CN106452470B - 一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统及除噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统，所述无线通信系统包括信号发射单元和信号接收单元，所述信号接收单元包括：一个设有开口的单匝环形天线，用于接收环境中的尖峰脉冲噪声；一个闭合的多匝环形天线，用于接收信号发射单元发射的相应频率的信号；所述单匝环形天线与所述多匝环形天线之间建立尖峰脉冲消除模块。

Description

一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统及除噪方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统及除噪方法

背景技术

通常，透地无线通信系统用于实现地面与地表下的直接通信，可实现地面指挥中心与工作在矿井下人员的实时通信，当发生巷道坍塌时对被埋人员的定位与救援，以及对地下环境包括管道泄漏、地层运动等的感知。同样，也可以在海水中实现无线通信。由于土壤、岩石、水等半导电媒质对电磁波的损耗随信号频率下降而减小，基于射频的移动通信不再适用，而甚低频、超低频段的电磁波将由于极低的信号频率衰减较弱。然后，甚低频电磁波信号传播具有链路长、信道环境复杂等特点，因此从发射、传播到接收整个过程来看，往往由于发射天线效率低、传输路径损耗大等原因，接收到的信号十分微弱，导致信噪比偏低，这其中信道噪声对整个过程的影响最大。

整个低频段的信道噪声的主要包括两部分，一是人文噪声，这类干扰来源于与电磁波有关的各种人类生产、生活活动，并随着国民经济和工农业的发展日趋严重；另一部分是自然噪声，来源于自然界中的辐射和影响电磁波的各种洗染现象，如雷电、太阳黑子爆发等。通过大量的测量和观察得知，甚低频通信系统的信道噪声已经不再是简单的高斯噪声，而具有显著的非高斯性，时域中表现为随机尖峰脉冲，这些尖峰信号的幅度、出现时刻、持续时间等都是随机的。对于理想冲激脉冲信号，理论上其频谱是无限宽的，实际上的甚低频噪声的脉冲虽不是理想冲激脉冲信号，却也是具有一定持续时间的尖峰信号，脉冲噪声的持续时间与噪声带宽有关，持续时间越小，带宽越大，且脉冲分量的影响是全频带的，直接决定了从频域里进行尖峰噪声消除的方法是不可行的。同时，尖峰脉冲在经过LC谐振接收回路后具有显著的暂态效应，表现为衰减振荡波形，这对通信系统的危害很大，会严重影响通信系统的稳定性和可靠性。

由于尖峰噪声对甚低频接收系统产生的影响与高斯噪声完全不同，针对高斯噪声的处理方法不再适用于甚低频通信系统。因此要改善甚低频通信系统信噪比、提高系统性能，需要准确地预知尖峰脉冲的幅值、到达时刻和持续时间等信息，并在基础上在时域内建立非高斯噪声模型，设计非线性接收机。

因此，需要一种能有效地在甚低频通信过程中消除非高斯尖峰脉冲噪声的无线通信系统及除噪方法。

发明内容

本发明的目的一方面在于提供一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统，所述无线通信系统包括信号发射单元和信号接收单元，所述信号接收单元包括：

一个设有开口的单匝环形天线，用于接收环境中的尖峰脉冲噪声；

一个闭合的多匝环形天线，用于接收信号发射单元发射的相应频率的信号；

所述单匝环形天线与所述多匝环形天线之间建立尖峰脉冲消除模块。

优选地，所述单匝环形天线与所述多匝环形天线为半径相同的环形线圈。

优选地，所述信号发射单元包括：信号发生器、编码器、调制器、功率放大器和匹配接口。

优选地，所述信号接收单元还包括：设置于单匝环形天线开口端的电流反馈运算放大器，用于测量单匝环形天线开口端的感应电压；

与多匝环形天线连接的调谐电容和电压放大器；

第一高精度AD转换器、第二高精度AD转换器；

数据存储器。

优选地，所述第一高精度AD转换器用于采集所述单匝环形天线接收的环境中的尖峰脉冲噪声；

所述第二高精度AD转换器用于采集所述多匝环形天线接收的信号发射单元发射的相应频率的信号。

优选地，所述第二高精度AD转换器采用100KHz的采样频率。

本发明的另一个方面在于提供一种尖峰脉冲噪声的消除方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：所述单匝环形天线接收环境中的尖峰脉冲噪声；所述多匝环形天线接收信号发射单元发射的相应频率的信号；

步骤2：对接收到尖峰脉冲噪声和信号发射单元发射的相应频率的信号采集数据；

步骤3：对采集的的尖峰脉冲噪声数据进行时域截断处理得到截断数据；

步骤4：所述尖峰脉冲消除模块利用所述截断数据表征尖峰脉冲噪声，并消除多匝环形天线接收到的尖峰脉冲噪声。

本发明提供的一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统及除噪方法适用于甚低频通信，有效消除甚低频通信的尖峰脉冲噪声，改善信噪比、提高系统性能。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统的信号发射单元和信号接收单元；

图2示出了本发明的信号发射单元框图；

图3示出了本发明的信号接收单元框图；

图4示出了本发明尖峰脉冲噪声消除方法的流程图；

图5示出了本发明单匝环形天线的等效电路图；

图6示出了本发明多匝环形天线的等效电路图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

在下文实施例中，应当理解，对于结构以及连接方式的叙述应当为本领域技术人员可以理解并易于想到的。

如图1所示本发明消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统的信号发射单元1和信号接收单元2，其中，信号发射单元内设置信号发射天线11，信号发射天线采用本领域技术人员可以想到的所有信号发射装置；

信号接收单元包括：

一个设有开口的单匝环形天线22，用于接收环境中的尖峰脉冲噪声；

一个闭合的多匝环形天线21，用于接收信号发射单元发射的相应频率的信号。

所述单匝环形天线22与所述多匝环形天线21为半径相同的环形线圈。

如图2所示本发明的信号发射单元框图，信号发射单元包括但不限于信号发生器12、编码器13、调制器14、功率放大器15和匹配接口16。在一些实施例中，信号发射单元还可以设置控制器和语音模块控制信号发射。本实施例中，信号通过信号发生器12产生，经过编码器13、调制器14、功率放大器15和匹配接口16将放大后的信号加载至信号发射天线11上发出信号。

如图3所示本发明的信号接收单元框图，信号接收单元包括单匝环形天线22和多匝环形天线21，以及

设置于单匝环形天线开口端的电流反馈运算放大器24，用于测量单匝环形天线开口端的感应电压；

与多匝环形天线连接的调谐电容23和电压放大器25；

与电流反馈运算放大器连接的第一高精度AD转换器26；

与电压放大器连接的第二高精度AD转换器27。

本发明中，单匝接收天线22接收环境中的尖峰脉冲噪声，采用20KHz采样频率的第一高精度AD转换器26对噪声采集；

多匝接收天线21接收信号发射单元发射的相应频率的信号，采用100KHz采样频率的第二高精度AD转换器27对信号采集。在一些实施例中，对于单匝天线接收的环境中的尖峰脉冲噪声，可以采用其他的采样频率的高精度AD转换器采集噪声(例如可以选用10KHz或30KHz采样频率的高精度AD转换器)。

信号接收单元设置数据存储器28，数据存储器28用于存储经过第一高精度AD转换器26采集的尖峰脉冲噪声和经过第二高精度AD转换器27采集的信号。

信号接收单元在单匝环形天线22与多匝环形天线21之间建立尖峰脉冲消除模块29，通过尖峰脉冲噪声消除模块29对采集到的尖峰脉冲噪声消除。

本实施例中，信号接收单元还包括解调器、解码器和信息接收器。

下文中具体结合本发明信号接收单元的等效电路，具体阐述本发明信道尖峰脉冲噪声的消除方法。

如图4所示本发明尖峰脉冲噪声消除方法的流程图，具体地，尖峰脉冲噪声的消除方法包括以下步骤：

步骤101：单匝环形天线接收环境中的尖峰脉冲噪声；多匝环形天线接收信号发射单元发射的相应频率的信号。

如图5所示本发明单匝环形天线的等效电路图；图6所示本发明多匝环形天线的等效电路图。本发明中，单匝环形天线为宽带天线，多匝环形天线为窄带天线，单匝环形天线接收尖峰脉冲噪声，采用电流反馈运算放大器在开口端测量单匝线圈的感应电压。本实施例中，单匝环形天线接收的尖峰脉冲噪声信息包括但不限限于：脉冲噪声出现的时刻、持续的时间以及脉冲噪声的幅值等。

多匝环形天线通过LC串联串联谐振接收信号发射单元发射的相应频率的有用信号。

本发明采用的单匝环形天线并没有形成闭合回路，因此单匝环形天线接收电路内并不存在电流，即多匝环形天线对单匝环形天线的性能没有影响。

同时，单匝环形天线可以接收环境中的尖峰脉冲噪声，而对信号发射单元发射的有用信号的接收却十分微弱。

基于基尔霍夫电压定律可以得到：

其中，L为单匝环形天线线圈电感，R为单匝环形天线线圈电阻，N为多匝环形天线线圈匝数，c_p为多匝环形天线的匝间电容，C为多匝环形天线串联谐振电容，M为多匝环形天线对单匝环形天线的互感，一匝线圈在空间中的感应电动势为ε(信道尖峰脉冲噪声对一匝线圈产生的电动势)，单匝环形天线经过电流反馈运算放大器测得的感应电压为U₁，I₂为多匝天线内的电流。

步骤102：对接收到尖峰脉冲噪声和信号发射单元发射的相应频率的信号采集数据。

第一高精度AD转换器采集所述单匝环形天线接收的环境中的尖峰脉冲噪声数据。为了更加精确的描述尖峰脉冲噪声的特征，第一高精度AD转换器采用20MHz的高精度AD进行采集。

为减少数据存储器存储的数据量，对于没有尖峰脉冲时段内的数据随采随丢，只对尖峰出现时刻前后的数据进行存储。

第二高精度AD转换器采集所述多匝环形天线接收的信号发射单元发射的相应频率的信号数据。

信号发射单元发射的信号载波频率在甚低频段，本实施例中第二高精度AD转换器采用100KHz的采样频率足以保证数据的真实性和可靠性。

步骤103：对采集的的尖峰脉冲噪声数据进行时域截断处理得到截断数据。

通过公式(1)可以得到单匝环形天线的系统函数：

对单匝环形天线采集的数据采用时域截断函数窗进行时域截断处理得到截断数据，其中，函数窗的宽度足够的窄，以保证截断数据的有效性。

单匝环形天线经过电流反馈运算放大器测得的感应电压为U₁在多匝环形天线尖峰脉冲出现的零时刻受到影响。具体为：

U₁＝ε(t)+MI₂(0)w(t)

其中，ε(t)为环境中的尖峰脉冲，w(t)为时域截断处理的时域截断函数窗。

步骤104：尖峰脉冲消除模块利用所述截断数据表征尖峰脉冲噪声，并消除多匝环形天线接收到的尖峰脉冲噪声。

根据步骤3中得到的截断数据表征环境中的尖峰脉冲噪声(用代替)，通过在单匝环形天线与多匝环形天线之间建立的尖峰脉冲消除模块，将从单匝环形天线截取的截断数据求解出尖峰脉冲对多匝环形天线接收信号的的影响，从而消除多匝环形天线中的尖峰脉冲噪声。实施例中，尖峰脉冲消除模块对应的传递函数为：

上述实施例中，详细的说明了本发明消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统以及利用本发明的无线通信系统消除尖峰脉冲噪声的方法。

实施例中，通过单匝环形天线接收环境中的尖峰脉冲噪声，并对尖峰脉冲噪声进行时域截断处理得到截断数据。多匝环形天线接收发射单元发射的信号，并在单匝环形天线与多匝环形天线之间建立尖峰脉冲消除模块。尖峰脉冲消除模块通过截断数据求解多匝环形天线接收信号中尖峰脉冲的的影响，从而消除多匝环形天线中的尖峰脉冲噪声。

本发明无线通信系统及除噪方法能够适用于甚低频通信，特别是在透地通信过程中能够有效消除甚低频通信的尖峰脉冲噪声，改善信噪比、提高系统性能。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种消除信道尖峰脉冲噪声的无线通信系统，所述无线通信系统包括信号发射单元和信号接收单元，其特征在于，所述信号接收单元包括：

一个设有开口的单匝环形天线，用于接收环境中的尖峰脉冲噪声；

一个闭合的多匝环形天线，用于接收信号发射单元发射的相应频率的信号；

所述信号接收单元还包括在所述单匝环形天线与所述多匝环形天线之间建立的尖峰脉冲消除模块。

2.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述单匝环形天线与所述多匝环形天线为半径相同的环形线圈。

3.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述信号发射单元包括：信号发生器、编码器、调制器、功率放大器和匹配接口。

4.根据权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于，所述信号接收单元还包括：设置于单匝环形天线开口端的电流反馈运算放大器，用于测量单匝环形天线开口端的感应电压；

与多匝环形天线连接的调谐电容和电压放大器；

第一高精度AD转换器、第二高精度AD转换器；

数据存储器。

5.根据权利要求4所述的无线通信系统，其特征在于，所述第一高精度AD转换器用于采集所述单匝环形天线接收的环境中的尖峰脉冲噪声；

所述第二高精度AD转换器用于采集所述多匝环形天线接收的信号发射单元发射的相应频率的信号。

6.根据权利要求4或5所述的无线通信系统，其特征在于，所述第二高精度AD转换器采用100KHz的采样频率。

7.一种利用权利要求1所述无线通信系统的噪声消除方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：所述单匝环形天线接收环境中的尖峰脉冲噪声；所述多匝环形天线接收信号发射单元发射的相应频率的信号；

步骤2：对接收到尖峰脉冲噪声和信号发射单元发射的相应频率的信号采集数据；

步骤3：对采集到的尖峰脉冲噪声数据进行时域截断处理得到截断数据；

步骤4：所述尖峰脉冲消除模块利用所述截断数据表征尖峰脉冲噪声，并消除多匝环形天线接收到的尖峰脉冲噪声。