一种基于多通道Notch滤波器的通信方法*

朱峰 苏军

（91388部队 湛江 524022）

1 引言

随着国家“海洋强国”战略不断深化，水声释放器被广泛应用于军事和民用领域。水声释放器通常采用遥控声源发出多个不同频率的CW脉冲信号，水声释放器对接收到的信号进行频率区分，当接收到与预置频率对应时，水声释放器释放［1～3］。

对于频率区分目前主要fft法和过零法两种方法，fft法较为准确，但运算量较大，处理较为复杂；过零法测频率方法简单但误差较大。利用Notch滤波器处理释放器释放的简单通信指令，具有方法简单，可行性强的特点［4～6］。

本文利用多通道Notch滤波器，对多个不同频率的CW脉冲进行包络检波，通过幅度门限和脉宽门限对脉冲信号进行判断，以实现MFSK的通信方法。

2 算法设计

将接收信号输入多通道Notch滤波器进行分频处理，过门限后，做译码处理，算法流程图如图1所示。

图1 算法流程图

2.1 单通道Notch滤波器

单通道Notch滤波器自适应算法如图2所示，图中x(k)为输入信号，y(k)为滤波器输出，e(k)为滤波器残差输出，rc(k)与rs(k)为两路正交输入，A为幅值，w0为Notch滤波器的中心频率，可表示为［7～10］

图2 单通道Notch滤波器原理图

递推公式如下：

μ为自适应滤波器的学习步长，B为带宽，可表示为

H（k）为滤波器输出信号包络可表示为

2.2 多通道Notch滤波器

多通道Notch滤波器建立在单通道Notch滤波器的基础上，残差输出为各通道加和与输入信号差值，其原理图如图3所示。

图3 多通道Notch滤波器原理图

wi为各通道滤波器的中心频率，各路正交信号表示为

递推公式如下：

各通道输出包络Hi(k)信号包络可表示为

2.3 自适应门限判断

对于判断单频脉冲信号的判断，主要利用信号幅度和信号脉宽。当输入信号同时大于幅度和脉宽门限时，则判定该脉冲有效。信号脉宽门限选取发射信号脉宽的一半。幅度门限采用自适应幅度门限。自适应门限原理图如图4所示。

选取一帧数据，数据加和求平均值，利用接收信号信噪比反推接收信号幅值，乘门限系数后将其作为幅值门限。影响自适应门限主要有信号的占空比和信噪比两个因素，根据接收信号占空比和信噪比合理选择门限系数。K为门限系数，则自适应幅度门限H_pan可表示为

图4 自适应幅度门限原理图

3 仿真分析

3.1 多通道Notch滤波器实现分频

在仿真中设计了四通道Notch滤波器，四路滤波器中心频率分别为 4.1kHz、7.3kHz、11kHz和15.5kHz。输入信号周期5ms，脉宽1ms，加入宽带噪声［11～12］，信噪比为 5dB，信号通过滤波器后，信号波型和输出包络如图5、图6。

如图5示原始信号经多通道Notch滤波器后，实现了频率区分。如图6所示，滤波器能够记录信号包络，但受宽带噪声影响，包络出现畸变，续利用幅度门限和脉宽门限对脉冲进行判断。

3.2 在不同信噪比比较误码率

Notch滤波器的四个通道中心频率分别选取4.1kHz、7.3kHz、11kHz和15.5kHz，分别代表00、01、10和11四个码元。接收信噪比由1dB增加到10dB，每次随机3000个码元。

图5 滤波器波形输出

图6 滤波器包络输出

图7 接收信噪比与误码率关系图

误码率与接收信噪比关系图如图7所示，误码率随信噪比增加逐渐变小，当接收信噪比大于3dB时，误码率小于5%；当接收信噪比大于5dB时，误码率接近为0。

4 结语

本文提出了一种基于多通道Notch滤波器的通信方法，介绍了算法流程，并对多通道Notch滤波器的分频功能和接收信噪比对误码率的影响加以仿真。仿真表明，在接收信噪比大于5dB时，误码率接近为0。该方法具有较好的抗噪声能力，可应用于处理水声释放器释放的通信指令。