被动定向浮标数字解复用器的实现方法

摘要

本发明涉及一种被动定向浮标的解复用器的实现方法，它的输入是经A/D采样被数字离散化的被动定向浮标复合信号，输出是数字离散化的全向信号、东西信号、北南信号、锁定状态信号。首先对复合信号进行数字滤波，分离出全向信号、偶极子正交调制信号、导频信号；其中导频锁相环跟踪锁定导频信号的频率，进而跟踪锁定导相信号的相位，提供同频同相的正弦和余弦信号，对被正交调制的偶极子信号进行解调；进一步低通滤波，输出全向信号、东西信号、北南信号；锁定判断模块给出输出值是否有效的信息。本发明有益的效果：降低了浮标接收机的复杂性，简化了硬件设计，消除了模拟元器件带来的影响，能够保证了两路偶极子对称通道的平衡，提高可靠性、定向精度。

说明书

所属技术领域

本发明属于数字信号处理与声纳浮标的交叉领域，主要是一种被动定向浮标数字解复用器的实现方法。

背景技术

被动定向浮标是一种海洋监测仪器，它不仅可以监听海洋中的声音，还可以确定声音的方向。它包含一个组合声矢量传感器和一个罗盘，浮标电路把实际四路信号复合成一路复合音频信号通过无线电链路传递给接收机。在接收端对复合信号解复用，以供声信号处理机进行波束形成、时频分析等处理。正确解复用关系到对声源的定向，所以解复用器是浮标系统中关键的一环。

先前的被动定向浮标接收机的解复用器是在模拟数字混合电路板上实现的，线路复杂，可靠性差。为处理多枚浮标，要相应增加解复用器的数目，这样浮标处理机的体积逐渐变的庞大。例如，美国专利4,979,694介绍的是一种采用模拟数字混合电路实现的被动定向浮标解复用器。就是说在浮标信号处理机前，还要多出一台专门设备用于解复用处理，这增加浮标处理机的复杂性。其实，采用数字信号处理技术是一个更好的选择，例如能显著降低了浮标接收机的复杂性，提高可靠性等。

解复用的难点是对复合信号中已正交调制的偶极子信号的解调，解调时要求能精确锁定导相信号的频率和相位。一方面因为偶极子调制信号频率下限很低，低至10Hz，已经接近零频率。取用导相信号时，会受到调制信号低频部分的干扰。在这种情况下，要求锁相环的带宽要很窄；另一方面浮标电路的晶振频率有误差且会发生漂移，导致15kHz载频信号频率漂移。在这种情况下，又要求锁相环的带宽很宽。这两个要求是矛盾的，采用普通锁相环无法兼顾这两个方面。如果没有解决办法，那么浮标就要采用精度非常高的晶振，就大大增加了浮标的成本。一般浮标是抛弃式的，设计原则就是要尽量降低它的成本，才能够大批量使用。本发明设计一种特殊的软件导频锁相环解决上述矛盾，允许浮标采用廉价晶振，从而降低了浮标的原材料成本。

解复用器要具有使用价值，还要提供解复用器的状态信息，即解复用器中的锁相环有没有失锁。如果失锁，那么后面的处理结果就是无效的。本发明提供了一个评价输出信息是否可用的方法。

美国专利4,979,694(Gibert R.Grado.Difar demultiplexer circuit[P].United States PatentNumber：4,879,694 Nov.7，1989)介绍了一个局部的，具体的解复用器电路，但无法形成一个清晰的解复用的原理。虽然本发明参考了这个专利，从中了解到复合信号的形式，但解复用的原理是独立推导的，新设计的解复用器在结构上不同于上面专利，实现方法是新颖的，采用数字信号处理手段、软件导频锁相环、锁定评价等创新手段。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点和不足，提供一种被动定向浮标数字解复用器的实现方法，它用在基于声矢量传感器的主被动定向浮标系统中的信号传输子系统中。

为解决上述技术问题，本发明是提出以下技术方案实现的：这种被动定向浮标的解复用器的实现方法，该数字信号处理方法步骤如下：

(1)、采用数字解复用器，包括预滤波模块、正交解调模块、数字导频锁相环模块、锁相环锁定判断模块、输出低通滤波抽取模块五个模块；输入是经A/D采样被数字离散化的被动定向浮标复合信号，输出是数字离散化的全向信号、东西信号、北南信号、锁定评价信号；它在数字信号处理板上实现，它的输入端连接A/D数据采集卡或者数字无线电接收机等数字设备，它的输出端连接浮标信号处理机，或者它本身就是浮标信号处理机的一部分。

(2)、预滤波模块从被动定向浮标复合信号中滤波分离出全向信号、偶极子正交调制信号、导频信号；

(4)、数字导频锁相环模块跟踪锁定导频信号的频率，进而跟踪锁定导相信号的相位，提供给正交解调器同频同相的正弦和余弦信号；

(5)、正交解调模块对被正交调制的偶极子信号进行解调，利用数字导频锁相环模块捕获导相信号来解调偶极子信号，获得东西信号和北南信号；

(6)、通过输出低通滤波抽取模块进一步低通滤波，输出全向信号、东西信号、北南信号；

(7)、通过锁相环锁定判断模块判断输出结果是否有效。

作为优选，所述的全向信号是取自浮标中全向水听器的具有全向特性的信号；东西信号是取自矢量传感器与罗盘方位形成的具有东西方向偶极子特性的信号；北南信号是取自矢量传感器与罗盘方位形成的具有北南方向偶极子特性的信号。

作为优选，所述预滤波模块采用三个数字无限响应数字滤波器，一个是低通滤波器，用于滤出全向信号；其他两个为带通滤波器，两个带通滤波器带宽频带不同，一个中心频率7.5k的带通滤波器用于滤出导频信号，一个中心频率15k的带通滤波器用于滤出调制偶极子信号。

作为优选，正交解调模块是它的组成包括两路解调，两路解调分别含一个乘法器和一个来自导频锁相环的单频信号，两路的单频信号是正交的，即相位相差90度。

作为优选，所述的输出低通滤波抽取模块包括三个有限响应数字滤波器，均为低通滤波器，全向通道、余弦通道、正弦通道最后都进行低通滤波抽取，去除高频分量，降低采样率，分别输出全向信号、北南信号和东西信号。

作为优选，锁相环锁定判断模块包括两个的数字无限响应滤波器和一个比较器，输入是正交解调模块的两路输出，即余弦通道解调输出和正弦通道解调输出，锁相环锁定判断模块先对两路输入进行数字IIR低通滤波，然后降采样，最后比较两路输出绝对值大小，这两路输出绝对值依然分别称为余弦通道输出和正弦通道输出，判断准则为：当余弦通道输出大于正弦通道输出，则判断解复用器处理结果有效，否则判断为无效。

作为优选，数字导频锁相环模块包括一个相位环路和一个频率环路，各含一个环路滤波器，共用一个数字控制振荡器，频率环路跟随导频信号，待锁定导频信号后，相位环路开始跟随导相信号的相位，最终锁定导相信号的相位。

本发明的优点在于：本发明提出一种被动定向浮标解复用器的工作原理，提出一种对调制偶极子信号数字正交解调的方法，提出一种解复用器的数字信号处理算法，可以在通用信号处理机上软件实现解复用。这样就降低了浮标接收机的复杂性，简化了硬件设计，消除了模拟元器件带来的影响，能够保证了两路偶极子对称通道的平衡，提高可靠性、定向精度。提出一种软件导频锁相环的设计，解决了偶极子信号解调过程中频率相位精确跟踪的问题。使浮标端复用电路可以采用精度不高的廉价晶振，从而降低了单枚浮标的原材料成本。本发明提出一种评价导频锁相环锁定情况的方法。

附图说明

图1是显示定向浮标自身坐标与地理坐标之间的关系；

图2是复合信号的频谱组成；

图3是数字解复用器的组成框图；

图4是数字导频锁相环方框图；

图5是数字导频锁相环的Z域模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明作进一步说明：

本发明用于对被动定向浮标输出的复合信号进行处理。在介绍解复用器具体实施方案之前，需先了解被动定向浮标及其复合信号的知识。被动定向声纳浮标(DIFAR)包含的组合矢量传感器，是由一个全向声压水听器、两个互相正交的偶极子声振速传感器组成的。由于浮标在水中的方向是随机的，因此它还包含一个罗盘用来感知自身的方向。浮标在水中还会产生自转，需要罗盘对传感器检测的目标方位进行纠正。遵循定向浮标的格式，从矢量传感器的顶部看，两个偶极子传感器分别顺着传感器的X轴方向和Y轴方向。浮标的Y轴沿顺时针方向与地磁北极的夹角标记为φ，目标方向沿顺时针方向与浮标Y轴的夹角标记为θ。罗盘测得φ角度，φ+θ就是目标相对地磁北极的方位。定义Y轴水听器接收的信号为余弦通道信号或者Y通道信号，X轴水听器接收的信息为正弦通道信号或者X通道信号。全向水听器接收的信息为全向信号，如图1所示。被动定向浮标将四组信息——一路全向信号、一路X轴偶极子信号、一路Y轴偶极子信号、一路罗盘信号——复合成一路复合信号。复合信号占用的频带很窄，在频带上属于音频信号，它的频谱如图2。复合信号包含全向信号，正交调制后的两路偶极子信号，一路15kHz导相信号和一路7.5kHz导频信号。这就是复合信号的组成。了解以上知识后开始介绍解复用器的具体实施方案。

本发明在结构上分为五大模块。分别是：预滤波模块、正交解调模块、数字导频锁相环模块、锁相环锁定判断模块、输出低通滤波抽取模块。

1、预滤波模块

浮标接收机获得复合信号后，首先需要解复用器进行解复用，解复用器首先一步处理就是分离出全向信号、正交调制的偶极子信号和导频信号。本发明采用了三个数字IIR(无限响应滤波器)来完成。一个是低通滤波器，滤出全向信号；另外两带通滤波器带宽频带不同，一个中心频率7.5k的带通滤波器滤出导频信号，一个中心频率15k的带通滤波器滤出调制偶极子信号。如图3。

2、数字正交解调模块

两路偶极子信号被正交调制在15kHz的载波上，在频谱上对称分布在15kHz的导相信号左右。导相信号相位是与罗盘角度成比例的，需要数字导频锁相环捕获导相信号来解调两路偶极子，获得EW(东-西向)信号和NS(北-南向)信号。

正交解调过程用算式表述如下：

设Y轴向传感器接收到的信号为Y＝Acosθ，X轴传感器接收到的信号为X＝Asinθ，复合信号经带通滤波后的信号为：

S＝Ycos(ωt)-Xsin(ωt)+sin(ωt-φ)

------------(1)

这里假设初始相位为0度。

导频锁相环锁定导相信号sin(ωt-φ)，送出正交的两个信号：余弦通道解调信号cos(ωt-φ)和正弦通道解调信号-sin(ωt-φ)。

余弦通道解调过程如下：

$\text{S*cos}(\mathrm{\omega t}-\phi )=\frac{A}{2}(\cos \left(\theta \right)*\cos (2\mathrm{\omega t}-\phi )-\sin \left(\theta \right)*\sin (2\mathrm{\omega t}-\phi )+\cos (\theta +\phi )+\sin (2\mathrm{\omega t}-2\phi ))$

------------(2)

经过低通滤波器后，只剩下项；

正弦通道解调过程如下：

$S*[-\sin (\mathrm{\omega t}-\phi )]=\frac{A}{2}(-\cos \left(\theta \right)*\sin (2\mathrm{\omega t}-\phi )-\sin \left(\theta \right)*\cos (2\mathrm{\omega t}-\phi )+\sin (\theta +\phi ))+\cos (2\mathrm{\omega t}-2\phi )-1$

--------------(3)

经过低通滤波器后，只剩下项。

在这个解调过程中，罗盘信息已经融合到EW和NS信号中。进一步信号处理，例如互谱法或者空间匹配滤波法等，可以求出θ+φ，获得目标在地磁坐标中的绝对方位。

3、数字导频锁相环模块

数字导频锁相环的作用是捕捉导相信号的相位。数字导频锁相环由下列部件组成：一个软件频率检测器、环路滤波器I、一个数字控制振荡器(DCO，Digital Contorl Oscillon)、一个软件相位检测器、环路滤波器II、一个倍频器，如图4。环路滤波器I要比环路滤波器II的带宽宽的多。这个锁相环可以看作是两个环路：一个相位环路和一个频率环路。频率环路作用是锁定导频信号，相位环路的作用是锁定导相环路。由于频率环路的噪声带宽比相位环路宽的多，锁定过程有固定的顺序：频率环路先于相位环路到达锁定状态，随后相位环路锁住导相信号。导频锁相环的Z域模型如图5。

导频锁相环实质是一个反馈控制系统，把导频信号与导相信号的相位分别作为两个参考信号，同步DCO产生的相位信号。同步分两个阶段：第一阶段，导频信号的相位变化和DCO输出相位信号的变化相同，导频环路锁定，第二阶段，导相信号的相位变化和DCO输出相位信号保持两倍的关系，此时不仅导频环路锁定，导相环路也达到锁定。当导频信号的频率或者导相信号的相位发生变化时，上述稳定相位关系产生误差，都会有反馈机制作用于DCO，尽量减小误差，保持锁定。因为有噪声，相位误差始终存在的，锁相环有抗噪的作用。

下面描述导频锁相环同步导相信号相位的具体实现：从预滤波模块输出的导频信号送给软件频率检测器，软件频率检测器的另一路输入是数字控制振荡器输出初始频率为7.5kHz的参考信号。导频信号的实际频率与7.5kHz有一点偏差。频率检测器是一个乘法器，频率检测器输出直流信号、高频次信号以及宽带噪声。环路滤波器I是一个低通滤波器，它的作用就是尽量滤除高频次和信号和部分噪声，让直流信号通过。环路滤波器I的输出与环路滤波器II的输出相加在一起，作用于DCO。DCO的输出是相位和一个参考信号。环路滤波器I和II的和信号控制DCO输出的相位值和信号的频率。其中DCO输出参考信号的频率与输入值u_f(n)的关系为：

f_ref＝2π[ω₀+K₀u_f(n)]/f_s

其中f_s为采样频率，ω₀是DCO的中心频率7500Hz，K₀是DCO的增益。

可见DCO的输入如果是正值就DCO的输出参考信号频率超过7.5kHz，如果是负值则DCO的输出参考信号频率低于7.5kHz。

设t＝n/f_s时刻，DCO输出相位信号为t＝(n+1)/f_s时刻，DCO输出相位为DCO输出相位与输入值u_f(n)的关系为：

把相位转换为参考信号输出：

鉴频器、环路滤波器I、DCO构成一个反馈控制系统。在初始阶段，导频信号和参考信号在鉴频器相乘，结果正数或者负数，正数控制DCO输出参考信号频率加大，负数控制DCO输出参考信号频率降低，因此参考信号的频率变大或者变小，经过一个动态变化的过程，最后参考信号的频率稳定下来。达到稳定后，参考信号的频率与导频信号一致，鉴频器输出直流信号和高频次信号和噪声，其中直流信号的大小与导频信号与7.5kHz的差成正比。经过环路滤波器I低通滤波器后，这个直流信号通过DCO控制参考信号的频率，使参考信号跟随导频信号的变化。

当导频环路稳定后，导相环路也进入初始化阶段。

正交解调模块中余弦通道、环路滤波器II、DCO构成导相环路，是另一个反馈控制的锁相环。余弦通道解调信号既是解调信号又是相位参考信号。解调是乘法运算，导相信号和参考信号的相位差信号通过环路滤波器II调节DCO，使DCO输出的相位发生变化，这个相位被乘2倍后形成相位参考信号。通过这样的反馈调节，最终使参考信号和导相信号的相位差为零，即锁定导相信号。

4、锁相环锁定判断模块

锁定判断模块的输入是正交解调模块的两路输出，即余弦通道解调输出和正弦通道解调输出。如图3，锁定判断模块先对两路输入进行数字IIR低通滤波，然后降采样，最后比较两路输出绝对值大小。这两路输出绝对值依然分别称为余弦通道输出和正弦通道输出。判断准则为：当余弦通道输出大于正弦通道输出，则判断解复用器处理结果有效，否则判断为无效。

5、输出低通滤波抽取模块

输出低通滤波抽取模块采用三个同样的数字FIR低通滤波器。全向通道、余弦通道、正弦通道最后都进行低通滤波抽取，去除高频分量，降低采样率，分别输出全向信号、北南信号和东西信号。

以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。