郭繼坤， 丁 龍

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

基于井下UWB通信的奇異點(diǎn)降噪性能

郭繼坤， 丁 龍

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，哈爾濱 150027)

針對(duì)井下環(huán)境電磁騷擾嚴(yán)重，而傳統(tǒng)低通濾波方法僅能去除帶外噪聲的情況，考慮井下噪聲以白噪聲和較寬頻帶火花干擾為主的特點(diǎn)，采用小波變換奇異點(diǎn)的模極大值方法對(duì)帶內(nèi)噪聲進(jìn)行再濾波研究。仿真結(jié)果表明，對(duì)于井下中低信噪比環(huán)境，該方法能夠有效地保留發(fā)射信號(hào)的奇異點(diǎn)信息，且降噪效果明顯。

井下;TH－BPSK－UWB;小波變換;降噪

超寬帶(Ultra-wideband，UWB)無線通信技術(shù)是當(dāng)前短距離無線通信領(lǐng)域中極具潛力的新興技術(shù)，與以往的各類寬帶、窄帶通信系統(tǒng)相比較，具有傳輸速率高，系統(tǒng)功耗低、復(fù)雜度小，成本低，定位精度高，多徑分辨率高，抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)均滿足井下無線通信的數(shù)據(jù)量大，通信時(shí)間長，可靠性能高，礦難后精確定位等方面的需求。但超寬帶無線通信系統(tǒng)在井下應(yīng)用過程中存在大量電磁干擾問題，而傳統(tǒng)濾波技術(shù)僅能對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行帶外濾波，降噪效果不理想。因此，研究井下超寬帶降噪技術(shù)十分必要。筆者分析信號(hào)的小波奇異性變換的模極大值，研究接收信號(hào)的帶內(nèi)濾波問題，以達(dá)到降低噪聲的目的。

1 礦井巷道噪聲分析

由井下巷道電磁輻射騷擾的數(shù)據(jù)分析可知［1］，井下巷道輸電線路是三相對(duì)稱工作，基本不產(chǎn)生電磁輻射干擾。圖1是井下機(jī)電硐室口并有監(jiān)控分站情況下測得的電磁干擾(脈沖范圍為1～7 GHz，最小單位為600 MHz)。可以看出，巷道中主要的電磁干擾一方面來自監(jiān)控分站縫隙泄漏的電磁輻射騷擾對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的電磁騷擾;另一方面，由于井下大量使用電力機(jī)車接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)的電磁騷擾除具有電力電纜電磁騷擾的所有特性外，還具有隨機(jī)性脈沖的特性。在采區(qū)裝車點(diǎn)，鋼軌基本被煤末所填平，極易產(chǎn)生電火花干擾。圖2顯示了泄漏電磁騷擾的情況下，架線機(jī)車運(yùn)行的巷道內(nèi)電磁騷擾的分布情況(脈沖范圍為1～7 GHz，最小單位為600 MHz)?？梢姡饕姶鸥蓴_還包括放電火花及比較大的dt/di在巷道內(nèi)形成的電磁輻射騷擾。

由上述分析可以得出，井下噪聲干擾主要為背景高斯白噪聲和脈沖干擾，其數(shù)學(xué)模型為

式中:Wa——背景高斯白噪聲，均值為0，方差為σa;Wt——脈沖干擾。

圖1 井下機(jī)電硐室口并有監(jiān)控分站時(shí)的電磁騷擾Fig.1 Electromagnetic interference of electrical and chamber port and monitor substation in coal mine

圖2 架線電機(jī)車運(yùn)行時(shí)巷道騷擾分布Fig.2 Electromagnetic interference when motor vehicle wiring running of roadway

2 降噪原理

通常采用的濾波方法是，將平穩(wěn)的通信信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后，再將其時(shí)域特征映射到頻域內(nèi)進(jìn)行分析，通過帶外濾波器實(shí)現(xiàn)降噪［2］。但是，當(dāng)接收信號(hào)的帶內(nèi)噪聲足夠大時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致接收系統(tǒng)無法正常工作，而UWB脈沖信號(hào)占空比較大，且具有明顯的奇異性，適合通過奇異性分析去除帶內(nèi)噪聲。

理論上，信號(hào)的奇異性一般可以采用小波模極大值法分析［3］，即通過小波變換后系數(shù)模局部極大值在不同尺度上的衰減速度來衡量用于描述奇異特性的奇異指數(shù)。由于白噪聲的奇異指數(shù)隨機(jī)分布且存在負(fù)值，因此其模極大值在二進(jìn)制尺度上不具有傳遞性。小波變換系數(shù)w(s，x)和小波變換的模極大值平均密度ds在尺度s上滿足的關(guān)系如下:

其中，白噪聲n(s)均值為零，方差為σ2;ψ(1)和ψ(2)分別是小波的一階和二階導(dǎo)函數(shù)。通過對(duì)式(1)、(2)的分析可知，隨著尺度s的增大，噪聲控制的模極大值點(diǎn)的絕對(duì)值快速減小，且至少有二分之一的系數(shù)模極大值點(diǎn)不能傳遞到較大尺度的模極大值上，故可認(rèn)為不能從較小尺度傳遞到較大尺度的模極大值是由噪聲控制的［4］。所以，濾除這些模極大值點(diǎn)，利用保留下來的模極大值點(diǎn)重建原信號(hào)，可達(dá)到抑制接收信號(hào)的帶內(nèi)噪聲的目的。

3 仿真及分析

3.1 TH－BPSK－UWB接收信號(hào)

根據(jù)FCC(Federal Communications Commission)的規(guī)定，在UWB無線通信系統(tǒng)中，地面室內(nèi)系統(tǒng)至少要選擇高斯脈沖的五階導(dǎo)數(shù)以上波形才可滿足FCC頻譜和功率限制要求，但是在井下基本不存在其他無線通信接收機(jī)，采用UWB技術(shù)可以不考慮對(duì)其他窄帶通信的干擾問題，因此可以不受地面條件的限制，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，采用低階高斯脈沖波形通信。

考慮井下干擾較為嚴(yán)重，系統(tǒng)采用二進(jìn)制擴(kuò)頻碼及誤碼性能較優(yōu)的BPSK調(diào)制方式，并以單周期一階高斯脈沖作為超寬帶發(fā)射波形。由于收發(fā)天線的微分作用，發(fā)送信號(hào)為一階脈沖，接收信號(hào)為二階導(dǎo)數(shù)。采用TH－BPSK－UWB技術(shù)的接收信號(hào)如圖3所示。

3.2 接收信號(hào)帶外濾波

由于井下主要以背景高斯白噪聲和脈沖噪聲為主，故以信噪比為－30 dB的染噪信號(hào)為例，經(jīng)接收天線送到帶通濾波器進(jìn)行濾波。采用布萊克曼窗函數(shù)設(shè)計(jì)，濾波器階數(shù)為168階，通帶范圍為0～10 GHz，過渡帶寬為1.5 GHz，阻帶和通帶波紋最大為0.05。仿真結(jié)果如圖4所示。分析可知，雖然濾波后圖4b的波形存在少量的失真，但低通濾波器能夠?yàn)V除絕大部分接收信號(hào)的帶外噪聲，然而對(duì)于接收信號(hào)的帶內(nèi)噪聲卻無能為力。

圖4 不同信號(hào)低通濾波后頻域波形Fig.4 Different signal frequency-domain waveform after low-pass filter

3.3 接收信號(hào)奇異點(diǎn)降噪

3.3.1 帶內(nèi)濾波步驟

對(duì)帶外濾波后的預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行小波分析，從而去除接收信號(hào)的帶內(nèi)噪聲［5］。具體步驟為:

(1)小波分解。對(duì)經(jīng)帶外降噪后的接收信號(hào)進(jìn)行小波分析，選定具有線性相位和正交特性的db 4小波。

(2)分析尺度閥值選取。從尺度s的最大值開始，選擇一個(gè)門限值，保留幅值絕對(duì)值大于門限值的模極值點(diǎn)，將其作為信息點(diǎn)，隨后在小于門限值的尺度中尋找信息點(diǎn)對(duì)應(yīng)的傳播點(diǎn)。

(3)接收信號(hào)重構(gòu)。各個(gè)尺度s上保留下來的模極值點(diǎn)采用小波分解逆向算法重構(gòu)小波系數(shù)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。

3.3.2 結(jié)果分析

圖5a是含噪接收信號(hào)僅進(jìn)行低通帶外濾波的信號(hào)仿真結(jié)果，圖5b是先對(duì)含噪接收信號(hào)進(jìn)行帶外濾波后再進(jìn)行奇異點(diǎn)帶內(nèi)濾波處理的仿真結(jié)果。

圖5 奇異點(diǎn)帶內(nèi)濾波降噪效果Fig.5 Effect of filtering noise with singular points

對(duì)比圖5a和圖5b可以看出，奇異點(diǎn)模極大值濾波能夠有效地去除奇異點(diǎn)附近的噪聲，并有效保留有用的奇異點(diǎn)信息。含噪接收信號(hào)處理后的信噪比增益曲線如圖6所示。分析圖6可知，在井下低信噪比的特殊環(huán)境中，奇異點(diǎn)帶內(nèi)濾波處理比傳統(tǒng)濾波技術(shù)的信噪比提高3 dB左右。

圖6 濾波前后信噪比增益曲線Fig.6 SNR gain curves of different filtering

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)的濾波方法僅能濾除含噪信號(hào)的帶外噪聲，而井下環(huán)境噪聲污染較為嚴(yán)重，為保證良好的通信質(zhì)量，必須解決信號(hào)的帶內(nèi)濾波問題。文中主要討論奇異點(diǎn)帶內(nèi)濾波技術(shù)對(duì)井下UWB通信系統(tǒng)性能的影響。通過仿真分析可知，井下強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，在傳統(tǒng)的帶外濾波處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用奇異點(diǎn)帶內(nèi)濾波技術(shù)能夠提升通信系統(tǒng)3 dB左右的信噪比。但小波奇異點(diǎn)濾波技術(shù)在應(yīng)用中還存在信號(hào)重構(gòu)較為復(fù)雜，濾波出的信號(hào)波形有一定量的失真，尺度s門限值的選取較為困難等一些有待繼續(xù)研究的問題。

［1］孫繼平，王福增.煤礦井下電磁干擾對(duì)通信和監(jiān)控系統(tǒng)的影響［J］.工礦自動(dòng)化，2009(2):23－27.

［2］李玉峰.基于非抽取小波變換的遙感圖像貝葉斯去噪［J］.通信技術(shù)，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］成禮智，王紅霞，羅 永.小波的理論與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］岳 莉，王毓東，朱曉明.基于DS－UWB超寬帶系統(tǒng)中小波去噪計(jì)算機(jī)仿真［J］.長春大學(xué)學(xué)報(bào)，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

郭繼坤(1968－)，男，黑龍江省肇源人，教授，博士，研究方向:礦井監(jiān)控與通信，E-mail:gst1994@163.com。

(編輯 荀海鑫)