超低频通信中海洋补偿滤波器设计

温 东 ,姜 波,刘翠海

(海军潜艇学院,山东 青岛266042)

1 引 言

超低频通信是指利用频率为30～300 Hz的电磁波进行的无线电通信。超低频电波在海水中衰减较小,海水电导率在4.0 S/m时,75 Hz电磁波衰减仅为0.3 dB/m左右,并且超低频电波在地面-电离层波导中传播衰减很小,75Hz电磁波其衰减通常在0.9～1.5 dB/Mm之间[1-2]。因此,可以利用超低频电波实现对水下80～100 m深度(甚至更大深度)潜航潜艇的远程通信。

源自雷电现象的大气噪声是影响超低频通信的主要突发噪声。雷击发生时,对流层放电会形成上万伏的尖峰脉冲,虽然持续时间很短,但是由于大气中衰减很慢,也会产生比较强的电磁场,可以传播到很远的距离。即使在海水中衰减很快,也能在水下50 m处产生几百mV/m的电场。大气噪声可描述为低幅度的高斯分布背景噪声叠加上大幅度突发的脉冲噪声,其中,高斯白噪声是由分布于世界范围内的大量雷暴形成的脉冲的叠加构成,脉冲噪声是由接收机附近的闪电电磁脉冲叠加形成,脉冲能量极强,持续时间短,噪声能量主要集中在脉冲成分中,噪声强度与频率、地理位置和时间等因素有关[3-4]。

非线性处理(例如削波处理)是减小脉冲噪声干扰的有效措施,在超低频通信接收机中得到广泛应用。削波处理的有效性强烈依赖于削波器的输入是否有尖锐特性。大气噪声在海面上时域波形往往呈现“尖锐”脉冲特性[5],但入水后随着深度的增加,由于海洋滤波器的作用,噪声不仅仅是强度变弱,时域上这种脉冲噪声也被展宽了。接收机往往采用海洋补偿滤波器恢复水下接收大气噪声的“尖锐”脉冲特性,进而利用噪声削波处理尽可能抑制脉冲噪声成分,其实只是一种有效补偿海水传播因素对大气噪影响的“逆滤波器”。本文结合超低频接收机的实现结构描述实用的超低频大气噪声抑制技术,分别采用1零点1极点、2零点1极点无限脉冲响应滤波器设计海洋补偿滤波器,并给出数值计算结果。

2 超低频接收机的实现结构

为了增加潜艇的超低频收信深度,超低频接收机的设计尤为重要。典型的超低频接收机原理框图如图1所示,采用海洋补偿滤波、非线性噪声抑制、相干检测等关键技术有效提高接收机的性能。

图1 超低频接收机原理框图Fig.1 Block diagram of SLF receiver

超低频接收机的模拟电路部分包括低噪声前置放大器、低通滤波器、高通滤波器、陷波滤波器和数控增益放大器。陷波滤波器用于抑制工频及其谐波干扰,数控增益放大器将模拟信号恰当地放大到ADC的动态范围内。超低频接收机前端滤波器设计既要考虑提供足够的带宽以获得最大的非线性噪声处理增益,又要尽可能减小带宽以满足采样速率要求和滤除不希望的环境噪声。前端滤波器带宽通常选择20～200 Hz这个量级上[6]。模拟电路部分的输出信号通过模/数转换成为数字信号。

数字电路部分包括低通滤波器、海洋补偿滤波器、跟踪陷波滤波器、预加重滤波器、时延均衡器、噪声削波器、匹配滤波器、解调器和译码器等。超低频接收机采用一个数字低通滤波器阻止不同深度天线噪声的高频分量对噪声削波器的影响,防止它们成为噪声削波器输入的主要成分。海洋补偿滤波器将大气噪声恢复至其在海面所呈现的尖锐特性,否则接收机将损失数分贝的输出信噪比。数字跟踪陷波滤波器是为了有效削弱源自潜艇本身和附近船只的发电设备,以及岸上的电力设备产生的干扰,陷波频率自适应于接收机工作时出现的干扰。数字预加重滤波器用来白化大气噪声的频谱密度,使大气噪声频谱变得更为“平坦”,从而在时域上使得脉冲噪声更为“尖锐”,可有效提高非线性处理的处理增益。时延均衡器补偿海洋和线性滤波相移引入的延时。噪声削波器通过对大部分强脉冲噪声的削波来降低噪声有效电平,早期的一些实验显示,输入噪声的40%～60%时间被削波,接收机将处于最佳性能。

3 海洋补偿滤波器设计

3.1 设计准则

海水对电磁传播而言可以看成各向同性的良导电均匀媒质,对超低频信号传播呈低通滤波特性,大气噪声入水后随着深度的增加,噪声强度变弱,同时脉冲噪声被展宽。海洋补偿滤波器采用IIR滤波器实现,通过调整其数字滤波器的零点和极点,拟合理论上海洋滤波器的逆响应,从而恢复超低频段大气噪声的“尖锐”脉冲特性。

滤波器的设计主要是基于经验的,通过调整数字滤波器的实轴零点和极点的个数和位置,得到非常匹配的海洋响应特性的理论倒数。实验显示,在超低频通信天线工作的大多数深度下,海洋补偿滤波器只需利用处于实轴的单零点和单极点滤波器很好地匹配理论上的海洋滤波器逆幅度响应,滤波器的相位响应直接反映在信号的时延上。对于部分深度,2零点1极点无限脉冲响应滤波器可以在20～200 Hz频率范围内将幅度响应误差控制在1 dB以内。

对于分布电流可忽略的均匀有损导电介质,水下d深度水平电场与海面水平磁场间的复转换函数可以写成

其中,f表示频率;μ表示磁导率,单位H/m;σ表示海水的电导率,单位 Ψ/m。期望滤波器响应RIO(f,d)的平方幅度可以写成

海洋补偿滤波器的设计准则是在每个深度,数字滤波器和海洋响应特性的级联的峰峰波纹rpp最小。rpp的变化直接依赖于与实现的滤波器响应间的最小背离与最大背离之间的差异。

3.2 1零点1极点滤波器设计

采用1零点1极点IIR滤波器设计海洋补偿滤波器时,滤波器传输函数可写成

其中,a为增益,b为实轴极点,c为实轴零点。则实现的滤波器的平方响应幅度可以写成

提取公共因子,得

3.3 2零点1极点滤波器设计

采用2零点1极点IIR滤波器设计海洋补偿滤波器时,滤波器传输函数可写成

其中,a为增益,b为实轴极点,c和d分别为实轴零点。则实现的滤波器的平方响应幅度可以写成

4 计算分析

数值计算方法:给定 Fs、σ、μ、d,将式(7)、式(10)分别代入式(3)进行数值计算,得到 rpp随滤波器参数(b,c)或(b,c,d)的分布曲面,曲面的最低点对应的坐标(b,c)或(b,c,d)即为所求的零点和极点值。

取频率范围20～200 Hz,深度0～130 m,采样速率选定为512 Hz,略大于奈奎斯特速率(约400 Hz),以放宽对滤波器设计难度,同时满足每符号整数倍率采样,以简化接收机复杂度。σ=4.0 Ψ/m,μ=4π×10-7H/m。分别在30 m、60 m、90 m和130 m深,采用1零点1极点IIR滤波器和2零点1极点IIR滤波器设计海洋补偿滤波器,幅度响应分别如图2(a)～(d)所示,为便于比较,海洋低通滤波特性的理论逆滤波器的幅度响应曲线一同绘出。

图2 实现的滤波器及理论逆滤波器的幅频响应Fig.2Magnitude of frequency response for different depths of theoretical ocean compensation filter and implemented digital filter

数值计算结果显示,对于部分深度,例如80～100 m附近,1零点1极点IIR滤波器可以很好地近似海洋低通滤波特性的理论逆滤波特性;在0～130 m深度范围内,2零点1极点IIR滤波器均可以很好地近似海洋低通滤波特性的理论逆滤波特性。

5 结束语

超低频通信是目前解决远程、大深度对潜通信的重要通信手段,而海洋对大气噪声的海洋滤波器效应将严重影响超低频接收对大气噪声的抑制效果。合理的海洋补偿滤波器的设计,可以有效降低海洋滤波器效应,提高超低频接收对大气噪声的处理效果。本文讨论了海洋补偿滤波器的详细设计过程,对基于1零点1极点IIR滤波器和2零点1极点IIR滤波器两种滤波器结构设计进行了研究,并在0～250 Hz频率范围内,对深度0～130 m范围的海洋补偿滤波器设计,仿真计算结果说明基于2零点1极点IIR滤波器结构的海洋补偿滤波器可以有效近似海洋低通滤波特性的理论逆滤波特性,在20～200 Hz频率范围内幅度响应误差在1 dB以内。这一误差能够满足超低频接收机对脉冲抑制处理的要求,可以普遍应用于超低频接收机信号处理。

[1]傅芳滨.超/极低频通信技术[R].北京:中国国防科技信息中心,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]付贞,温东,孙晓磊.削波后的甚低频大气噪声中的通信接收性能[J].电讯技术,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.