CN105680958B - 一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法。本发明采用双通道极窄带的带通滤波器与限幅比较器相结合的方法，分离水声遥控信号和环境干扰噪声，降低多途效应的影响；通过捕获脉冲信号的时间宽度以及对脉冲信号上升沿或下降沿的个数，直接计算信号的周期与频率，规避了离散Fourier变换(DFT)运算，避免了常规信号频率识别方法中的卷积运算，规避了大规模的浮点运算，使得在低功耗单片机硬件电路平台上实现运行，从而使信号处理系统的规模与功耗得到控制，而且处理结果的实时性得到提高。

Description

一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法

技术领域

本发明涉及频率识别技术领域，具体涉及一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法。

背景技术

水声遥控与水声通信是一种利用水下声信道传输信息的方法，而水下声信道是一种不均匀的、时变的、空变的随机衰落信道，多途效应和混响效应等海洋环境作用使水声换能器的收发信号产生畸变与起伏变化，同时海洋环境噪声对水声信号也是一种干扰。而从通讯论观点来看，小频移的相位连续的键控移频(frequency shift keying,简称FSK)技术有利于抗信道起伏与干扰。其基本实现方法是：采用两个频率分别为f₁和f₂的信号分别代表二进代码中的0和1，发射机用数字脉冲对这两个频率的信号进行调制，形成携带有二进制代码的二元调频信号发射出去；接收机将频率分别为f₁和f₂的信号分离出来，接收到频率f₁的信号就判决为0，接收到频率f₂的信号判决为1，这样就可以将二进制代码信息还原出来。因此，在海洋声信道条件与海洋环境噪声背景下，能否准确识别出水声调频信号的具体频率，是对水声遥控信号或水声通信信号进行有效解调的前提条件。

目前，常用的水声信号频率识别方法，是先通过A/D采样，将连续的模拟信号转变为离散的数字信号，输入到数字信号处理系统进行离散Fourier变换(DFT)运算得到信号的功率谱特性，再通过分析该功率谱特性得到信号频率的特征值，以此来完成信号频率的识别。而离散Fourier变换必然要用到卷积运算，在嵌入式系统平台上实现该算法时要涉及到大量的浮点运算，占用较多的硬件资源，影响信号处理的实时性。同时，上述方法对硬件电路平台的要求较高，系统规模与功耗要求也相应提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法，避免了常规信号频率识别方法中的卷积运算，快速简单的将不同频率的水声遥控信号识别。

一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法，设定水声遥控发射装置发出频率为f₁和f₂的水声遥控信号，采用如下步骤实现对频率为f₁和f₂的水声遥控信号进行识别：

步骤一、水声换能器接收包括水声遥控信号和环境干扰信号在内的声波信号，并将声波信号转换为电信号并放大后，输入到双通道极窄带的带通滤波器中；其中，带通滤波器通道1的中心频率为f₁，带通滤波器通道2的中心频率为f₂；

步骤二、采用双通道极窄带的带通滤波器，对水声换能器接收到的声波信号进行滤波；

步骤三、采用两个限幅比较器，分别对双通道极窄带的带通滤波器滤波后的两路连续声波信号进行离散化；并分别设定带通滤波器通道1和带通滤波器通道2对应的限幅比较器的比较门限电平阀值，进而将频率为f₁水声遥控信号与环境干扰信号分离，将频率为f₂水声遥控信号与环境干扰信号分离；并将分离后的离散信号输入两级反相器，形成两路规整的方波脉冲信号；

步骤四、将步骤三中获得的两路方波信号依次输入到单片机中具有捕获/比较功能的I/O端口，单片机捕获当前被捕获/比较的方波脉冲信号的所有上升沿或所有下降沿，计算方波脉冲信号的脉冲宽度，并通过计数器获得所有上升沿或所有下降沿的个数，将所述脉冲宽度除以所述个数，得到信号的周期，对信号周期取倒数，即可获得所述当前被捕获/比较的方波信号的信号频率；根据步骤四的方法，分别获得通滤波器通道1和带通滤波器通道2的信号频率；

步骤五、将步骤四中两个通道获得的信号频率对应地与水声遥控发射装置发出频率为f₁的水声遥控信号和频率为f₂的水声遥控信号进行比较，一旦通道1获得的信号频率与频率f₁相等且通道2获得的信号频率与频率f₂相等，则将两个通道的信号输出，并认为是期望的水声遥控信号；否则，返回步骤一，继续接收到的声波信号并进行判断。

较佳地，步骤三中设定比较门限电平阀值的方法为：限幅比较器比较门限电平阀值设置高于环境噪声的水平且低于水声遥控信号的幅度。

有益效果：

本发明采用双通道极窄带的带通滤波器与限幅比较器相结合的方法，分离水声遥控信号和环境干扰噪声，降低多途效应的影响；通过捕获脉冲信号的时间宽度以及对脉冲信号上升沿或下降沿的个数，直接计算信号的周期与频率，规避了离散Fourier变换(DFT)运算，避免了常规信号频率识别方法中的卷积运算，规避了大规模的浮点运算，使得在低功耗单片机硬件电路平台上实现运行，从而使信号处理系统的规模与功耗得到控制，而且处理结果的实时性得到提高。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为水声调频信号频率识别方法流程框图。

图3为信号处理算法框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法，本发明的主要思想在于：如图2所示，

水声换能器接收到脉冲形式的水声遥控(或者是水声通信)信号与环境干扰噪声，经过阻抗变换与放大后，进入双通道极窄带的带通滤波器，由于双通道极窄带的带通滤波器的中心频率分别是f₁和f₂，因此，水声遥控(或者是水声通信)信号将会无衰减地通过，而环境干扰噪声衰减抑制；经过双通道极窄带的带通滤波器后，双通道输出的两路信号将分别进入限幅比较器；该限幅比较器不同于常规的A/D采样电路。该限幅比较器除了将模拟连续信号离散化之外，还有将水声遥控信号与环境噪声初步进行分离的作用：即经过双通道极窄带的带通滤波器滤波后，环境噪声得到了一定程度的抑制，接收信号的信噪比得到了进一步的提高。而限幅比较器的比较门限阀值的值的选取范围是在高于环境噪声的对应的电压值，且低于水声遥控信号对应的电压值之间选取的。具体选取的数值根据要求设定，如果要求限幅比较器较为灵敏，则取值相对较小；若要求准确率，则取值相对较大。

水声遥控信号与环境噪声在经过限幅比较器的信号转变为高低电平离散信号，同时环境噪声干扰得到消除或抑制；之后，高低电平离散信号进入反相器，被反相器整形处理成更加规整的矩形方波脉冲信号。之后，单片机进行捕获，并获得方波脉冲信号的频率，并进行比较，进而实现频率识别的功能。

具体为：如图1所示：

设定水声遥控发射装置发出频率为f₁和f₂的水声遥控信号，并且水声遥控信号的幅度要远远大于环境噪声，通常比环境噪声高60分贝以上；

步骤一、水声换能器接收声波信号；由于环境中存在干扰，故水声换能器接收的声波信号包含由水声遥控发射装置发射的水声遥控信号和环境干扰信号，水声换能器将接收到的声波信号转变为电信号，并输入到阻抗变换与放大电路中，阻抗变换与放大电路将电信号放大后，输入到双通道极窄带的带通滤波器中；其中，带通滤波器通道1的中心频率为f₁，它只允许频率为f₁的信号无衰减地通过，其他频率的信号都得到衰减和抑制(包括频率为f₂的信号和环境干扰信号)。同样地，带通滤波器通道2的中心频率为f₂，它只允许频率为f₂的信号无衰减地通过。

步骤二、采用双通道极窄带的带通滤波器，对水声换能器接收到的声波信号进行滤波，起到分频网络的作用，将频率为f₁和f₂的信号分离开来。且声波信号在经过双通道极窄带的带通滤波器后，环境干扰信号被抑制衰减到较低的水平；同时，水声遥控信号经过带通滤波器后，信噪比得到进一步提高。

由于水声遥控发射装置发出的水声遥控信号的幅度要远远大于环境噪声，即使声波信号经过水下声信道的传播衰减后，在一定距离内，水声换能器接收到的仍然是正信噪比的信号，即水声遥控信号的幅度仍大于环境干扰噪声信号；之后，声波信号又由于双通道极窄带的带通滤波器起到的分频与抑制噪声的作用，这样一来，声波信号在经过双通道极窄带的带通滤波器之后，频率为f₁和f₂的水声遥控信号在幅度上要远高于环境干扰噪声。

步骤三、分别对双通道极窄带的带通滤波器滤波后的两个连续声波信号进行离散化；由于频率为f₁和f₂的水声遥控信号在幅度上要远高于环境干扰噪声，故采用限幅比较器，通过设置比较门限电平，将环境信号和水声遥控信号分离。

由于在水声学研究领域，不同海况下的海洋环境噪声水平都有相对应的长期观测统计数据，可以直接通过查图表得到。而限幅比较器由集成比较器电路构成，其反相端输入管脚为比较门限电平的设置端，其同相端输入管脚为待测信号的输入端。当同相端输入管脚的信号幅度大于反相端输入管脚的比较门限电平时，比较器发生翻转，输出高电平。因此，限幅比较器的比较电平参数可以按如下方式设置：

限幅比较器比较门限电平阀值设置高于环境噪声的对应的电压值，且低于水声遥控信号的对应的电压值。这样，环境噪声引起的干扰信号经过限幅比较器时，不会引起限幅比较器输出电平的翻转，因此，环境噪声干扰就会被限幅比较器自动筛除掉；而且，水声遥控信号经过限幅比较器时，就会引起幅比较器输出电平的翻转，转变为高低电平信号，在形式上表现为近似的脉冲方波信号。

限幅比较器输出的高低电平信号经过两级反相器，转变为规整的脉冲离散方波信号。

反相器作为一种门电路，本身具有一定的噪声容限电压，这个噪声容限电压是个额定值，当输入高低电平信号的高电平大于噪声容限电压时，反相器发生翻转，这样，经过两级反相器后，高低电平信号被进一步整形，使信号的上升沿与下降沿更加陡峭，转变为规整的脉冲离散方波信号。

步骤四、如图3所示，将步骤三中通道1和通道2获得的方波信号分别依次输入到单片机具有捕获/比较功能的I/O端口。单片机的捕获/比较端口在接收到通道1或通道2的方波信号后，根据公式(1)和公式(2)，分别获得通道1和通道2的信号频率；具体为：

通过判断方波脉冲信号的上升沿或下降沿，得到方波脉冲信号的脉冲宽度，并通过计数器获得所有上升沿或所有下降沿的个数，将方波脉冲信号的脉冲宽度除以个数得到信号的周期，如公式(1)：

Δt＝T·k (1)

其中，Δt为捕获的信号脉冲时间宽度，k为计数器对应累计得到上升沿或下降沿的个数，T为信号周期。已知Δt与k，则可以得到信号周期T。

然后对信号周期取倒数就计算出获得信号的频率f；

步骤五、将步骤四中通道1获得的信号频率与水声遥控发射装置发出频率为f₁的水声遥控信号进行比较，将步骤四中通道2获得的信号频率与水声遥控发射装置发出频率为f₂的水声遥控信号进行比较，一旦通道1获得的信号频率与频率f₁相等且通道2获得的信号频率与频率f₂相等，则将两个通道的信号输出，并认为是期望的水声遥控信号；否则，返回步骤一，继续接收到的声波信号并进行判断。

较佳地，在此过程中，多次分时段采集方波脉冲信号的脉冲宽度和波数，多次计算信号的频率并取平均值，水声信号频率识别的准确性与稳定性相应可以提高。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于对水声键控移频信号进行频率识别的方法，其特征在于，设定水声遥控发射装置发出频率为f₁和f₂的水声遥控信号，采用如下步骤实现对频率为f₁和f₂的水声遥控信号进行识别：

步骤一、水声换能器接收包括水声遥控信号和环境干扰信号在内的声波信号，并将声波信号转换为电信号并放大后，输入到双通道极窄带的带通滤波器中；其中，带通滤波器通道1的中心频率为f₁，带通滤波器通道2的中心频率为f₂；

步骤二、采用双通道极窄带的带通滤波器，对水声换能器接收到的声波信号进行滤波；

步骤三、采用两个限幅比较器，分别对双通道极窄带的带通滤波器滤波后的两路连续声波信号进行离散化；并分别设定带通滤波器通道1和带通滤波器通道2对应的限幅比较器的比较门限电平阈值，进而将频率为f₁水声遥控信号与环境干扰信号分离，将频率为f₂水声遥控信号与环境干扰信号分离；并将分离后的离散信号输入两级反相器，形成两路规整的方波脉冲信号；

步骤四、将步骤三中获得的两路方波信号依次输入到单片机中具有捕获/比较功能的I/O端口，单片机捕获当前被捕获/比较的方波脉冲信号的所有上升沿或所有下降沿，计算方波脉冲信号的脉冲宽度，并通过计数器获得所有上升沿或所有下降沿的个数，将所述脉冲宽度除以所述个数，得到信号的周期，对信号周期取倒数，即可获得所述当前被捕获/比较的方波信号的信号频率；根据步骤四的方法，分别获得带通滤波器通道1和带通滤波器通道2的信号频率；

步骤五、将步骤四中两个通道获得的信号频率对应地与水声遥控发射装置发出频率为f₁的水声遥控信号和频率为f₂的水声遥控信号进行比较，一旦通道1获得的信号频率与频率f₁相等且通道2获得的信号频率与频率f₂相等，则将两个通道的信号输出，并认为是期望的水声遥控信号；否则，返回步骤一，继续接收到的声波信号并进行判断。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中设定比较门限电平阈值的方法为：限幅比较器比较门限电平阈值设置高于环境噪声的水平且低于水声遥控信号的幅度。