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        基于磁感應(yīng)技術(shù)無線地下收發(fā)器信號處理算法仿真與實現(xiàn)

        2018-02-05 01:25:18劉洲洲
        西安航空學(xué)院學(xué)報 2018年1期
        關(guān)鍵詞:希爾伯特磁感應(yīng)解碼

        申 良,劉洲洲,何 林

        (1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院,西安 710077;2.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院,西安 710072)

        0 引言

        無線地下通信方式主要有兩種[1-4],一種是沿用無線地上通信的電磁波方式,另一種是磁感應(yīng)方式。

        目前,由于基于磁感應(yīng)技術(shù)無線收發(fā)器沒有成熟產(chǎn)品出現(xiàn),從而導(dǎo)致無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究主要集中在基于電磁波傳輸技術(shù)上,基于磁感應(yīng)技術(shù)的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究很少。由于電磁波技術(shù)的無線地下通信面臨著高路徑損耗、信道條件動態(tài)變化大和天線尺寸過大的三大問題,不能滿足無線地下傳感網(wǎng)絡(luò)向長距離和深層地質(zhì)通信發(fā)展的要求。

        為了豐富無線地下傳感網(wǎng)絡(luò)的研究途徑,提出一種基于磁感應(yīng)技術(shù)無線地下收發(fā)器信號處理設(shè)計方案,由于無線地下信道復(fù)雜,而采用傳統(tǒng)的硬件濾波和解調(diào)方式實現(xiàn)的收發(fā)器,存在通信可靠性低且實現(xiàn)不靈活的缺點。

        以軟件無線電的思想代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件方法實現(xiàn)磁感應(yīng)通信的濾波和解調(diào),提高無線地下通信可靠性[5-10]。

        1 磁感應(yīng)信號提取算法中FIR濾波算法設(shè)計和仿真

        無線地下信道[10]受到工頻干擾、工業(yè)干擾和天電干擾,工頻干擾主要是以50Hz及其多次諧波出現(xiàn);工業(yè)干擾和天電干擾主要以脈沖干擾的形式出現(xiàn); 脈沖干擾可看成一個突然上升又按指數(shù)規(guī)律下降的尖脈沖,脈沖干擾的影響主要集中在低頻上。由于無線地下信道的干擾主要集中在低頻,所以我們設(shè)計一個中心頻率125KHz、阻帶截止頻率為110KHz、通帶截止頻率為140KHz、通帶寬度為30KHz的帶通濾波器。

        1.1 FIR濾波器仿真

        本文主要研究了FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法,從數(shù)字濾波器的概念及對基本原理的分析,從而得出數(shù)字濾波器設(shè)計的基本步驟。具體的設(shè)計步驟如下:

        打開MATLAB 軟件,并打開“Filter Designed & Analaysis Tool”工具,在彈出的界面中按照所需濾波器修改以下濾波器類型:

        帶通 Bandpass波方式: 等紋波 FIR(Equiripple);濾波器階數(shù):Specify order(115+1 階);采樣頻率:900KHz;Fstop1:90KHz;Fstop2:160KHz;Fpass1:110KHz;Fpass2:140KHz;最后,生成濾波器。

        圖1 FIR仿真結(jié)構(gòu)圖

        圖3 濾波前的被污染信號

        仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。編寫M文件,生成一個載波頻率為125KHz,碼元信號長度為368US的已經(jīng)OOK調(diào)制的理想信號(見圖2),碼元為1010,由于信道的噪聲和干擾主要集中在低于10KHz范圍內(nèi),模擬信道噪聲和干擾。本文在理想信號上添加信噪比為20DB的50Hz和10KHz的低頻干擾信號,考慮到信道內(nèi)存在高斯白噪聲,又在理想信號上添加信噪比為20DB的高斯白噪聲,通過模擬信道噪聲和干擾,理想信號變成了污染信號(見圖3)。

        通過對比污染信號和濾波后信號(見圖4)可知,低頻的干擾已經(jīng)濾除大部分,但還有一部分沒有濾除,在0碼元是可以清楚的看到;可以知道50Hz和10KHz的低頻干擾被全部濾除,高斯白噪聲被濾除了一部分,符合我們的設(shè)計初衷,因為高斯白噪聲在通頻帶也存在,而我們只能濾除不在通頻帶里面的高斯白噪聲,所以在0碼元可以觀察到還是有一部分干擾存在。

        圖4 濾波后的信號

        1.2 磁感應(yīng)信號提取算法DSP實現(xiàn)

        接收端磁感應(yīng)信號提取程序流程見圖5。

        圖5 接收端磁感應(yīng)信號提取程序流程圖

        首先把電位器阻值設(shè)置為0,然后通過采樣的數(shù)據(jù)調(diào)整放大的倍數(shù),使得最終放大的結(jié)果調(diào)整到合適的位置,放大合適后再將采樣數(shù)據(jù)送入FIR濾波器去處理。

        2 無線地下收發(fā)器編碼解碼和調(diào)制解調(diào)算法設(shè)計

        2.1 曼徹斯特編碼和解碼算法DSP實現(xiàn)

        2.1.1 信號編碼

        當一幀數(shù)據(jù)過來時,首先判斷位是0還是1,如果是0的話,編碼成01,如果是1的話編碼成10。

        部分代碼如下:

        voidsend_data(unsignedchar*d)

        {

        unsignedinti,j,temp;

        unsignedchark;

        run_125k(400);//3US///// ///////////carrierburst

        delay(3);//368US//////// ////////separationbit

        for(j= 0;j< 5;j++)

        {

        k=d[j];

        for(i=0;i<8;i++)

        {

        temp=k&0x80;

        k=k<<1;

        if(temp==0x80)

        {

        run_125k(run_time);//368US1

        delay(3);//368US0

        }

        else

        {

        delay(3);//368US0

        run_125k(run_time);//368US1}

        }

        }

        }

        2.1.2 信號解碼

        信號解碼是信號編碼的逆過程,當接收到一幀數(shù)據(jù)時候,找到信號頭,然后兩位一起判斷,傳統(tǒng)解碼在抽樣判決判定01后,再根據(jù)如果是10,則原始信號為1;若為01則原始信號為0。本文把抽樣判決和解碼結(jié)合一起,通過兩個一組的碼元強度大小,通過大小判定上下沿,如果是下降為1,上升為0,實現(xiàn)代碼在解調(diào)中說明。

        2.2 改進型OOK調(diào)制和解調(diào)算法設(shè)計和仿真

        改進型OOK調(diào)制和解調(diào)算法主要體現(xiàn)在解調(diào)上,一般OOK的非相干解調(diào)方式的主要部分包絡(luò)檢波器是用半波或全波整流器,由于整流器設(shè)計電路復(fù)雜、不靈活和效果也不佳等特點,本文將采用基于希爾伯特的包絡(luò)檢波器實現(xiàn)OOK的解調(diào)。希爾伯特變換(Hilbert transform)一個連續(xù)時間信號的希爾伯特變換等于該信號通過具有沖激響應(yīng)的線性系統(tǒng)以后的輸出響應(yīng)。由傅里葉變換信號經(jīng)希爾伯特變換后,在頻域各頻率分量的幅度保持不變,但相位將出現(xiàn)90°移相器。用希爾伯特變換描述幅度調(diào)制或相位調(diào)制的包絡(luò)、瞬時頻率和瞬時相位會使分析簡單,在通信系統(tǒng)中有著重要的理論意義和實用價值。在通信理論中,希爾伯特變換是分析信號的工具,在數(shù)字信號處理中,不僅可用于信號變換,還可以用于濾波,可以做成不同類型的希爾伯特濾波器。希爾伯特變換是由原始信號和I/t的卷積形成,可由一個濾波器實現(xiàn)。

        希爾伯特變換是一種積分變換,信號x(t)的希爾伯特變換H[x(t)]定義為:

        (1)

        可見,H[x(t)]是將信號x(t)與1/πt卷積。因此,希爾伯特變換結(jié)果x(t)可以理解成為:輸入信號x(t)經(jīng)過一個沖激響應(yīng)為1/πt的線性時不變系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)。

        信號x(t)由慢變信號s(t)與快變信號f(t)相乘,即x(t)=s(t)f(t),這樣就形成了調(diào)幅信號。為了避免過調(diào)幅設(shè)s(t)=0。

        令:Z(t)=x2(t)+H2[x(t)]

        (2)

        根據(jù)Bedrosian乘積定理:

        H[x(t)]=H[s(t)f(t)]=s(t)H[f(t)]

        (3)

        可得:

        Z(t)=s2(t){f2(t)+H2[f(t)]}

        (4)

        令r(t)=f2(t)+H2[f(t)],顯然r(t)≥0,因此必然包含直流成分。為了簡化處理,這里假設(shè)快變信號是兩個諧波信號之和:

        f(t)=a1cosω1t+a2cosω2t

        (5)

        f(t)的希爾伯特變換為:

        H[f(t)]=a1sinω1t+a2sinω2t

        (6)

        (7)

        式(7)表明,r(t)主要包含了兩個不同成分:一是常數(shù)部分為兩個諧波幅度的平方和,另一部分為兩諧波的差頻成分。將式(7)代入式(4),得到:

        (8)

        (9)

        fA(t)=2a1a2s2(t)cos(ω1-ω2)t

        (10)

        則:Z(t)=SA(t)+fA(t)

        (11)

        設(shè)s(t)的最高頻率分量為ωmax,若ω1-ω2>>2ωmax,則SA(t)和fA(t)頻譜仍舊不發(fā)生混疊,利用前述希爾伯特低通濾波器,選擇合適的截止頻率ωc則可提取出慢變成分SA(t)。通過SA(t)可估計出慢變包絡(luò)A(t):

        (12)

        可以看出,估計出的慢變包絡(luò)與原始的包絡(luò)僅僅是幅度不同。

        代碼實現(xiàn)為:

        voidDEEnvelope()

        {

        inti;

        for(i= 0;i

        {

        Envelope[i]=sqrtsp(HFIR_In[i]*HFIR_In[i]+HFIR_Out[i+15]*HFIR_Out[i+15]);

        }

        }

        圖6 原實信號和希爾伯特變化信號對比

        本文用MATLAB設(shè)計一個FIR希爾伯特濾波器,并在TMS320C6748實現(xiàn)希爾伯特變換,得到調(diào)制信號的包絡(luò)。調(diào)用上面設(shè)計的希爾伯特濾波器,希爾伯特濾波器系數(shù)是31,濾波器群延時為(N-1)/2即15,通過圖6也可以清楚的看到群延時15,去除群延時后,原實信號和希爾伯特濾波后信號對比見圖7,通過對比圖可知,去除濾波器群延時后,希爾伯特變化是原實信號幅值不變,相移90°。

        圖7 希爾伯特包絡(luò)檢波器仿真結(jié)果圖

        3 結(jié)語

        本文根據(jù)系統(tǒng)需求對節(jié)點信號處理算法進行研究,設(shè)計適合無線地下信道的FIR濾波算法,提出了一種改進OOK解調(diào)算法,該算法使用希爾伯特變化代替?zhèn)鹘y(tǒng)用半波或全波整流器提取信號包絡(luò),設(shè)計并在MATLAB中仿真FIR濾波和希爾伯特解包絡(luò)算法,最后為實現(xiàn)收發(fā)器通信過程,編寫FIR濾波、編碼解碼和調(diào)制解調(diào)等程序,并在TMS320C6748上實現(xiàn)。

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