溫 東 ,姜 波,劉翠海

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島266042)

1 引 言

超低頻通信是指利用頻率為30～300 Hz的電磁波進行的無線電通信。超低頻電波在海水中衰減較小,海水電導(dǎo)率在4.0 S/m時,75 Hz電磁波衰減僅為0.3 dB/m左右,并且超低頻電波在地面-電離層波導(dǎo)中傳播衰減很小,75Hz電磁波其衰減通常在0.9～1.5 dB/Mm之間[1-2]。因此,可以利用超低頻電波實現(xiàn)對水下80～100 m深度(甚至更大深度)潛航潛艇的遠程通信。

源自雷電現(xiàn)象的大氣噪聲是影響超低頻通信的主要突發(fā)噪聲。雷擊發(fā)生時,對流層放電會形成上萬伏的尖峰脈沖,雖然持續(xù)時間很短,但是由于大氣中衰減很慢,也會產(chǎn)生比較強的電磁場,可以傳播到很遠的距離。即使在海水中衰減很快,也能在水下50 m處產(chǎn)生幾百mV/m的電場。大氣噪聲可描述為低幅度的高斯分布背景噪聲疊加上大幅度突發(fā)的脈沖噪聲,其中,高斯白噪聲是由分布于世界范圍內(nèi)的大量雷暴形成的脈沖的疊加構(gòu)成,脈沖噪聲是由接收機附近的閃電電磁脈沖疊加形成,脈沖能量極強,持續(xù)時間短,噪聲能量主要集中在脈沖成分中,噪聲強度與頻率、地理位置和時間等因素有關(guān)[3-4]。

非線性處理(例如削波處理)是減小脈沖噪聲干擾的有效措施,在超低頻通信接收機中得到廣泛應(yīng)用。削波處理的有效性強烈依賴于削波器的輸入是否有尖銳特性。大氣噪聲在海面上時域波形往往呈現(xiàn)“尖銳”脈沖特性[5],但入水后隨著深度的增加,由于海洋濾波器的作用,噪聲不僅僅是強度變?nèi)?時域上這種脈沖噪聲也被展寬了。接收機往往采用海洋補償濾波器恢復(fù)水下接收大氣噪聲的“尖銳”脈沖特性,進而利用噪聲削波處理盡可能抑制脈沖噪聲成分,其實只是一種有效補償海水傳播因素對大氣噪影響的“逆濾波器”。本文結(jié)合超低頻接收機的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)描述實用的超低頻大氣噪聲抑制技術(shù),分別采用1零點1極點、2零點1極點無限脈沖響應(yīng)濾波器設(shè)計海洋補償濾波器,并給出數(shù)值計算結(jié)果。

2 超低頻接收機的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

為了增加潛艇的超低頻收信深度,超低頻接收機的設(shè)計尤為重要。典型的超低頻接收機原理框圖如圖1所示,采用海洋補償濾波、非線性噪聲抑制、相干檢測等關(guān)鍵技術(shù)有效提高接收機的性能。

圖1 超低頻接收機原理框圖Fig.1 Block diagram of SLF receiver

超低頻接收機的模擬電路部分包括低噪聲前置放大器、低通濾波器、高通濾波器、陷波濾波器和數(shù)控增益放大器。陷波濾波器用于抑制工頻及其諧波干擾,數(shù)控增益放大器將模擬信號恰當?shù)胤糯蟮紸DC的動態(tài)范圍內(nèi)。超低頻接收機前端濾波器設(shè)計既要考慮提供足夠的帶寬以獲得最大的非線性噪聲處理增益,又要盡可能減小帶寬以滿足采樣速率要求和濾除不希望的環(huán)境噪聲。前端濾波器帶寬通常選擇20～200 Hz這個量級上[6]。模擬電路部分的輸出信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。

數(shù)字電路部分包括低通濾波器、海洋補償濾波器、跟蹤陷波濾波器、預(yù)加重濾波器、時延均衡器、噪聲削波器、匹配濾波器、解調(diào)器和譯碼器等。超低頻接收機采用一個數(shù)字低通濾波器阻止不同深度天線噪聲的高頻分量對噪聲削波器的影響,防止它們成為噪聲削波器輸入的主要成分。海洋補償濾波器將大氣噪聲恢復(fù)至其在海面所呈現(xiàn)的尖銳特性,否則接收機將損失數(shù)分貝的輸出信噪比。數(shù)字跟蹤陷波濾波器是為了有效削弱源自潛艇本身和附近船只的發(fā)電設(shè)備,以及岸上的電力設(shè)備產(chǎn)生的干擾,陷波頻率自適應(yīng)于接收機工作時出現(xiàn)的干擾。數(shù)字預(yù)加重濾波器用來白化大氣噪聲的頻譜密度,使大氣噪聲頻譜變得更為“平坦”,從而在時域上使得脈沖噪聲更為“尖銳”,可有效提高非線性處理的處理增益。時延均衡器補償海洋和線性濾波相移引入的延時。噪聲削波器通過對大部分強脈沖噪聲的削波來降低噪聲有效電平,早期的一些實驗顯示,輸入噪聲的40%～60%時間被削波,接收機將處于最佳性能。

3 海洋補償濾波器設(shè)計

3.1 設(shè)計準則

海水對電磁傳播而言可以看成各向同性的良導(dǎo)電均勻媒質(zhì),對超低頻信號傳播呈低通濾波特性,大氣噪聲入水后隨著深度的增加,噪聲強度變?nèi)?同時脈沖噪聲被展寬。海洋補償濾波器采用IIR濾波器實現(xiàn),通過調(diào)整其數(shù)字濾波器的零點和極點,擬合理論上海洋濾波器的逆響應(yīng),從而恢復(fù)超低頻段大氣噪聲的“尖銳”脈沖特性。

濾波器的設(shè)計主要是基于經(jīng)驗的,通過調(diào)整數(shù)字濾波器的實軸零點和極點的個數(shù)和位置,得到非常匹配的海洋響應(yīng)特性的理論倒數(shù)。實驗顯示,在超低頻通信天線工作的大多數(shù)深度下,海洋補償濾波器只需利用處于實軸的單零點和單極點濾波器很好地匹配理論上的海洋濾波器逆幅度響應(yīng),濾波器的相位響應(yīng)直接反映在信號的時延上。對于部分深度,2零點1極點無限脈沖響應(yīng)濾波器可以在20～200 Hz頻率范圍內(nèi)將幅度響應(yīng)誤差控制在1 dB以內(nèi)。

對于分布電流可忽略的均勻有損導(dǎo)電介質(zhì),水下d深度水平電場與海面水平磁場間的復(fù)轉(zhuǎn)換函數(shù)可以寫成

其中,f表示頻率;μ表示磁導(dǎo)率,單位H/m;σ表示海水的電導(dǎo)率,單位 Ψ/m。期望濾波器響應(yīng)RIO(f,d)的平方幅度可以寫成

海洋補償濾波器的設(shè)計準則是在每個深度,數(shù)字濾波器和海洋響應(yīng)特性的級聯(lián)的峰峰波紋rpp最小。rpp的變化直接依賴于與實現(xiàn)的濾波器響應(yīng)間的最小背離與最大背離之間的差異。

3.2 1零點1極點濾波器設(shè)計

采用1零點1極點IIR濾波器設(shè)計海洋補償濾波器時,濾波器傳輸函數(shù)可寫成

其中,a為增益,b為實軸極點,c為實軸零點。則實現(xiàn)的濾波器的平方響應(yīng)幅度可以寫成

提取公共因子,得

3.3 2零點1極點濾波器設(shè)計

采用2零點1極點IIR濾波器設(shè)計海洋補償濾波器時,濾波器傳輸函數(shù)可寫成

其中,a為增益,b為實軸極點,c和d分別為實軸零點。則實現(xiàn)的濾波器的平方響應(yīng)幅度可以寫成

4 計算分析

數(shù)值計算方法:給定 Fs、σ、μ、d,將式(7)、式(10)分別代入式(3)進行數(shù)值計算,得到 rpp隨濾波器參數(shù)(b,c)或(b,c,d)的分布曲面,曲面的最低點對應(yīng)的坐標(b,c)或(b,c,d)即為所求的零點和極點值。

取頻率范圍20～200 Hz,深度0～130 m,采樣速率選定為512 Hz,略大于奈奎斯特速率(約400 Hz),以放寬對濾波器設(shè)計難度,同時滿足每符號整數(shù)倍率采樣,以簡化接收機復(fù)雜度。σ=4.0 Ψ/m,μ=4π×10-7H/m。分別在30 m、60 m、90 m和130 m深,采用1零點1極點IIR濾波器和2零點1極點IIR濾波器設(shè)計海洋補償濾波器,幅度響應(yīng)分別如圖2(a)～(d)所示,為便于比較,海洋低通濾波特性的理論逆濾波器的幅度響應(yīng)曲線一同繪出。

圖2 實現(xiàn)的濾波器及理論逆濾波器的幅頻響應(yīng)Fig.2Magnitude of frequency response for different depths of theoretical ocean compensation filter and implemented digital filter

數(shù)值計算結(jié)果顯示,對于部分深度,例如80～100 m附近,1零點1極點IIR濾波器可以很好地近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性;在0～130 m深度范圍內(nèi),2零點1極點IIR濾波器均可以很好地近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性。

5 結(jié)束語

超低頻通信是目前解決遠程、大深度對潛通信的重要通信手段,而海洋對大氣噪聲的海洋濾波器效應(yīng)將嚴重影響超低頻接收對大氣噪聲的抑制效果。合理的海洋補償濾波器的設(shè)計,可以有效降低海洋濾波器效應(yīng),提高超低頻接收對大氣噪聲的處理效果。本文討論了海洋補償濾波器的詳細設(shè)計過程,對基于1零點1極點IIR濾波器和2零點1極點IIR濾波器兩種濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了研究,并在0～250 Hz頻率范圍內(nèi),對深度0～130 m范圍的海洋補償濾波器設(shè)計,仿真計算結(jié)果說明基于2零點1極點IIR濾波器結(jié)構(gòu)的海洋補償濾波器可以有效近似海洋低通濾波特性的理論逆濾波特性,在20～200 Hz頻率范圍內(nèi)幅度響應(yīng)誤差在1 dB以內(nèi)。這一誤差能夠滿足超低頻接收機對脈沖抑制處理的要求,可以普遍應(yīng)用于超低頻接收機信號處理。

[1]傅芳濱.超/極低頻通信技術(shù)[R].北京:中國國防科技信息中心,1999.FU Fang-bin.SLF/ELF communication technology[R].Beijing:China National Defense Science and Technology Information Center,1999.(in Chinese)

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