雙環雙通道接收數字式新算法的分析與設計

牛有田 李寧寧 曹向陶 賈 磊 王 政 謝迎濤 張優賢 李 玲 李丹丹

(河南師范大學物理與電子工程學院, 河南 新鄉 453007)

引 言

潛艇等水下航行器在水下安全航行時，其導航定位是非常必要的. 甚低頻(Very Low Frequency，VLF)無線電導航系統由于沒有航位推算法、慣性導航法的累積誤差而具有很大的優勢. VLF信號在地-低電離層波導中傳播[1-2]，傳播規律非常復雜. VLF頻段不僅可以應用于水下導航與通信[3]，而且可以應用于電離層探測、日食觀測[4]等領域. 在水下接收VLF導航信號通常采用交叉環天線，一般情況下，水下通信和導航采用其中的一個環，另一個環不用. 這造成了在某一個方向上接收的信號強，而在某些方向上接收到的信號微弱. 怎樣才能有效地利用雙環進行通信和導航就顯得非常有意義.

圖1 模擬信號“全向”接收信號組合示意圖

1 VLF導航信號的水下傳播與接收

1.1 VLF入水傳播基本特性

海水中電場水平分量

海水中電場垂直分量

根據以上結果，對于高導電的海水可進一步證明VLF入水傳播具有以下五大特性：

5) 折射系數極小，即海水介面折射損耗非常大，對于10～15 kHz該項損耗約達66～68 dB.

1.2 水下接收天線的基本形式及特性

針對前述的水下VLF波傳播的基本特性，在水下可有效接收的導航信號的基本電磁場分量為沿徑向的水平電場分量或橫向的水平磁場分量，接收徑向水平電場分量通常采用拖曳的水平電天線，接收橫向水平磁場分量通常采用環天線或磁性天線. 鑒于磁性天線屬于環天線類，故在此僅考慮環天線的接收特性. 環天線的特性有二：其一，等效高度極低；其二，天線具有方向性，幅度方向圖為“8”形方向圖,含兩個接收零點與兩個波瓣，且兩個瓣的感應信號相位相差180°.

1.3 克服環天線方向性不利影響的技術措施

為避免環天線方向圖零點無效接收情況的出現，在水下接收VLF信號通常采用交叉雙環天線. 在采用交叉環天線的情況下，為保證信號更有效的接收，通常有兩種技術措施供選擇：一種是選環，從交叉的雙環中選擇一個能最有效地接收信號的一個環作為實用的環，另一個環棄之不用，但怎樣才算“最有效”，需自定一個選擇的算法；另一種是將雙環的信號組合起來，形成無方向性接收，即全向接收，但如何“組合”也需設計一種“算法”.

相位響應也存在著方向性，這種方向性對水下信號的接收與測相也將產生重大影響. 如何克服或修正這種影響，也將是“選環”與“組合”算法設計所必須考慮的一個問題.

2 組合算法的設計與分析

為克服圖1中的技術障礙，設計了一種獨特的處理方法，即不在如圖1所示的“射頻”級進行“組合”，而是在正交同步檢波之后進行組合，從而有效地解決了這一難題.

令交叉雙環的幾何關系如圖2所示，圖中θ為信號到達方向.

圖2 交叉雙環幾何關系示意圖

2.1 “組合”算法推導

設環1感應信號為

S1=Acosθsin(ωt-φ)；

(1)

環2感應信號為

S2=Acos(θ-90°)sin(ωt-φ) .

(2)

式中：ω為信號角頻率；φ為信號傳播相延.

環1的正交同步檢波信號為sin(ωt+β)和cos(ωt+β)，β為檢波信號初相. 環1的同步檢波結果分別為

(3)

(4)

環1檢波信號的幅度為

(5)

環1檢波信號的相位為

(6)

(7)

環2的正交同步檢波信號為sin(ωt+β+90°)和cos(ωt+β+90°). 環2的正交同步檢波結果分別為

(8)

(9)

環2檢波信號的幅度為

(10)

環2檢波信號的相位為

(11)

(12)

雙環檢波信號迭加結果為

S=SS1+SS2

(13)

C=SC1+SC2

(14)

組合信號幅度為

(15)

組合信號相位為

(16)

(17)

2.2 分析與仿真

由以上結果可以看出，對于組合信號幅度A：

組合信號幅度A與來波信號到達方向θ無關，即實現了全向接收.

對于組合信號相位Φ：

1) 組合信號相位Φ除了與信號相位φ有關以外，還與同步檢波信號初相β以及來波到達方向θ有關；

2) 為從組合信號中提取信號相位φ，必須消去檢波信號初相β以及信號到達方向θ；

3) 在采用測距差的導航定位體制中，β可自動消除；

4) 為消去θ，必須解決θ值的準確預測問題. 鑒于θ僅取決于交叉環天線的取向、發收點的幾何關系，且這些量在實用中都可已知，所以，θ值的預測不存在技術難題.

實際上，由式(5)～(7)和(10)～(12)可以看出：雖然單環檢波信號的幅度與來波到達方向θ有關，但是單環檢波信號的相位與來波到達方向θ無關. 所以，在求信號的相位時，可以采用信號幅度較大的環，同樣在采用測距差的導航定位體制中，β可自動消除，這樣計算原始信號的初始相位更簡便.

為了驗證數字式新算法的有效性，利用Matlab7.0.1 Simlink進行了仿真[8]. 圖3為雙環雙通道數字式新算法的Simlink仿真圖，Sine Wave1和Sine Wave2為頻率為12 kHz的正弦波，可以作為原始信號，在此采用數字信號形式，其幅度設為10，初始相位φ設為π/4. 角度Ceita作為來波信號到達方向θ，設為π/12. Vector Scope1和Vector Scope2示波器上顯示的信號可以仿真天線環1和環2上的感應信號. Sine Wave3、Cos Wave作為環1的正交同步檢波信號, Sine Wave4、Cos Wave1作為環2的正交同步檢波信號. 正交同步檢波信號的初始相位β設為π/6. 四個檢波低通濾波器采用Equiripple類型(即等紋波)的有限沖擊響應數字濾波器，其主要參數為：Filter Order，Minimum order；Fs，80 kHz；Fpass. 12 kHz；Fstop，12.1 kHz；Apass，1 dB；Astop，80 dB. A Display和Fai Display顯示的是組合信號的幅度(式(15))和原始信號的初始相位φ(公式(17))；Fai Display1和Fai Display2顯示的是分別由環1(式(7))和環2(式(12))單獨計算出的原始信號的初始相位φ.

圖3 雙環雙通道數字式新算法Simlink仿真圖

經過仿真可以發現，當來波信號到達方向改變時，交叉環天線的環1和環2上感應信號的幅度也都隨之改變，在0到10之間變化，即存在方向性. 新的數字式組合信號的幅度并不隨來波方向改變而改變，即實現了全向接收. 對于相位，可以看到：由組合信號相位計算出的原始信號初相位為0.785 3，即π/4，與原始信號設定的初始相位相等，但其計算需要來波方向角度Ceita的參與. 而由單環檢波信號計算出的原始信號初相位同樣為0.785 3，都與原始信號設定的初始相位相等，卻不需要來波方向的參與. 因此，后一種方法計算信號的相位更簡便.

3 雙環雙通道接收

根據以上的分析，基于軟件無線電技術的雙環雙通道接收機原理簡單的示意圖如圖4所示.

圖4 基于軟件無線電的雙環雙通道接收機原理示意圖

為確保有效的接收，以便確保水下導航定位達到盡可能的深度，選環遵循以下三個原則：

1) 在兩個環中選擇最強信號感應電平高者；

2) 在兩個環中選擇不同臺信號感應電平均衡者；

3) 在兩個環中選擇所有來波信號都處于環天線的同一波瓣中者.

為了確保最有效的接收，除了可選用“組合”算法與“選環”算法以外，還可采用“混選”算法. 該種算法與“選環”算法最根本的區別是：它不是從兩個環中選一個環，而是同時從兩個環中選取一組信號，使該組信號感應電平最強. 這組信號可來自不同的環不同的波瓣. 當采用這種算法時，為確保定位的可靠性，必須對來自不同環與不同波瓣的信號引入環天線不同波瓣180°相位突變的修正.

4 結 論

在雙環接收的具體實施中，不論選擇三種算法中的哪種算法，為確保定位的可靠性，都必須滿足如下兩項實施要求：①確保雙環雙信道兩者的總體幅相響應的均衡；②在A/D中應確保兩路信號的同時采樣. 該算法已經在我們研制的基于軟件無線電技術的VLF雙通道接收機中實現，完全達到了設計的要求. 另外，該設計方法不但可以用在VLF水下導航系統中，而且可以應用在VLF水下通信系統中，還可以用在其他水下航行器的控制與導航系統、遙控水雷的控制接收系統中.

[1] BUDDEN K G. The Waveguide Made Theory of Wave Propagation[M]. London: Cambridge University Press, 1961.

[2] KAISER A B. VLF propagation over long paths[J]. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1967, 29(1): 73-85.

[3] 郭定榮, 陸 洪, 陳 宇. 船載ULF/VLF對潛通信系統可行性分析[J]. 電波科學學報, 2011, 26(6): 1148-1152.

GUO Dingrong, LU Hong, CHEN Yu. The feasibility analysis of shipborne ULF/VLF submarine communication[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2011, 26(6): 1148-1152. (in Chinese)

[4] 牛有田, 陳建鋒, 郝好貞, 等. 1997-03-09日全食的甚低頻觀測與分析[J]. 河南師范大學學報:自然科學版, 2009, 37(2): 64-66.

NIU Youtian, CHEN Jianfeng, HAO Haozhen, et al. Observation and analysis of total solar eclipse of 1997 March 9 using VLF signal[J]. Journal of Henan Normal University: Natural Science, 2009, 37(2): 64-66. (in Chinese)

[5] 蔡 櫻, 張祖蔭. 甚低頻水下全向數字接收技術[J]. 艦船電子工程, 1999(6): 38-42.

CAI Ying, ZHANG Zuyin. All-around digital technique receiving VLF signals under water[J]. Ship Electronic Engineering, 1999(6): 38-42. (in Chinese)

[6] 王 偉, 郭大江. 甚低頻遙控水雷全向數字接收機的研究[J]. 現代電子技術, 2007(12): 1-3.

WANG Wei, GUO Dajiang. Research of all-around digital receiver based on very low frequency remote-controlled naval mine[J]. Modern Electronics Technique, 2007(12): 1-3. (in Chinese)

[7] 田育庶. “長河四號”VLF傳播綜合研究報告[R]. 青島: 中國電波傳播研究所, 1970.

[8] 張德豐. MATLAB/Simulink建模與仿真實例精講[M]. 北京: 機械工業出版社, 2010.