基于磁感應技術無線地下收發(fā)器信號處理算法仿真與實現(xiàn)

申 良，劉洲洲，何 林

(1.西安航空學院 電子工程學院，西安 710077；2.西北工業(yè)大學 電子信息學院，西安 710072)

0 引言

無線地下通信方式主要有兩種[1-4]，一種是沿用無線地上通信的電磁波方式，另一種是磁感應方式。

目前，由于基于磁感應技術無線收發(fā)器沒有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，從而導致無線地下傳感器網(wǎng)絡研究主要集中在基于電磁波傳輸技術上，基于磁感應技術的無線地下傳感器網(wǎng)絡研究很少。由于電磁波技術的無線地下通信面臨著高路徑損耗、信道條件動態(tài)變化大和天線尺寸過大的三大問題，不能滿足無線地下傳感網(wǎng)絡向長距離和深層地質通信發(fā)展的要求。

為了豐富無線地下傳感網(wǎng)絡的研究途徑，提出一種基于磁感應技術無線地下收發(fā)器信號處理設計方案，由于無線地下信道復雜，而采用傳統(tǒng)的硬件濾波和解調(diào)方式實現(xiàn)的收發(fā)器，存在通信可靠性低且實現(xiàn)不靈活的缺點。

以軟件無線電的思想代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件方法實現(xiàn)磁感應通信的濾波和解調(diào)，提高無線地下通信可靠性[5-10]。

1 磁感應信號提取算法中FIR濾波算法設計和仿真

無線地下信道[10]受到工頻干擾、工業(yè)干擾和天電干擾，工頻干擾主要是以50Hz及其多次諧波出現(xiàn)；工業(yè)干擾和天電干擾主要以脈沖干擾的形式出現(xiàn)； 脈沖干擾可看成一個突然上升又按指數(shù)規(guī)律下降的尖脈沖，脈沖干擾的影響主要集中在低頻上。由于無線地下信道的干擾主要集中在低頻，所以我們設計一個中心頻率125KHz、阻帶截止頻率為110KHz、通帶截止頻率為140KHz、通帶寬度為30KHz的帶通濾波器。

1.1 FIR濾波器仿真

本文主要研究了FIR數(shù)字濾波器的設計方法，從數(shù)字濾波器的概念及對基本原理的分析，從而得出數(shù)字濾波器設計的基本步驟。具體的設計步驟如下：

打開MATLAB 軟件，并打開“Filter Designed & Analaysis Tool”工具，在彈出的界面中按照所需濾波器修改以下濾波器類型：

帶通 Bandpass波方式: 等紋波 FIR(Equiripple)；濾波器階數(shù):Specify order(115+1 階)；采樣頻率：900KHz；Fstop1：90KHz；Fstop2：160KHz；Fpass1：110KHz；Fpass2：140KHz；最后，生成濾波器。

圖1 FIR仿真結構圖

圖3 濾波前的被污染信號

仿真結構如圖1所示。編寫M文件，生成一個載波頻率為125KHz，碼元信號長度為368US的已經(jīng)OOK調(diào)制的理想信號(見圖2)，碼元為1010，由于信道的噪聲和干擾主要集中在低于10KHz范圍內(nèi)，模擬信道噪聲和干擾。本文在理想信號上添加信噪比為20DB的50Hz和10KHz的低頻干擾信號，考慮到信道內(nèi)存在高斯白噪聲，又在理想信號上添加信噪比為20DB的高斯白噪聲，通過模擬信道噪聲和干擾，理想信號變成了污染信號(見圖3)。

通過對比污染信號和濾波后信號(見圖4)可知，低頻的干擾已經(jīng)濾除大部分，但還有一部分沒有濾除，在0碼元是可以清楚的看到；可以知道50Hz和10KHz的低頻干擾被全部濾除，高斯白噪聲被濾除了一部分，符合我們的設計初衷，因為高斯白噪聲在通頻帶也存在，而我們只能濾除不在通頻帶里面的高斯白噪聲，所以在0碼元可以觀察到還是有一部分干擾存在。

圖4 濾波后的信號

1.2 磁感應信號提取算法DSP實現(xiàn)

接收端磁感應信號提取程序流程見圖5。

圖5 接收端磁感應信號提取程序流程圖

首先把電位器阻值設置為0，然后通過采樣的數(shù)據(jù)調(diào)整放大的倍數(shù)，使得最終放大的結果調(diào)整到合適的位置，放大合適后再將采樣數(shù)據(jù)送入FIR濾波器去處理。

2 無線地下收發(fā)器編碼解碼和調(diào)制解調(diào)算法設計

2.1 曼徹斯特編碼和解碼算法DSP實現(xiàn)

2.1.1 信號編碼

當一幀數(shù)據(jù)過來時，首先判斷位是0還是1，如果是0的話，編碼成01，如果是1的話編碼成10。

部分代碼如下：

voidsend_data(unsignedchar*d)

{

unsignedinti,j,temp;

unsignedchark;

run_125k(400);//3US///// ///////////carrierburst

delay(3);//368US//////// ////////separationbit

for(j= 0;j< 5;j++)

{

k=d[j];

for(i=0;i<8;i++)

{

temp=k&0x80;

k=k<<1;

if(temp==0x80)

{

run_125k(run_time);//368US1

delay(3);//368US0

}

else

{

delay(3);//368US0

run_125k(run_time);//368US1}

}

}

}

2.1.2 信號解碼

信號解碼是信號編碼的逆過程，當接收到一幀數(shù)據(jù)時候，找到信號頭，然后兩位一起判斷，傳統(tǒng)解碼在抽樣判決判定01后，再根據(jù)如果是10，則原始信號為1；若為01則原始信號為0。本文把抽樣判決和解碼結合一起，通過兩個一組的碼元強度大小，通過大小判定上下沿，如果是下降為1，上升為0，實現(xiàn)代碼在解調(diào)中說明。

2.2 改進型OOK調(diào)制和解調(diào)算法設計和仿真

改進型OOK調(diào)制和解調(diào)算法主要體現(xiàn)在解調(diào)上，一般OOK的非相干解調(diào)方式的主要部分包絡檢波器是用半波或全波整流器，由于整流器設計電路復雜、不靈活和效果也不佳等特點，本文將采用基于希爾伯特的包絡檢波器實現(xiàn)OOK的解調(diào)。希爾伯特變換(Hilbert transform)一個連續(xù)時間信號的希爾伯特變換等于該信號通過具有沖激響應的線性系統(tǒng)以后的輸出響應。由傅里葉變換信號經(jīng)希爾伯特變換后，在頻域各頻率分量的幅度保持不變，但相位將出現(xiàn)90°移相器。用希爾伯特變換描述幅度調(diào)制或相位調(diào)制的包絡、瞬時頻率和瞬時相位會使分析簡單，在通信系統(tǒng)中有著重要的理論意義和實用價值。在通信理論中，希爾伯特變換是分析信號的工具，在數(shù)字信號處理中，不僅可用于信號變換，還可以用于濾波，可以做成不同類型的希爾伯特濾波器。希爾伯特變換是由原始信號和I/t的卷積形成，可由一個濾波器實現(xiàn)。

希爾伯特變換是一種積分變換，信號x(t)的希爾伯特變換H[x(t)]定義為:

(1)

可見，H[x(t)]是將信號x(t)與1/πt卷積。因此，希爾伯特變換結果x(t)可以理解成為:輸入信號x(t)經(jīng)過一個沖激響應為1/πt的線性時不變系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應。

信號x(t)由慢變信號s(t)與快變信號f(t)相乘，即x(t)=s(t)f(t)，這樣就形成了調(diào)幅信號。為了避免過調(diào)幅設s(t)=0。

令:Z(t)=x2(t)+H2[x(t)]

(2)

根據(jù)Bedrosian乘積定理:

H[x(t)]=H[s(t)f(t)]=s(t)H[f(t)]

(3)

可得:

Z(t)=s2(t){f2(t)+H2[f(t)]}

(4)

令r(t)=f2(t)+H2[f(t)]，顯然r(t)≥0，因此必然包含直流成分。為了簡化處理，這里假設快變信號是兩個諧波信號之和:

f(t)=a1cosω1t+a2cosω2t

(5)

f(t)的希爾伯特變換為:

H[f(t)]=a1sinω1t+a2sinω2t

(6)

(7)

式(7)表明，r(t)主要包含了兩個不同成分:一是常數(shù)部分為兩個諧波幅度的平方和，另一部分為兩諧波的差頻成分。將式(7)代入式(4)，得到:

(8)

(9)

fA(t)=2a1a2s2(t)cos(ω1-ω2)t

(10)

則:Z(t)=SA(t)+fA(t)

(11)

設s(t)的最高頻率分量為ωmax，若ω1-ω2>>2ωmax，則SA(t)和fA(t)頻譜仍舊不發(fā)生混疊，利用前述希爾伯特低通濾波器，選擇合適的截止頻率ωc則可提取出慢變成分SA(t)。通過SA(t)可估計出慢變包絡A(t):

(12)

可以看出，估計出的慢變包絡與原始的包絡僅僅是幅度不同。

代碼實現(xiàn)為：

voidDEEnvelope()

{

inti;

for(i= 0;i

{

Envelope[i]=sqrtsp(HFIR_In[i]*HFIR_In[i]+HFIR_Out[i+15]*HFIR_Out[i+15]);

}

}

圖6 原實信號和希爾伯特變化信號對比

本文用MATLAB設計一個FIR希爾伯特濾波器，并在TMS320C6748實現(xiàn)希爾伯特變換，得到調(diào)制信號的包絡。調(diào)用上面設計的希爾伯特濾波器，希爾伯特濾波器系數(shù)是31，濾波器群延時為(N-1)/2即15，通過圖6也可以清楚的看到群延時15，去除群延時后，原實信號和希爾伯特濾波后信號對比見圖7，通過對比圖可知，去除濾波器群延時后，希爾伯特變化是原實信號幅值不變，相移90°。

圖7 希爾伯特包絡檢波器仿真結果圖

3 結語

本文根據(jù)系統(tǒng)需求對節(jié)點信號處理算法進行研究，設計適合無線地下信道的FIR濾波算法，提出了一種改進OOK解調(diào)算法，該算法使用希爾伯特變化代替?zhèn)鹘y(tǒng)用半波或全波整流器提取信號包絡，設計并在MATLAB中仿真FIR濾波和希爾伯特解包絡算法，最后為實現(xiàn)收發(fā)器通信過程，編寫FIR濾波、編碼解碼和調(diào)制解調(diào)等程序，并在TMS320C6748上實現(xiàn)。

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