超低頻通信中海洋補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)

溫 東 ,姜 波,劉翠海

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島266042)

1 引 言

超低頻通信是指利用頻率為30～300 Hz的電磁波進(jìn)行的無線電通信。超低頻電波在海水中衰減較小,海水電導(dǎo)率在4.0 S/m時(shí),75 Hz電磁波衰減僅為0.3 dB/m左右,并且超低頻電波在地面-電離層波導(dǎo)中傳播衰減很小,75Hz電磁波其衰減通常在0.9～1.5 dB/Mm之間[1-2]。因此,可以利用超低頻電波實(shí)現(xiàn)對(duì)水下80～100 m深度(甚至更大深度)潛航潛艇的遠(yuǎn)程通信。

源自雷電現(xiàn)象的大氣噪聲是影響超低頻通信的主要突發(fā)噪聲。雷擊發(fā)生時(shí),對(duì)流層放電會(huì)形成上萬伏的尖峰脈沖,雖然持續(xù)時(shí)間很短,但是由于大氣中衰減很慢,也會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)的電磁場(chǎng),可以傳播到很遠(yuǎn)的距離。即使在海水中衰減很快,也能在水下50 m處產(chǎn)生幾百mV/m的電場(chǎng)。大氣噪聲可描述為低幅度的高斯分布背景噪聲疊加上大幅度突發(fā)的脈沖噪聲,其中,高斯白噪聲是由分布于世界范圍內(nèi)的大量雷暴形成的脈沖的疊加構(gòu)成,脈沖噪聲是由接收機(jī)附近的閃電電磁脈沖疊加形成,脈沖能量極強(qiáng),持續(xù)時(shí)間短,噪聲能量主要集中在脈沖成分中,噪聲強(qiáng)度與頻率、地理位置和時(shí)間等因素有關(guān)[3-4]。

非線性處理(例如削波處理)是減小脈沖噪聲干擾的有效措施,在超低頻通信接收機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。削波處理的有效性強(qiáng)烈依賴于削波器的輸入是否有尖銳特性。大氣噪聲在海面上時(shí)域波形往往呈現(xiàn)“尖銳”脈沖特性[5],但入水后隨著深度的增加,由于海洋濾波器的作用,噪聲不僅僅是強(qiáng)度變?nèi)?時(shí)域上這種脈沖噪聲也被展寬了。接收機(jī)往往采用海洋補(bǔ)償濾波器恢復(fù)水下接收大氣噪聲的“尖銳”脈沖特性,進(jìn)而利用噪聲削波處理盡可能抑制脈沖噪聲成分,其實(shí)只是一種有效補(bǔ)償海水傳播因素對(duì)大氣噪影響的“逆濾波器”。本文結(jié)合超低頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)描述實(shí)用的超低頻大氣噪聲抑制技術(shù),分別采用1零點(diǎn)1極點(diǎn)、2零點(diǎn)1極點(diǎn)無限脈沖響應(yīng)濾波器設(shè)計(jì)海洋補(bǔ)償濾波器,并給出數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

2 超低頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

為了增加潛艇的超低頻收信深度,超低頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)尤為重要。典型的超低頻接收機(jī)原理框圖如圖1所示,采用海洋補(bǔ)償濾波、非線性噪聲抑制、相干檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)有效提高接收機(jī)的性能。

圖1 超低頻接收機(jī)原理框圖Fig.1 Block diagram of SLF receiver

超低頻接收機(jī)的模擬電路部分包括低噪聲前置放大器、低通濾波器、高通濾波器、陷波濾波器和數(shù)控增益放大器。陷波濾波器用于抑制工頻及其諧波干擾,數(shù)控增益放大器將模擬信號(hào)恰當(dāng)?shù)胤糯蟮紸DC的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。超低頻接收機(jī)前端濾波器設(shè)計(jì)既要考慮提供足夠的帶寬以獲得最大的非線性噪聲處理增益,又要盡可能減小帶寬以滿足采樣速率要求和濾除不希望的環(huán)境噪聲。前端濾波器帶寬通常選擇20～200 Hz這個(gè)量級(jí)上[6]。模擬電路部分的輸出信號(hào)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)字電路部分包括低通濾波器、海洋補(bǔ)償濾波器、跟蹤陷波濾波器、預(yù)加重濾波器、時(shí)延均衡器、噪聲削波器、匹配濾波器、解調(diào)器和譯碼器等。超低頻接收機(jī)采用一個(gè)數(shù)字低通濾波器阻止不同深度天線噪聲的高頻分量對(duì)噪聲削波器的影響,防止它們成為噪聲削波器輸入的主要成分。海洋補(bǔ)償濾波器將大氣噪聲恢復(fù)至其在海面所呈現(xiàn)的尖銳特性,否則接收機(jī)將損失數(shù)分貝的輸出信噪比。數(shù)字跟蹤陷波濾波器是為了有效削弱源自潛艇本身和附近船只的發(fā)電設(shè)備,以及岸上的電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾,陷波頻率自適應(yīng)于接收機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)的干擾。數(shù)字預(yù)加重濾波器用來白化大氣噪聲的頻譜密度,使大氣噪聲頻譜變得更為“平坦”,從而在時(shí)域上使得脈沖噪聲更為“尖銳”,可有效提高非線性處理的處理增益。時(shí)延均衡器補(bǔ)償海洋和線性濾波相移引入的延時(shí)。噪聲削波器通過對(duì)大部分強(qiáng)脈沖噪聲的削波來降低噪聲有效電平,早期的一些實(shí)驗(yàn)顯示,輸入噪聲的40%～60%時(shí)間被削波,接收機(jī)將處于最佳性能。

3 海洋補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

海水對(duì)電磁傳播而言可以看成各向同性的良導(dǎo)電均勻媒質(zhì),對(duì)超低頻信號(hào)傳播呈低通濾波特性,大氣噪聲入水后隨著深度的增加,噪聲強(qiáng)度變?nèi)?同時(shí)脈沖噪聲被展寬。海洋補(bǔ)償濾波器采用IIR濾波器實(shí)現(xiàn),通過調(diào)整其數(shù)字濾波器的零點(diǎn)和極點(diǎn),擬合理論上海洋濾波器的逆響應(yīng),從而恢復(fù)超低頻段大氣噪聲的“尖銳”脈沖特性。

濾波器的設(shè)計(jì)主要是基于經(jīng)驗(yàn)的,通過調(diào)整數(shù)字濾波器的實(shí)軸零點(diǎn)和極點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置,得到非常匹配的海洋響應(yīng)特性的理論倒數(shù)。實(shí)驗(yàn)顯示,在超低頻通信天線工作的大多數(shù)深度下,海洋補(bǔ)償濾波器只需利用處于實(shí)軸的單零點(diǎn)和單極點(diǎn)濾波器很好地匹配理論上的海洋濾波器逆幅度響應(yīng),濾波器的相位響應(yīng)直接反映在信號(hào)的時(shí)延上。對(duì)于部分深度,2零點(diǎn)1極點(diǎn)無限脈沖響應(yīng)濾波器可以在20～200 Hz頻率范圍內(nèi)將幅度響應(yīng)誤差控制在1 dB以內(nèi)。

對(duì)于分布電流可忽略的均勻有損導(dǎo)電介質(zhì),水下d深度水平電場(chǎng)與海面水平磁場(chǎng)間的復(fù)轉(zhuǎn)換函數(shù)可以寫成

其中,f表示頻率;μ表示磁導(dǎo)率,單位H/m;σ表示海水的電導(dǎo)率,單位 Ψ/m。期望濾波器響應(yīng)RIO(f,d)的平方幅度可以寫成

海洋補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是在每個(gè)深度,數(shù)字濾波器和海洋響應(yīng)特性的級(jí)聯(lián)的峰峰波紋rpp最小。rpp的變化直接依賴于與實(shí)現(xiàn)的濾波器響應(yīng)間的最小背離與最大背離之間的差異。

3.2 1零點(diǎn)1極點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)

采用1零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器設(shè)計(jì)海洋補(bǔ)償濾波器時(shí),濾波器傳輸函數(shù)可寫成

其中,a為增益,b為實(shí)軸極點(diǎn),c為實(shí)軸零點(diǎn)。則實(shí)現(xiàn)的濾波器的平方響應(yīng)幅度可以寫成

提取公共因子,得

3.3 2零點(diǎn)1極點(diǎn)濾波器設(shè)計(jì)

采用2零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器設(shè)計(jì)海洋補(bǔ)償濾波器時(shí),濾波器傳輸函數(shù)可寫成

其中,a為增益,b為實(shí)軸極點(diǎn),c和d分別為實(shí)軸零點(diǎn)。則實(shí)現(xiàn)的濾波器的平方響應(yīng)幅度可以寫成

4 計(jì)算分析

數(shù)值計(jì)算方法:給定 Fs、σ、μ、d,將式(7)、式(10)分別代入式(3)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得到 rpp隨濾波器參數(shù)(b,c)或(b,c,d)的分布曲面,曲面的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)(b,c)或(b,c,d)即為所求的零點(diǎn)和極點(diǎn)值。

取頻率范圍20～200 Hz,深度0～130 m,采樣速率選定為512 Hz,略大于奈奎斯特速率(約400 Hz),以放寬對(duì)濾波器設(shè)計(jì)難度,同時(shí)滿足每符號(hào)整數(shù)倍率采樣,以簡(jiǎn)化接收機(jī)復(fù)雜度。σ=4.0 Ψ/m,μ=4π×10-7H/m。分別在30 m、60 m、90 m和130 m深,采用1零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器和2零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器設(shè)計(jì)海洋補(bǔ)償濾波器,幅度響應(yīng)分別如圖2(a)～(d)所示,為便于比較,海洋低通濾波特性的理論逆濾波器的幅度響應(yīng)曲線一同繪出。

圖2 實(shí)現(xiàn)的濾波器及理論逆濾波器的幅頻響應(yīng)Fig.2Magnitude of frequency response for different depths of theoretical ocean compensation filter and implemented digital filter

數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,對(duì)于部分深度,例如80～100 m附近,1零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器可以很好地近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性;在0～130 m深度范圍內(nèi),2零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器均可以很好地近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性。

5 結(jié)束語

超低頻通信是目前解決遠(yuǎn)程、大深度對(duì)潛通信的重要通信手段,而海洋對(duì)大氣噪聲的海洋濾波器效應(yīng)將嚴(yán)重影響超低頻接收對(duì)大氣噪聲的抑制效果。合理的海洋補(bǔ)償濾波器的設(shè)計(jì),可以有效降低海洋濾波器效應(yīng),提高超低頻接收對(duì)大氣噪聲的處理效果。本文討論了海洋補(bǔ)償濾波器的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程,對(duì)基于1零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器和2零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器兩種濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究,并在0～250 Hz頻率范圍內(nèi),對(duì)深度0～130 m范圍的海洋補(bǔ)償濾波器設(shè)計(jì),仿真計(jì)算結(jié)果說明基于2零點(diǎn)1極點(diǎn)IIR濾波器結(jié)構(gòu)的海洋補(bǔ)償濾波器可以有效近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性,在20～200 Hz頻率范圍內(nèi)幅度響應(yīng)誤差在1 dB以內(nèi)。這一誤差能夠滿足超低頻接收機(jī)對(duì)脈沖抑制處理的要求,可以普遍應(yīng)用于超低頻接收機(jī)信號(hào)處理。

[1]傅芳濱.超/極低頻通信技術(shù)[R].北京:中國國防科技信息中心,1999.FU Fang-bin.SLF/ELF communication technology[R].Beijing:China National Defense Science and Technology Information Center,1999.(in Chinese)

[2]Aldridge B.Project ELF:Extreme Low Frequency signals to submarines(Plrc-010218)[R].[S.l.]:Pacific Life Research Center,2001.

[3]付貞,溫東,孫曉磊.削波后的甚低頻大氣噪聲中的通信接收性能[J].電訊技術(shù),2011,51(7):57-60.FU Zhen,WEN Dong,SUN Xiao-lei.Performance of Communication Receiver in Clipped VLF Atmospheric Noise[J].Telecommunication Engineering,2011,51(7):57-60.(in Chinese)

[4]Field E C,Lewinstein M.Amplitude-probability distribution model for VLF/ELF atmospheric noise[J].IEEE Transactions on Communications,1978,COM-26(1):83-87.

[5]Bannister P R.ELF Propagation update[J].IEEE Journalof Oceanic Engineering,1984,OE-9(3):179-188.

[6]Bernstein S,Mcneill D,Richer I.A signaling scheme and experimental receiver for Extremely Low Frequency(ELF)communication[J].IEEE Transactions on Communications,1974,22(4):508-528.