本發(fā)明涉及無線透地通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無線透地通信系統(tǒng)用于實現(xiàn)地面與地表下的直接通信，可實現(xiàn)地面指揮中心與工作在礦井下人員的實時通信。由于甚低頻、超低頻段的電磁波將由于極低的信號頻率衰減較弱，然后，甚低頻電磁波信號傳播具有鏈路長、信道環(huán)境復雜等特點，因此從發(fā)射、傳播到接收整個過程來看，往往由于發(fā)射天線效率低、傳輸路徑損耗大等原因，接收到的信號十分微弱，導致信噪比偏低，這其中信道噪聲對整個過程的影響最大。

通過大量的測量和觀察得知，甚低頻通信系統(tǒng)的信道噪聲已經(jīng)不再是簡單的高斯噪聲，而具有顯著的非高斯性，時域中表現(xiàn)為隨機尖峰脈沖，這些尖峰信號的幅度、出現(xiàn)時刻、持續(xù)時間等都是隨機的。同時，尖峰脈沖在經(jīng)過LC諧振接收回路后具有顯著的暫態(tài)效應，表現(xiàn)為衰減振蕩波形，這對通信系統(tǒng)的危害很大，會嚴重影響通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

由于尖峰噪聲對甚低頻接收系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與高斯噪聲完全不同，針對高斯噪聲的處理方法不再適用于甚低頻通信系統(tǒng)。因此要改善甚低頻通信系統(tǒng)信噪比、提高系統(tǒng)性能，需要準確地預知尖峰脈沖的幅值、到達時刻和持續(xù)時間等信息，并在基礎(chǔ)上在時域內(nèi)建立非高斯噪聲模型，設計非線性接收機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)，包括發(fā)射機和接收機：其中發(fā)射機包括單匝環(huán)形線圈、發(fā)射信息模塊、編碼器、調(diào)制器、功率放大模塊、匹配接口、核心控制器和發(fā)射天線；其中接收機包括由一個單匝環(huán)形線圈和一個多匝環(huán)形線圈組成的接收天線系統(tǒng)、電流反饋放大電路、電壓放大電路、高速采集模塊、數(shù)據(jù)存儲單元、信號處理單元、噪聲消除器、解調(diào)器、解碼器、核心處理器以及接收信息模塊；其中通過所述單匝環(huán)形線圈和多匝環(huán)形線圈具有相同輻射特性，分別作為寬帶天線和窄帶天線進行數(shù)據(jù)接收；通過對所述寬帶天線數(shù)據(jù)中尖峰脈沖部分進行時域截斷處理，并用截斷的寬帶數(shù)據(jù)來表征環(huán)境中的非高斯隨機尖峰噪聲；使用所述窄帶天線的傳遞函數(shù)作為寬帶模型和窄帶模型之間的系統(tǒng)函數(shù)，利用截斷處理后的寬帶數(shù)據(jù)求出環(huán)境尖峰噪聲對所述窄帶天線的影響，從而消除所述窄帶天線接受的信號中的非高斯尖峰噪聲。

優(yōu)選地，所述發(fā)射機還包括語音模塊、電源、鍵盤、交互界面模塊。

優(yōu)選地，所述接收機還包括語音模塊，以及電源、鍵盤和交互界面模塊。

優(yōu)選地，所述單匝和多匝環(huán)形線圈設置為幾十米長至幾千米長。

優(yōu)選地，測量環(huán)境中可設置多個所述系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述系統(tǒng)工作在半雙工通信方式。

優(yōu)選地，所述系低頻AD采集模塊工作在20kHz。

優(yōu)選地，所述高頻AD采集模塊工作在100kHz。

優(yōu)選地，所述非高斯隨機尖峰噪聲包括尖峰脈沖的出現(xiàn)時刻、幅值、相位、持續(xù)時間等信息。

根據(jù)本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)，使用窄帶天線系統(tǒng)的傳遞函數(shù)作為寬帶模型和窄帶模型之間的系統(tǒng)函數(shù)，利用截斷處理后的寬帶數(shù)據(jù)求出環(huán)境尖峰噪聲對窄帶系統(tǒng)的影響，從而消除窄帶接收系統(tǒng)中的非高斯尖峰噪聲，具有良好的信號處理效果。

附圖說明

為了更清楚的說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)的模塊化示意圖；

圖2示意性示給出根據(jù)本發(fā)明中的發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖和基本工作方式；

圖3示出了本發(fā)明中的接收機的結(jié)構(gòu)框圖和基本工作方式；

圖4(a)-4(b)示出了本發(fā)明中的接收機接收方式的等效電路模型。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例，可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

圖1示意性示出根據(jù)本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)的模塊化示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)100包含兩個主要模塊，即發(fā)射機110和接收機120。所述發(fā)射機110包括一個由單匝環(huán)形線圈111及其控制單元組成的發(fā)射天線系統(tǒng)，所述接收機120包括由一個單匝環(huán)形線圈121和一個多匝環(huán)形線圈122及其控制單元組成的接收天線系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在測量環(huán)境中可設置多個所述用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)100，并且所述系統(tǒng)100工作在半雙工通信方式。所述發(fā)射機110和接收機120的具體結(jié)構(gòu)框圖和基本工作方式圖2和圖3所示。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，上述單匝環(huán)形線圈和多匝環(huán)形線圈的長度可以設置為幾十米長至幾千米長。

圖2示意性示給出根據(jù)本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)的中發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖和基本工作方式。如圖2所示，發(fā)射機200包括單匝線圈201、發(fā)射天線202、發(fā)射信息模塊203、編碼器204、調(diào)制器205、功率放大模塊206、匹配接口207、電源208、交互界面模塊209、鍵盤210、語音模塊211、和核心控制器212。

具體地，單匝線圈201和發(fā)射天線202用于將要發(fā)射的信息或信號通過天線發(fā)射到外部。核心控制器212用于接收通過交互界面模塊209、鍵盤210、語音模塊211以各種方式輸入的信號，例如語音輸入、鍵盤輸入或交互界面(UI)的手勢輸入等等，經(jīng)過根據(jù)本發(fā)明的算法處理后發(fā)送到發(fā)射信息模塊203準備發(fā)送。發(fā)射信息模塊203將所述信號通過編碼器204編碼、通過調(diào)制器205調(diào)制、再經(jīng)過功率放大模塊206進行放大后，通過匹配接口207傳輸至單匝線圈201和發(fā)射天線202用于向外部發(fā)射信號。電源208用于給整個發(fā)射機200進行供電。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)的中接收機的結(jié)構(gòu)框圖和基本工作方式。如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明的接收機300包括由一個單匝環(huán)形線圈301和一個多匝環(huán)形線圈302組成的接收天線單元、電流反饋放大電路303、電壓放大電路304、高速AD采集模塊(分別為低頻AD采集模塊305和高頻AD采集模塊306)、數(shù)據(jù)存儲單元307、信號處理單元308、脈沖噪聲消除器309、核心控制器310、解調(diào)器311、電源312、交互界面模塊313、語音模塊314、解碼器315、鍵盤316以及接收信息模塊317、調(diào)諧電容318。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，低頻AD采集模塊305例如工作在20kHz，高頻AD采集模塊306例如工作在100kHz。

具體地，單匝環(huán)形線圈301用于接收低頻的外部信號，通過電流反饋放大電路303進行低頻信號的放大，放大后輸入到低頻AD采集模塊305中進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送到低頻數(shù)字信號處理單元308進行處理。

多匝環(huán)形線圈302用于接收高頻的外部信號，通過調(diào)諧電容318將信號進行調(diào)諧，然后通過電壓放大電路304進行高頻信號的放大，放大后輸入到高頻AD采集模塊306中進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，發(fā)送到脈沖噪聲消除器309進行處理。

低頻AD采集模塊305和高頻AD采集模塊306轉(zhuǎn)換后的信號可以臨時存儲在數(shù)據(jù)存儲單元307，以便根據(jù)需要進行調(diào)取后再進行下一步驟的處理。

將信號處理單元308處理后的低頻數(shù)字信號和高頻AD采集模塊306采集的高頻數(shù)字信號發(fā)送到脈沖噪聲消除器309中進行脈沖噪聲消除，以獲得平滑可靠的信號，然后通過解調(diào)器311解調(diào)，再通過解碼器315解碼后發(fā)送到接收信息模塊317，再發(fā)送至核心控制器310進行后續(xù)處理。

用戶還可以通過交互界面模塊313、鍵盤316、語音模塊314以各種方式與本發(fā)明的接收機300進行交互，例如語音輸入、鍵盤輸入或交互界面(UI)的手勢輸入等等，以便對接收到的信息進行處理。電源316用于給整個接收機300進行供電。

圖4(a)和圖4(b)示出了本發(fā)明中的接收機接收方式的等效電路模型。其中圖4(a)為本發(fā)明中的接收機中單匝環(huán)形線圈的等效電路模型；圖4(b)為本發(fā)明中的接收機中多匝環(huán)形線圈的等效電路模型。如圖4(a)和圖4(b)所示，用于無線透地通信系統(tǒng)的脈沖噪聲測量與消除系統(tǒng)的等效電路，其中L為單匝線圈電感，R為單匝線圈電感，M為窄帶天線對寬帶天線的互感，N為窄帶天線線圈匝數(shù)，c_p表示窄帶天線的匝間電容，C為窄帶天線串聯(lián)諧振電容?？紤]一匝線圈在空間中的感應電動勢為ε(t)，且寬帶天線模型中電流型放大器測得的感應電壓為U₁，I₂為窄帶天線內(nèi)的電流，基于基爾霍夫電壓定律可以得到：

因此，如果能夠得到I₂/U₁，即“窄帶系統(tǒng)數(shù)學模型”，就可以進一步根據(jù)寬帶天線的數(shù)據(jù)實現(xiàn)接收系統(tǒng)尖峰噪聲的消除。在根據(jù)本發(fā)明的雙天線脈沖噪聲主動消除模型里，通過寬帶天線接收并表征脈沖噪聲的出現(xiàn)時刻、幅值等信息，為了能夠更加精確的描述脈沖噪聲的特征，使用20MHz的高精度AD進行采集，為減少存儲的數(shù)據(jù)量，對于沒有尖峰脈沖時段內(nèi)的數(shù)據(jù)隨采隨丟，只對尖峰出現(xiàn)時刻前后的數(shù)據(jù)進行存儲，以便通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)脈沖噪聲的消除。根據(jù)上述公式，可以求得本發(fā)明的寬帶天線的系統(tǒng)函數(shù)為：

當使用一個寬度足夠窄的窗函數(shù)，對寬帶天線的接收數(shù)據(jù)進行時域截斷處理，可以認為多匝窄帶天線只在尖峰脈沖出現(xiàn)的零時刻對單匝寬帶天線有影響，即

U₁＝ε(t)+MI'₂(0)w(t)

其中ε(t)為環(huán)境中的尖峰脈沖，w(t)為時域截斷窗函數(shù)。因此可以用時域截斷后的寬帶數(shù)據(jù)代替環(huán)境中的尖峰脈沖，即可以使用I₂/ε代替I₂/U₁。根據(jù)上述公式，可以得到本發(fā)明的雙天線時域主動降噪模型函數(shù)(即寬帶系統(tǒng)與窄帶系統(tǒng)之間的傳遞函數(shù))為：

本發(fā)明針對甚低頻通信信道中顯著的非高斯隨機尖峰脈沖噪聲，根據(jù)本發(fā)明的雙天線時域主動降噪方法和過程如下：所述接收器的單匝環(huán)形線圈和多匝環(huán)形線圈具有相同輻射特性，通過所述接收器的單匝環(huán)形線圈和多匝環(huán)形線圈分別作為寬帶天線和窄帶天線進行數(shù)據(jù)接收，通過對寬帶天線數(shù)據(jù)中尖峰脈沖部分進行時域截斷處理，并用截斷的寬帶數(shù)據(jù)來表征環(huán)境中的非高斯隨機尖峰噪聲，包括尖峰脈沖的出現(xiàn)時刻、幅值、相位、持續(xù)時間等信息；使用窄帶天線系統(tǒng)的傳遞函數(shù)作為寬帶模型和窄帶模型之間的系統(tǒng)函數(shù)，利用截斷處理后的寬帶數(shù)據(jù)求出環(huán)境尖峰噪聲對窄帶系統(tǒng)的影響，從而消除窄帶接收系統(tǒng)中的非高斯尖峰噪聲。

以上只是本發(fā)明較佳的實例，并非來限制本發(fā)明實施范圍，故凡依本發(fā)明申請專利范圍所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應包括于本發(fā)明專利申請范圍內(nèi)。