个有限长序列，其系统函数为： 酢) = 器= 荟n - 1 坳矿” ( 2 - 8 ) 其中n 1 为滤波器的阶数。由此可得系统的差分方程为： y ( ，z ) = 6 ( o ) 工( 刀) + 6 ( 1 ) x ( ，z 一1 ) + + 6 ( 一1 ) x n 一( 一1 ) 】 2 磊6 仰) x q 一优) = b ( n ) 宰x ( n )( 2 - 9 ) 由此可见滤波器的系数向量6 0 ) 就是滤波器的单位脉冲响应厅0 ) 。 f i r 滤波器相对于i i r 滤波器的突出优点是：在保证满足滤波器幅频响 应的同时，还可以获得严格的线性相位特性。当6 0 ) 是实数，且满足下列中 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 心对称条件，即： 6 ( ，1 ) = b ( n - l - n ) 或 6 ( ，z ) = 一6 ( 一1 一，z )( 2 - 1 0 ) 则滤波器就具有严格的线性相位特性。f i r 滤波器的主要缺点是在实现 给定性能水平的前提下，其要求的滤波器阶数要比i i r 滤波器高的多。 线性相位f i r 滤波器的相位滞后和群延迟在整个频带上是相等且不变 的。对于一个阶线性相位f i r 滤波器，群延迟是2 ，滤波后的信号相对 于原信号简单地延迟2 时间步长，这一特性使通带频率内信号通过滤波器 后仍保持原有波形而无相位失真。 设计f i r 滤波器的方法有窗函数法、频率采样法、切比雪夫逼近法等。 本文采用窗函数法设计f i r 滤波器，加窗函数后，对滤波器的理想特性的影 响有以下几点： ( 1 ) 窗函数的主瓣越宽，滤波器的过渡带就越宽； ( 2 ) 窗函数旁瓣影响，使得滤波器的幅度特性出现波动。波动的多少，取 决于旁瓣的多少； ( 3 ) 增加截取函数的长度只能相应的减小过渡带，而不能改变滤波器的 波动幅度。 在工程上，窗函数的选择原则是： ( 1 ) 具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣的幅度； ( 2 ) 旁瓣的幅度下降的速度要快，以利于增加阻带的衰减； ( 3 ) 主瓣的宽度要窄，这样可以得到比较窄的过渡带。 通常上述的几点难以同时满足。当选用主瓣宽度较窄时，虽然能够得到 比较陡峭的幅度频率响应，但是通带和阻带的波动明显增；9 1 1 ；当选用比较小 的旁瓣幅度时，虽然能够得到比较平坦的和匀滑的幅频响应，但是过渡带将 加宽。因此，实际中选用的窗函数是他们的折衷。在保证主瓣的宽度达到一 定要求的条件下，适当的牺牲主瓣的宽度来换取旁瓣的波动减小。总之，窗 函数不仅有截短的作用，而且能够起到平滑的作用，在很多领域得到应用。 表2 1 给出了几种常见窗函数的性能对比表。 1 4 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 表2 1 窗函数性能对比表 窗函数过渡带旁瓣峰值幅阻带最小衰减 宽度度( d b )( d b ) 矩形窗4 z n1 32 1 三角窗8 石n2 52 5 汉明窗8 z n 3 14 4 海明窗8 z n4 15 3 布拉克曼窗1 幼n 5 77 4 凯塞窗1 0 万n 5 78 0 窗函数采用汉明窗( h a m m i n gw i n d o w ) 。汉明窗的基本参数近似为：旁 瓣峰值衰减一4 1 d b ，过渡带( 约等于窗函数频谱的主瓣宽度) 为断，阻 带最小衰减一5 3 拈。 2 3 2 仿真分析 在m a t l a b 中，采用窗函数法设计f i r 滤波器可以通过f i r l 函数实现。由 于本分系统的输入信号中含有四频率码元信号，可用四同样结构的滤波器对 各个分量分别处理，每个滤波器的中心频率分别对应四规定的频率。由于各 个频率之间的间隔较小，为了减小过渡带，则滤波器的阶数要取得大一些， 而且采样频率不能取得太大。但是若阶数增加，则计算量增加。 由于文章篇幅的限制，下面我们只给出输入信号为直达信号上叠加反射 信号时的仿真结果。其中图2 5 为输入信号及其频谱，输入信号是4 个频率 码元的排列厂2 五，3 厂4 叠加上其延迟一定时间的反射信号，为了保证输入信号 的连续性，取每个频率码元的脉宽为5 0 个周期，信噪比为1 0 d b 。图2 6 是 设计出的f i r 滤波器的频率响应，图2 7 是4 个f i r 滤波器的输出。 哈尔滨下程大学硕十学位论文 0 1 0 d 图2 5 输入信号及其幅度谱 x1 0 5 00 511 5 f r e q u e n c y ( h z ) 2 x1 0 5 f r e q u e n c y ( h z ) y11 1 5 图2 6f i r 滤波器的幅频特性和相频特性 1 6 一刁一133lfc矗仍三 一价i矗13价仍lj正 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 l ； l ；- ； l l - ：f i!：! i - ；i； i； ； l；1 y； i； e | 图2 7f i r 滤波器的四路输出 2 4 采用瞬时频率估计方法解码 “频率”是物理学中最常用的概念之一。传统上，“频率 定义为单位时 间( 1 秒) 内周期性振动的次数，通常总是和傅立叶变换对时域进行无限积 分联系在一起的。因为对于任意的平稳信号，均可表达为多个具有不同频率、 幅度和初相位的正弦波的加权和形式，平稳信号s o ) 及其频谱s ( f ) 互为傅立 叶变换( f r ) ，具有一一对应的关系，即 s ( ，) = r s ( t ) e x p ( - j 2 ：r f t ) d t( 2 - 1 1 ) 1 s ( f ) 。荔。s ( ，) e x p ( j 2 s d f t ) d f ( 2 - 1 2 ) 所以平稳信号s ( f ) 的频谱s ( f ) 可以充分描述信号的频率特性，频率，也 有清晰而严格的物理意义。 而对于非平稳的时变过程，其频谱是随时间变化的，由于傅立叶变换是 对整个时间轴进行积分，频谱中反映不出信号的时变信息。也就是说采用傅 立叶变换，并不能使我们对信号进行全面的了解。因为傅立叶变换是一个整 体变换，是在整体上将信号分解为不同的频率分量，但是这并不能告诉我们 某种频率分量出现在什么时候及其变化情况。这时对于这些信号，瞬时频率 1 7 哈尔滨- 丁稃大学硕十学位论文 将是一个重要的特征，它是一个时变参数，定义为信号频谱峰值随时间变化 的位置。 事实上，对于一个连续的等幅正弦信号，才可以严格定义它的频率，它 是单位时间( 1 秒) 内振荡的次数，它等于信号周期的倒数。对于一个脉冲 信号，则只能定义它的频谱，常说脉冲信号有丰富的频谱分量是指它含有多 种不同的频率成分，信号s o ) 和它的频谱s f f ) 互为傅立叶变换。因此“频 率 的概念通常是和傅立叶变换联系在一起的。通常所说的频率为，0 的c w 脉冲信号，确切地应该说“载频为厂0 的c w 脉冲信号 ，它相当于频率为厶 的正弦波用矩形窗进行幅度调制的结果。对于一个窄带的任意调制信号，载 频厂0 的定义为： 厂0 一f f s ( f ) d f ( 2 1 3 ) 式中：s ( f ) 为信号5 0 ) 的频谱。 对于一个窄带的时变过程，s ( f ) 可表示为： s o ) = 彳o ) c o s 眵o ) 】( 2 - 1 4 ) 上式用复数形式表达即为g a b o r 的解析信号表达式： z o ) - = a ( t ) e 埘o = s ( f ) + j n s ( t ) 】( 2 - 1 5 ) 上两式中a ( t ) ，驴( f ) 均为实函数。a ( t ) 为慢变化的时变幅度，d e ( t ) 表示 快变化的时变相位，z o ) 为实信号5 0 ) 对应的复解析信号，日p o ) 】为s ( f ) 的 希尔伯特变换。则瞬时频率f ( t ) 可以定义为： 厂o ) ；丢掣( 2 - 1 6 ) 由上述可知，时变过程的“瞬时频率 和“频率 是不同的概念。“频率 是由连续信号定义的常数，与时间无关；而“瞬时频率 是一个时变函数， 它反映的是过程的时变特征。因此，对于非平稳信号( 尤其是调频信号) ，“瞬 时频率 包含了更丰富的信息。 对于一个离散的窄带过程，对它的瞬时频率进行估计即可得到一个瞬时 频率序列，对瞬时频率序列及其统计特性加以分析和信息综合，称之为“瞬 时频率序列分析”。瞬时频率序列分析是一种既不同于谱分析，又有别于时频 1 8 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 分析的信号分析方法。谱分析着眼于能量在频率轴上的分布规律；时频分析 着眼于能量在t 一厂平面上的分布；而瞬时频率分析着眼于瞬时频率的时变规 律。 下面我们介绍两种运算量小、估计精度高的瞬时频率估计方法。 2 5 准正交采样的瞬时频率估计方法 准正交采样的瞬时频率估计方法的基本公式源于法国声纳d u x 5 的相 干内插技术，故这种方法又称为d u x 5 测频法。这种方法的必要前提是待测 c w 脉冲信号的填充频率必须限制在以已知频率，0 为中心的一个有限范围 内。准正交采样的瞬时频率估计方法的基本原理是：设待测信号是载频在以 已知频率厶为中心的一个有限范围内的c w 脉冲信号，取厂0 作为估计的参考 频率，按参考频率厂0 的四倍采样率对待测信号进行采样，则相邻样本点间的 相位差接近于万2 ( 准正交) ，根据四个或五个相邻的样本值之间的幅度关系， 经过适当的近似即可求得待测信号的载频与参考频率厂0 之间的差值，从而得 到待测信号的载频。下面给出该算法的详细推导过程。 设待测信号的表达式为： s 0 ) = 彳c o s 2 # ( o + 厂) 。t + 】，0 t l( 2 1 7 ) 式中：a 为信号振幅，妒为初相位，乙为信号时宽，厂。先验已知， 厂o ， ( 厂o + ) 构成c w 脉冲信号的填充频率。 l k 、4 卜 义上 一 图2 8 对余弦信号以1 4 ，o 间隔采样 此时，p j , 1 4 f o 的时间间隔对s ( f ) 采样，即采样频率为t = 1 4 f o ，如图 2 8 所示，可得： 1 9 哈尔滨下程大学硕十学位论文 4t l c o s 2 , r ( l + ，) o 一3 t ) + 妒】 一m，o+，)驴等】(2-18)acos | 【h ( ，o + ，) 驴一案一扣 乞= a c o s 2 x ( f o + a f ) ( f 一2 t ) + 妒】 幽s 1 2 刀( f o 蝴妒等一扣 ( 2 - 1 9 ) 呜= a e o s l h ( f o + a ) o 一互) + 妒】 - 爿c o s 【幼( ，o + ) r + 妒一i 1 万等一三万】 a 4 = a c o s z 石( l + 厂) 。t + 妒】 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) 令h ( 兀+ 厂) f + 妒= 口，罢。等一声，由此可知，和构成一一对应 的关系。 则有： 4 = 彳c o s ( 口一3 一丢万) 一觚i n ( 臼一3 卢) ( 2 - 2 2 ) a 2 一a c o s ( o 一2 一万) 一- a c o s ( 0 2 f 1 )( 2 - 2 3 ) a 3 = 彳c o s ( 0 一- ：0 = a 。s i n ( 0 - 3 )( 2 - 2 4 ) a 4 一a c o s 0( 2 2 5 ) 由于卢a 三。万a f ，且厂。已知，只需由4 ，彳：，a 3 , 彳。的值推出卢值， 就可求出厂，进而得到信号填充频率。 利用三角关系，可得到如下关系： ( 1 )4 a 。一鸣。4 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 - 一a 2 s i n ( o 一3 p ) c o s o s i n ( o 一) c o s ( o 一2 f 1 ) 】 一一争s i n ( 2 口一3 卢) 一s i i l 3 卢“n ( 2 口一3 卢) “n 卢】 一一争“n 鼬i n 】 = a 2 s i n ( 2 f 1 ) c o sf l ( 2 2 6 ) ( 2 )彳+ 彳；+ 彳+ 彳； - a 2 s i n 2 ( 口一3 f 1 ) + c o s 2 ( 目一2 f 1 ) + s i n 2 ( 口一f 1 ) 4 - c o s 20 】 一争1 一c o s ( 2 0 - 6 ) + 1 + c o s ( 2 0 - 4 ) + 1 一c o s ( 2 0 2 f 1 ) + 1 + c o s ( 2 0 ) 】 = a 2 一a 2 s i n ( 2 0 3 f 1 ) s i n f l c o s ( 2 卢) 】 ( 2 2 7 ) 因为，s i n 1 ，c o s 卢- 1 ，贝j js i n ( 2