基于井下UWB通信的奇异点降噪性能

郭继坤， 丁 龙

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院，哈尔滨 150027)

基于井下UWB通信的奇异点降噪性能

郭继坤， 丁 龙

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院，哈尔滨 150027)

针对井下环境电磁骚扰严重，而传统低通滤波方法仅能去除带外噪声的情况，考虑井下噪声以白噪声和较宽频带火花干扰为主的特点，采用小波变换奇异点的模极大值方法对带内噪声进行再滤波研究。仿真结果表明，对于井下中低信噪比环境，该方法能够有效地保留发射信号的奇异点信息，且降噪效果明显。

井下;TH－BPSK－UWB;小波变换;降噪

超宽带(Ultra-wideband，UWB)无线通信技术是当前短距离无线通信领域中极具潜力的新兴技术，与以往的各类宽带、窄带通信系统相比较，具有传输速率高，系统功耗低、复杂度小，成本低，定位精度高，多径分辨率高，抗干扰性能强的优点。这些优点均满足井下无线通信的数据量大，通信时间长，可靠性能高，矿难后精确定位等方面的需求。但超宽带无线通信系统在井下应用过程中存在大量电磁干扰问题，而传统滤波技术仅能对接收信号进行带外滤波，降噪效果不理想。因此，研究井下超宽带降噪技术十分必要。笔者分析信号的小波奇异性变换的模极大值，研究接收信号的带内滤波问题，以达到降低噪声的目的。

1 矿井巷道噪声分析

由井下巷道电磁辐射骚扰的数据分析可知［1］，井下巷道输电线路是三相对称工作，基本不产生电磁辐射干扰。图1是井下机电硐室口并有监控分站情况下测得的电磁干扰(脉冲范围为1～7 GHz，最小单位为600 MHz)。可以看出，巷道中主要的电磁干扰一方面来自监控分站缝隙泄漏的电磁辐射骚扰对环境产生的电磁骚扰;另一方面，由于井下大量使用电力机车接触网，接触网的电磁骚扰除具有电力电缆电磁骚扰的所有特性外，还具有随机性脉冲的特性。在采区装车点，钢轨基本被煤末所填平，极易产生电火花干扰。图2显示了泄漏电磁骚扰的情况下，架线机车运行的巷道内电磁骚扰的分布情况(脉冲范围为1～7 GHz，最小单位为600 MHz)。可见，主要电磁干扰还包括放电火花及比较大的dt/di在巷道内形成的电磁辐射骚扰。

由上述分析可以得出，井下噪声干扰主要为背景高斯白噪声和脉冲干扰，其数学模型为

式中:Wa——背景高斯白噪声，均值为0，方差为σa;Wt——脉冲干扰。

图1 井下机电硐室口并有监控分站时的电磁骚扰Fig.1 Electromagnetic interference of electrical and chamber port and monitor substation in coal mine

图2 架线电机车运行时巷道骚扰分布Fig.2 Electromagnetic interference when motor vehicle wiring running of roadway

2 降噪原理

通常采用的滤波方法是，将平稳的通信信号进行傅里叶变换后，再将其时域特征映射到频域内进行分析，通过带外滤波器实现降噪［2］。但是，当接收信号的带内噪声足够大时，将会导致接收系统无法正常工作，而UWB脉冲信号占空比较大，且具有明显的奇异性，适合通过奇异性分析去除带内噪声。

理论上，信号的奇异性一般可以采用小波模极大值法分析［3］，即通过小波变换后系数模局部极大值在不同尺度上的衰减速度来衡量用于描述奇异特性的奇异指数。由于白噪声的奇异指数随机分布且存在负值，因此其模极大值在二进制尺度上不具有传递性。小波变换系数w(s，x)和小波变换的模极大值平均密度ds在尺度s上满足的关系如下:

其中，白噪声n(s)均值为零，方差为σ2;ψ(1)和ψ(2)分别是小波的一阶和二阶导函数。通过对式(1)、(2)的分析可知，随着尺度s的增大，噪声控制的模极大值点的绝对值快速减小，且至少有二分之一的系数模极大值点不能传递到较大尺度的模极大值上，故可认为不能从较小尺度传递到较大尺度的模极大值是由噪声控制的［4］。所以，滤除这些模极大值点，利用保留下来的模极大值点重建原信号，可达到抑制接收信号的带内噪声的目的。

3 仿真及分析

3.1 TH－BPSK－UWB接收信号

根据FCC(Federal Communications Commission)的规定，在UWB无线通信系统中，地面室内系统至少要选择高斯脉冲的五阶导数以上波形才可满足FCC频谱和功率限制要求，但是在井下基本不存在其他无线通信接收机，采用UWB技术可以不考虑对其他窄带通信的干扰问题，因此可以不受地面条件的限制，降低系统的设计要求，采用低阶高斯脉冲波形通信。

考虑井下干扰较为严重，系统采用二进制扩频码及误码性能较优的BPSK调制方式，并以单周期一阶高斯脉冲作为超宽带发射波形。由于收发天线的微分作用，发送信号为一阶脉冲，接收信号为二阶导数。采用TH－BPSK－UWB技术的接收信号如图3所示。

3.2 接收信号带外滤波

由于井下主要以背景高斯白噪声和脉冲噪声为主，故以信噪比为－30 dB的染噪信号为例，经接收天线送到带通滤波器进行滤波。采用布莱克曼窗函数设计，滤波器阶数为168阶，通带范围为0～10 GHz，过渡带宽为1.5 GHz，阻带和通带波纹最大为0.05。仿真结果如图4所示。分析可知，虽然滤波后图4b的波形存在少量的失真，但低通滤波器能够滤除绝大部分接收信号的带外噪声，然而对于接收信号的带内噪声却无能为力。

图4 不同信号低通滤波后频域波形Fig.4 Different signal frequency-domain waveform after low-pass filter

3.3 接收信号奇异点降噪

3.3.1 带内滤波步骤

对带外滤波后的预处理信号进行小波分析，从而去除接收信号的带内噪声［5］。具体步骤为:

(1)小波分解。对经带外降噪后的接收信号进行小波分析，选定具有线性相位和正交特性的db 4小波。

(2)分析尺度阀值选取。从尺度s的最大值开始，选择一个门限值，保留幅值绝对值大于门限值的模极值点，将其作为信息点，随后在小于门限值的尺度中寻找信息点对应的传播点。

(3)接收信号重构。各个尺度s上保留下来的模极值点采用小波分解逆向算法重构小波系数，对接收信号进行恢复。

3.3.2 结果分析

图5a是含噪接收信号仅进行低通带外滤波的信号仿真结果，图5b是先对含噪接收信号进行带外滤波后再进行奇异点带内滤波处理的仿真结果。

图5 奇异点带内滤波降噪效果Fig.5 Effect of filtering noise with singular points

对比图5a和图5b可以看出，奇异点模极大值滤波能够有效地去除奇异点附近的噪声，并有效保留有用的奇异点信息。含噪接收信号处理后的信噪比增益曲线如图6所示。分析图6可知，在井下低信噪比的特殊环境中，奇异点带内滤波处理比传统滤波技术的信噪比提高3 dB左右。

图6 滤波前后信噪比增益曲线Fig.6 SNR gain curves of different filtering

4 结束语

传统的滤波方法仅能滤除含噪信号的带外噪声，而井下环境噪声污染较为严重，为保证良好的通信质量，必须解决信号的带内滤波问题。文中主要讨论奇异点带内滤波技术对井下UWB通信系统性能的影响。通过仿真分析可知，井下强电磁干扰环境中，在传统的带外滤波处理的基础上，应用奇异点带内滤波技术能够提升通信系统3 dB左右的信噪比。但小波奇异点滤波技术在应用中还存在信号重构较为复杂，滤波出的信号波形有一定量的失真，尺度s门限值的选取较为困难等一些有待继续研究的问题。

［1］孙继平，王福增.煤矿井下电磁干扰对通信和监控系统的影响［J］.工矿自动化，2009(2):23－27.

［2］李玉峰.基于非抽取小波变换的遥感图像贝叶斯去噪［J］.通信技术，2009，42(3):223－224，230.

［3］MALLAT S，HWANG W L.Singularity detection and processing with wavelets［J］.IEEE Transaction on Information Theory，1992，38(2):617－643.

［4］成礼智，王红霞，罗 永.小波的理论与应用［M］.北京:科学出版社，2004.

［5］岳 莉，王毓东，朱晓明.基于DS－UWB超宽带系统中小波去噪计算机仿真［J］.长春大学学报，2007，17(10):63－65.

Denoising analysis of singular points based on UWB communication in mine

GUO Jikun，DING Long
(College of Electric＆ Information Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

Aimed at seeking an alternative to traditional low-pass filtering method which could only remove the out-band noise occurring in the mines plagued by the serious electromagnetic disturbance of the EMC environment，this paper proposes the in-band noise filtering method using the wavelet transform modulus maxima，along with the underground noise dominated by white noise and the wide-band spark interference.Simulation results indicate that this method could effectively keep the singularity of the signal，with a remarkable effect of filtering in mines marked by low SNR environment.

mine;TH－BPSK－UWB;wavelet;singularity

signal

TN911

A

1671－0118(2012)05－0530－03

2012－05－01

郭继坤(1968－)，男，黑龙江省肇源人，教授，博士，研究方向:矿井监控与通信，E-mail:gst1994@163.com。

(编辑 荀海鑫)