一種基于多通道Notch濾波器的通信方法*

朱峰 蘇軍

（91388部隊 湛江 524022）

1 引言

隨著國家“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略不斷深化，水聲釋放器被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。水聲釋放器通常采用遙控聲源發(fā)出多個不同頻率的CW脈沖信號，水聲釋放器對接收到的信號進(jìn)行頻率區(qū)分，當(dāng)接收到與預(yù)置頻率對應(yīng)時，水聲釋放器釋放［1～3］。

對于頻率區(qū)分目前主要fft法和過零法兩種方法，fft法較為準(zhǔn)確，但運算量較大，處理較為復(fù)雜；過零法測頻率方法簡單但誤差較大。利用Notch濾波器處理釋放器釋放的簡單通信指令，具有方法簡單，可行性強(qiáng)的特點［4～6］。

本文利用多通道Notch濾波器，對多個不同頻率的CW脈沖進(jìn)行包絡(luò)檢波，通過幅度門限和脈寬門限對脈沖信號進(jìn)行判斷，以實現(xiàn)MFSK的通信方法。

2 算法設(shè)計

將接收信號輸入多通道Notch濾波器進(jìn)行分頻處理，過門限后，做譯碼處理，算法流程圖如圖1所示。

圖1 算法流程圖

2.1 單通道Notch濾波器

單通道Notch濾波器自適應(yīng)算法如圖2所示，圖中x(k)為輸入信號，y(k)為濾波器輸出，e(k)為濾波器殘差輸出，rc(k)與rs(k)為兩路正交輸入，A為幅值，w0為Notch濾波器的中心頻率，可表示為［7～10］

圖2 單通道Notch濾波器原理圖

遞推公式如下：

μ為自適應(yīng)濾波器的學(xué)習(xí)步長，B為帶寬，可表示為

H（k）為濾波器輸出信號包絡(luò)可表示為

2.2 多通道Notch濾波器

多通道Notch濾波器建立在單通道Notch濾波器的基礎(chǔ)上，殘差輸出為各通道加和與輸入信號差值，其原理圖如圖3所示。

圖3 多通道Notch濾波器原理圖

wi為各通道濾波器的中心頻率，各路正交信號表示為

遞推公式如下：

各通道輸出包絡(luò)Hi(k)信號包絡(luò)可表示為

2.3 自適應(yīng)門限判斷

對于判斷單頻脈沖信號的判斷，主要利用信號幅度和信號脈寬。當(dāng)輸入信號同時大于幅度和脈寬門限時，則判定該脈沖有效。信號脈寬門限選取發(fā)射信號脈寬的一半。幅度門限采用自適應(yīng)幅度門限。自適應(yīng)門限原理圖如圖4所示。

選取一幀數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加和求平均值，利用接收信號信噪比反推接收信號幅值，乘門限系數(shù)后將其作為幅值門限。影響自適應(yīng)門限主要有信號的占空比和信噪比兩個因素，根據(jù)接收信號占空比和信噪比合理選擇門限系數(shù)。K為門限系數(shù)，則自適應(yīng)幅度門限H_pan可表示為

圖4 自適應(yīng)幅度門限原理圖

3 仿真分析

3.1 多通道Notch濾波器實現(xiàn)分頻

在仿真中設(shè)計了四通道Notch濾波器，四路濾波器中心頻率分別為 4.1kHz、7.3kHz、11kHz和15.5kHz。輸入信號周期5ms，脈寬1ms，加入寬帶噪聲［11～12］，信噪比為 5dB，信號通過濾波器后，信號波型和輸出包絡(luò)如圖5、圖6。

如圖5示原始信號經(jīng)多通道Notch濾波器后，實現(xiàn)了頻率區(qū)分。如圖6所示，濾波器能夠記錄信號包絡(luò)，但受寬帶噪聲影響，包絡(luò)出現(xiàn)畸變，續(xù)利用幅度門限和脈寬門限對脈沖進(jìn)行判斷。

3.2 在不同信噪比比較誤碼率

Notch濾波器的四個通道中心頻率分別選取4.1kHz、7.3kHz、11kHz和15.5kHz，分別代表00、01、10和11四個碼元。接收信噪比由1dB增加到10dB，每次隨機(jī)3000個碼元。

圖5 濾波器波形輸出

圖6 濾波器包絡(luò)輸出

圖7 接收信噪比與誤碼率關(guān)系圖

誤碼率與接收信噪比關(guān)系圖如圖7所示，誤碼率隨信噪比增加逐漸變小，當(dāng)接收信噪比大于3dB時，誤碼率小于5%；當(dāng)接收信噪比大于5dB時，誤碼率接近為0。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于多通道Notch濾波器的通信方法，介紹了算法流程，并對多通道Notch濾波器的分頻功能和接收信噪比對誤碼率的影響加以仿真。仿真表明，在接收信噪比大于5dB時，誤碼率接近為0。該方法具有較好的抗噪聲能力，可應(yīng)用于處理水聲釋放器釋放的通信指令。