水声通信中特征信号提取方法.pdf

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1、第 2 7卷第 3 期 弹 箭 与 制 导 学 报 2 5 l 水声通信中特征信号提取方法 戴 萧嫣，韩 焱(中北大学 电子测试 技术 国家重点实验 室 太原0 3 0 0 5 1)摘要首先分 析了水中基站 发射的特征声信 号，设计 了一种 以频 分模 式为基 础的基 站特征 声信 号提取 的方 法，目的在 于节约成本，提高效率。重点介 绍了对该方案 进行 的实验 仿真，并 根据 结果 说明 了优 缺点及 其适 用 范 围。关键词水声 通信；特征信号；相关 中图分类号T N 7 1 3 文献标志码A Th e S i g na l Ex t r a c t i o n M e t h o d

2、i n Ac o u s t i c Co mmu ni c a t i o ns DAI Xi a o-ya n，HAN Ya n (Na t i o na l Ke y Lab or a t o r y of El e c t r o ni c Me a s u r e me nt Te c h no l o gy，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i na，Ta i yu a n 0 3 00 5 1，Ch i n a)Abs t r a c t：I n t hi s p a pe r。t he au t hor f i r s t i nt r od

3、u c e t he c ha r a c t e r i s t i c o f a c ous t i c s i g na l t he n de s i gn e d on e s i gn al ex t r a c t i o n me t h o d ba s e d on f r e qu e nc y di vi s i on m u l t i pl e xi ng(FDM)t O r e t r e n c h c O S t a nd i mpr o ve e f f i c i en c y Th e e xp e r i me nt a n d s i m u l

4、a t i o n a r e e mp h a s i z e d At t h e e n d，t h e a u t h o r s u mm a r i z e t h e v i r t u e，d e f e c t a n d a p p l i c a b i l i t y o f t h e me t h o d Ke y wor d s：a c ou s t i c c ommuni c a t i ons；c h ar a c t e r i s t i c s i gn al；c or r e l a t ion l 引 言 在水声通 信 中 1-2 ，在 基站上设

5、置声 发射 接收装置，两两 基站之间进行声波传输，其传送 的声信号可以用于信息传递、定 位、声场重建等。但是实际市场上所能够买 到的水声器 的发射频 率 范 围是有 限 的且 价格 昂贵，水 听器 的接 收 频率 带 宽范 围也 是 有 限 的，并 且 由 于距 离不 同，不 同 基 站发 射 的声 信 号 到 达 同 一 基 站 时 的 衰 减 也 不 同，也就 是 说信 号 的 强 度 有 差 别，这 些 因 素 对 于 将各个基站接收到的来 自其他 多个基 站发送来 的声信号进行分离造成 了困难，文 中设计 了在各 基站发射非同频水声信号 时各基 站信号提取方 式，通过实验仿真 比较，给

6、 出了其便 于各基站信 号分离的优缺点和适用范围。2 频分模式 频分模式 是各 个基站在发射端 发送 不同频 率 的声信 号，在接 收 端利 用带 通 数 字 滤 波器 将 每 个基站接收到的其他基 站发来 的不 同频 率的声 信号区分开来。其接收端的原理框图见图 l。市场上所能够买到 的价格 适 中的水声器 的 发射频率种类是有限的，而且其发射频率必须在 现 有水 听器 的接收 频率 带 宽 之 内，所 以选择 只用 一种 中心频率 的水声器来 发射在其带宽范 围内 的不同频率 的水声信号。3数字滤 波器的设计 3 1 数 字滤 波器 3 公式 推导 该数字滤波器的任务就是分 辨出频率间隔

7、较小的多种 频率，所 以可 以理解 为 多通带 滤波 器。设多通带、中心频率和带宽 可改变的模拟滤 波器的频率响应函数为 H(厂)，通带总数为 m，第 i 通带 的 中心 频率 和带 宽 分 别为 厂。和 B ，i l，2，m。则 m 多通带滤波器的频域响应 函数为：H(，)一 U f一(一B )一U f一 *收稿 日期：2 0 0 6 0 8 2 5；修回 日期：2 0 0 6 一l l l 2 作者简 介：戴 萧嫣(1 9 8 1 一)。女 硕士 研究 生，研究方 向：信 号与信 息处理及信息重 建。维普资讯 http:/ 2 5 2 弹 箭 与 制 导 学 报(厂 o +B i)+u E

8、 y-(一厂 o 一B i)一 i l UE y一(一厂 o +B )(1)式 中：(厂)一 l(厂 O)；(厂)一 O(厂 O)，用一频 率响应函数为 H e x p(j 2 7 r f 丁)数字系统来模拟，根据系统频率 响应 函数不变法及模 拟定理 可得：H e x p(j 2 丁)：H(厂)，J 厂J (2)为滤 波 器 的最 大 带 宽：丁 一 1 (2 )。数 字 系 统的单位冲击响应为：h()一7、I H e x p(j 2 f T)e x p(j 2 7rf n T)d f Jj (3)将(1)式代人所得滤波器的单位冲击响应为：(o)一(2 f )B (4)i l ()一(2 聊

9、)c o s(,r f。n f,)s in O r B n f,，)；i=1 一 l，2 引入归一化带 宽和 中心频率 K 一 B 。、K 一f o 则 滤 波器 的单 位 冲击 响应 为：(o)一2 K (5)()一(2 聊)c o s(T rf。n)s in(w K ”)；i=l ，zl，2，显 然 h()为 偶 函数，故 滤波 器 具 有 零 相 位 移特性。数 字滤 波器 按 实现 的 网 络结 构 或 者从 单 位 脉 冲响应，分 为 I I R(无 限脉 冲响 应)和 F I R(有 限 脉 冲响应)滤波 器。如 果 I I R 滤波 器和 F I R滤 波 器具有相同的性能，那么

10、通常 I I R滤波器可以用 较低的阶数获得高 的选择性，执行速度更快，所 用的存储单元更少，所以既经济又高效。文中采 用 的是 无 限 冲击 响应(I I R)数 字 滤 波 器 ，先 设 计一个合适 的模拟滤波器，然后变换成满足预定 指标 的数 字滤 波器。3 2 数字 滤 波器 的设计 由上 面的理 论 对 数 字 滤 波 器 的 设计 进 行 了 实验仿真。在实验 中，假设信号根据 基站位置的 不 同，希 望窄 带 滤 波 器 能 达 到 一 定 的 衰 减，这 样 就避免 了大信号经过相应滤波器衰减 以后与 小 信号相当，无法滤出小信号。通过一系列 的滤波 器设计的实验仿真，滤波器衰

11、减以 9 0 d B为上限，由于工程上一般滤波器 的衰减 为信号最大衰减 的两倍左右，发射信号到达某一基站的衰减范 围 是 0 4 0 d B(即信号强度差为 1 0 0倍)，结果 比较 见表 l。表 1 滤波器设 计结果 比较 1 O 5 4 3 3 3 由表 l可知，当滤波器带 宽达 到 3 0 0 Hz以 上时，滤 波 器 的 衰 减 才 能 达 到 9 0 d B；只 有 达 到 5 0 0 Hz以 上 时，滤 波 器 的 通 带 衰 减 才 能 达 到 3 d B，以 8阶 的 e l l i p滤波 器(通 带 宽度 为 6 0 0 Hz，通 带 波 纹 是 3 d B，阻 带 波

12、 纹 9 0 d B，采 样 频 率 5 0 k Hz)为例，对窄带滤 波器进行 了设计。滤波 器设 计如 图 2所示(以 中 心频 率 为 6 5 k Hz的滤 波 器)。No r ma l i z e d Fr e q u e n c y f r a d s a mp l e)(a)滤波 器频 谱 No r ma l i z e d F r e q u e n c y f r a d s a mp l e)(b)最劣衰减处达$11 9 0 d B 图 2 中心频率 6 5 k Hz，带宽 6 0 0 H z 的带通滤波器(f i l t e r 1)4 实验仿真 以采样频率为 5 0 k

13、Hz，幅值相差 1 0 0倍(设 发射 信 号 到 达 某 一 基 站 的 衰 减 范 围是(0 4 0 d B)，取该衰减范围的端点，同一基站接受到相 差 1 0 0倍 的两个 信 号)的信 号(信号 和 Y信 如 )O O O O O 0 0 0 0 0 姗湖 枷 唧 )O O O O 0 0 0 0 0 湖伽伽 p 。pI兰【I爿 苫 p。p I兰 毛 苫 维普资讯 http:/ 第 2 7卷第 3 期 水声通 信中特征信号提取方 法 戴萧嫣 等 2 5 3 号)，经过 相 应 的数 字 滤波 器(在 进 入滤 波 器 时 为 两者 的合 成 信 号)，得 到 与 z，Y信 号 相 对

14、应 的，Y 信号，综合考虑到三个方面 的因素：1)信号 之 间 的频率 问 隔；2)滤 波 器 的带 宽；3)信 号 的周 期数。得出表 2的仿真结果，这里所做的实验仿 真是假 设 由 于距 离 的 不 同 而 造 成 强 度 上 不 同 的 信 号在 时 间域 上 是完 全重 叠 的，这就 增 加 了 信 号 分离 的难 度，其 实 在 实际 情况 中，如 果 距离 不 同，它们 到达 同一 接 收站 的 时间 也应 该 是 不 同 的，所 以强度 相 差很 大 的信 号 在 时 间 域 上 是 不 可能 完 全重叠的，但如果在时间域上重叠的信号也能分 离 出来，那 么 在 实 际 应 用

15、中效 果 会 更 好，并 且 能 适 当弥补 现实 情况 中 出现 的其 他 问题。表 2信 号仿真结果 比较 根据相关的定义l 5 ，可以理解当与 z信号相 对 应 的滤 波器输 出的 z 信 号 与。信 号做 相关 的 值大于其 与Y。信号做相关的值，信号与 2 7 信号 的相 似 度要 比与 Y信 号 的相 似 度大，以此来 判 断 信号能否被滤波器滤 出或 者能否被分 辨出，Y 信号也是一样的道理(其 中信号。和信号 Y。是 标准参考信号)。从 表 2可知，信号 的间隔越 宽，滤 波器 的带 宽越 宽，信 号 的 周 期数 越 大，都 有 利 于信号被分辨出来，但是其中必须满足的一点是

16、 滤波器的带宽一定 要小于信号之间的频率间隔，否则肯定会产生信号与信号之 间的混叠，所以当 信号的频率间隔很小时，以提高滤波器带宽来实 现信 号提 取 的 可能 性 不 大。通 过 实 验仿 真 还 可 以 知道，当信号的周期很小的时候，只能通过增大信 号 间的频 率 间隔 来 实 现信 号 的 提取，而 单方 面 通 过提高 滤波 器 的带 宽 这 种 方法 的作 用很 不 明显。所以当要求所要发射 的声信 号的信 号周期很小 时，只能牺牲信号之间的频率间隔来满足分离信 号的要求，而当受到水声器、水听器带宽范围限制 的时候，就要求所 发射 的信号周 期不能过 短。以发 射 l 0个 周 期

17、声 信 号 为例，原 始 信号 为。：z信号(5 k Hz)与 Y信号(9 k Hz)的混合，频率 间隔为 4 k Hz，z信号强度为 1 0 0 V，信号为 1 V。其 中信号。和信号Y。是 1 0 V的对应频率的 和 Y信号通过相 应 滤波器 的结 果。滤 波器带 宽为 1 k Hz，阻 带 衰 减 为 1 2 0 d B。这 里 之 所 以 选 择 l 2 0 d B而不是原来的 9 0 d B，是 因为在相同的条件 下，滤波 器 的衰 减 在设 计 允 许 的范 围 内越 大，其 对带宽以外的信号抑止越大，对信号的提取效果 就 越好，但 这 只限 于效 果 好，而 不 能 单 独通 过

18、 增 大衰减达到分离出信号的 目的。滤波所得信号如 图 3(信号 的包络是 由于在 时域 加 了 Ha mmi n g(哈 明)窗进行 的截 断)。F lIl从l|V i 一：(1_ Ww 删 Il I=l。占_ 广 o -40F v vvvv“vv l f 480I66 M，l 群 y-”l s I i,r t a l v a f t e r f i I l e r 2 ，s (b)：信号进过9 k Hz 滤波器所得结 与标准9 k H z 信号经过 该滤波器结 u 域比较 图 3 信号提取过程 对 信 号 加 以不 同的 方 差 为 l的 随机 噪 声 后 再作相关处理，得到三组数据见表

19、3。表 3 信号相关处理结 果 由表 3可以看 出随机噪声对信号 的影响很#I J 0；傅；l J 0 傅 维普资讯 http:/ 2 5 4 弹 箭 与 制 导 学 报 小，由此判 断，这 种 信号 提取 的方 式是 可行 的。5 总 结 文中的仿真结果和数据分析表明，通过频分 方式对水声信号进行 了提取，扩大 了水声 听器 的选择 范 围，节 约 了成本。但 是也 存在 不 足 和局 限性，有待进 一 步 的提 高。频分 模 式 方式 的难 点 是符合 阻 带衰 减 要 求 的滤 波 器 能 滤 出多 大 频 率 间隔的信号，其 优点在于能还原 出原始信号，可 以考究信号在传送过程中信号的

20、衰减与损失，而 且 在滤 波器 的实 现上 有 比较 成熟 的技 术；其 缺 陷 是由于信号时域的截取会带来频域带宽的增大，即原始信号的周期 越短，其带宽就越宽，信号频 率泄漏就越严重，大信号对小信号的频率泄漏造 成的小信号的失真就越严重，所 以根据所使用的 水听器、水 声器 的 性 能 指 标，在 信 号 总 带 宽 有 限 的情况下，每一路信号 的带宽不能过 宽，也就是 说所要传递的声信号周期不能过短，很难实现用 几个周期的信号就满足高精度信号提取的要求，加大了对提取出的声信号进行后处理的难度。参 考 文 献 1 Ke i t h Vi c k e r y Ac o u s t i c p

21、 o s i t i o n i n g s y s t e ms A p r a c t i c a l o v e r v i e w o f c u r r e n t s y s t e ms Z S o n a r d yne I n c 2 00 3 2 孙 思 萍 水 声 定 位 技 术 的 应 用 J 海 洋 技 术，1 99 3。1 2(4)：3 0 34 3 刘 洪涛。吴 云洁 高品质抗 混叠滤 波器 的设 计 J 仪器仪表用 户。2 0 0 6。1 3(1)：9 7 9 8 4 饶 志强。叶念 渝 F I R和 I I R数 字滤 波 器的 探讨 与 实 现 J 计算机与

22、数 字工程 2 0 0 5 7 5 徐秉铮 信 号 分析 与相 关技术 M 北京：科 学 出 版 社 i 9 8 i (上 接 第 2 5 0页 J 配滤波器在时域或频域对输入信号进行处理，最 终得到脉冲压缩后的信号。当存 在多普勒频移 时，引起匹配滤波器失配损失，旁瓣结构也会发 生变化，表现为匹配滤波器输 出主峰加宽，旁瓣 抬 起，从 而影 响 了距 离分 辨力，增 加 了虚警 率。6 结论 宽带雷达信号可以获得高距离分辨力，不 同 的应用场合需 要选择合适的宽带信号。文 中通 过对模糊函数 的分 析，介绍 了线性调频、步进频 率、线性调频 步进 和相位编码 四种高分辨信号的 性能特点，以及

23、每种信号 的高分 辨处理方法，讨 论了每种宽带信号在工程应用 中的优缺点。在 实际应用中，应 当综合考虑各种 高分辨信号的处 理 方法、实现难 度，以 便在不 同的工 程 实施 中，选 取合适 的信号形式。参 考 文 献 1 林 茂庸，柯有安雷达信 号理论 M 北京：国防工 业出版社。1 9 8 4 2 郑学 合。阮文杰。袁起C h i r p子脉 冲频 率步进雷 达 信 号 的 探 讨 J 系 统 工 程 与 电 子 技 术，1 9 9 8 (1 2)：1 4 51 3 王一 丁。李兴 国，宁军步 进频 率雷 达信 号 的模 糊 函数 J 现代雷达 1 9 9 7。1 2(6)：6 i i

24、4 李 海英，杨汝 良 径 向速度 对频率步进 雷达 目标 距 离像影响分析 J 电子与 信息学 报 2 0 0 3，(2 5)5：59 2 5 97 5 蒋楠稚 王 毛路，等 频率 步进 脉 冲距离 高分 辨一维 成像 速度 补偿 分 析 J 电子 科 学 学 刊。1 9 9 9 2 1 (5)：66 5 6 70 6 贺志毅，汤斌。郝祖 全脉 内调频、脉 间步进跳频 雷 达信号 的 模糊 函数 J 电 子 学报，2 0 0 3，3 1(7)：ll 1 8一 ll 2 O 7 Na d a v L e v a n o n Nu l l i f y i n g A C F g r a t i n g l o b e s i n s t e p p e d f r e q u e n c y t r a i n o f L F M p u l s e s J I E E E Tr a n s a c t i o n s o n Ae r o s p a c e a n d E l e c t r o n i c S y s t e rns，20 03，3 9(2)：6 9 4 70 3 8 L e v a n o n N R a d a r p r i n c i p l e s M Ne w Y o r k，Wi l e y，1 9 8 8 维普资讯 http:/