水声通信中特征信号提取方法

统的单位冲击响应为 :
h ( n) = T
∫
- fm
fm
π πf n T ) d f H [ exp ( j 2 f T ) ] exp ( j 2
( 3)
10 5 4 3 3 3
将 ( 1) 式代入所得滤波器的单位冲击响应为 :
m
h ( 0 ) = ( 2/ f m )
m
i =1
B ∑
i
( 4)
h ( n) = ( 2/ π n) n = ±1 , ±2 …
第 27 卷第 3 期
弹箭与制导学报
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3
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 030051)
[ 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 。
表1 滤波器设计结果比较 通带带宽 阻带截至
( Hz) 6 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
U [ f - ( - f 0 i + B i ) ]}
式中 :U ( f ) = 1 ( f ≥0) ;U ( f ) = 0 ( f < 0) , 用一频 π 率响应函数为 H[ exp ( j2 f T ) ] 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 : π H[ exp ( j 2 f T ) ] = H ( f ) , | f | ≤ f m ( 2)
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第 27 卷第 3 期
水声通信中特征信号提取方法 戴萧嫣等
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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 z ) , 得到与 x , y 信号相对应的 x′ , y′ 信号 ,综合考虑到三个方面的因素 :1 ) 信号 之间的频率间隔 ; 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 。
信号区分开来 。其接收端的原理框图见图 1 。
1 引言
在水声通信中 [ 1 - 2 ] , 在基站上设置声发射/ 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 , 给出了其便于各基站信 号分离的优缺点和适用范围 。
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 Hamming ( 哈 明) 窗进行的截断) 。
滤波器 的带宽
( Hz) 600 1000 1600 1000
[ 关键词 ] 水声通信 ; 特征信号 ; 相关 [ 中图分类号 ] TN713 [ 文献标志码 ] A
The Signal Extraction Method in Acoustic Communications
DA I Xiao2yan , HAN Yan (National Key Laboratory of Electronic Measurement Technology , North University of China , Taiyuan 030051 ,China) Abstract :In t his paper ,t he aut hor first int roduce t he characteristic of acoustic signal , t hen designed one signal ext ractio n method based o n f requency2division multiplexing ( FDM) to ret rench co st and imp rove efficiency. The experiment and simulation are emp hasized. At the end , t he aut ho r summarize t he virt ue , defect and applicability of t he met hod. Key words :acoustic communications ;characteristic signal ;correlation
4 实验仿真
以采样频率为 50k Hz , 幅值相差 100 倍 ( 设 发射信 号 到 达 某 一 基 站 的 衰 减 范 围 是 ( 0 ～
40dB ) ,取该衰减范围的端点 ,同一基站接受到相
差 100 倍的两个信号 ) 的信号 ( x 信 号和 y 信
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f m 为滤波器的最大带宽 : T = 1/ ( 2 f m ) 。 数字系
滤波器 阶数
4 6 7 7 7 7 7 7 7 8 8
衰减
( dB) 50 50 50 60 85 90 90 90 90 90 90
通带波纹
( dB)
频率 ( Hz)
60 120 200 300 400 500 560 680 760 840 960
图1 接收端原理框图
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 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 ( f ) , 通带总数为 m , 第
信号周 期数
325 30 30 10
信号 x′ 与 信号 x 0 ( y 0 ) 做相关
2550000 (55) 35000 (85) 33200 (25) 12300 (72)
信号 y′ 与 信号 ( y 0 ) x 0 做相关
2280 (9. 5) 348 (1. 9) 339 (2. 1) 121 (0. 6)
根据相关的定义[ 5 ] , 可以理解当与 x 信号相 对应的滤波器输出的 x′ 信号与 x 0 信号做相关的 值大于其与 y0 信号做相关的值 , x′ 信号与 x 信号 的相似度要比与 y 信号的相似度大 , 以此来判断
x 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 x 0 和信号 y0 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 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 10 个周期声信号为例 , 原始信号为
i 通带的中心频率和带宽分别为 f 0 i 和 B i , i = 1 ,
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
3
2 , …, m 。 则 m 多通带滤波器的频域响应函数为 :
m
H( f) =
i =1
i =1
co s (π f ∑
0i
n/ f m ) sin (π B i n/ f m ) ;
由表 1 可知 , 当滤波器带宽达到 300 Hz 以 上时 , 滤波器的衰减才能达到 90dB ; 只有达到
500 Hz 以 上 时 , 滤 波 器 的 通 带 衰 减 才 能 达 到 3dB ,以 8 阶的 ellip 滤波器 ( 通带宽度为 600 Hz ,
表2 信号仿真结果比较
信号间 频率间隔
( Hz) 1000 3000 2000 4000
间隔为 4k Hz , x 信号强度为 100V , y 信号为 1V 。 其中信号 x 0 和信号 y0 是 10V 的对应频率的 x 和
y 信号通过相应滤波器的结果 。 滤波器带宽为
1k Hz , 阻 带 衰 减 为 120dB 。 这里之所以选择 120dB 而不是原来的 90dB , 是因为在相同的条件
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m
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弹箭与制导学报
2007 年
( f 0 i + B i ) ]} +
i =1
{U[ f ∑
- ( - f 0i - B i ) ] ( 1)
的两倍左右 ,发射信号到达某一基站的衰减范围 是 0～40dB ( 即信号强度差为 100 倍) ,结果比较 见表 1 。
{U[ f ∑
- ( f 0i - B i ) ] - U [ f -
收稿日期 :2006 - 08 - 25 ; 修回日期 :2006 - 11 - 12 作者简介 : 戴萧嫣 (1981 - ) ,女 ,硕士研究生 ,研究方向 : 信号与信息处理及信息重建 。
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co s (π f ∑
n ) sin (πK bi n ) ;
显然 h ( n) 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 IIR ( 无限脉冲响应) 和 FIR ( 有限 脉冲响应) 滤波器 。如果 IIR 滤波器和 FIR 滤波 器具有相同的性能 ,那么通常 IIR 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 ( IIR ) 数字滤波器[ 4 ] , 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 。
( 5)
0i
引入归一化带宽和中心频率 Kbi = B i / f m 、 Kf 0 i
= f 0 i / f m 则滤波器的单位冲击响应为 :
m
h ( 0) = 2 h ( n) = ( 2/ π n) n = 1 , 2 , …, m
i =1
∑K
m i =1
bi
通 带 波 纹 是 3dB , 阻 带 波 纹 90dB , 采 样 频 率 50k 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. 5k Hz 的滤 波器) 。
3. 2 数字滤波器的设计
图2 中心频率 6. 5k Hz ,带宽 600 Hz 的带通滤波器 (filter 1)
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 ,滤波器衰减以 90dB 为上限 , 由于工程上一般滤波器的衰减为信号最大衰减