解调滤波器的软件设计

设计中心频率为6830Hz的带通滤波器，其阶数为8阶，采样频率为100kHz，通带范围内的幅值衰减为1dB、阻带最小衰减为30dB。根据以上参数来设计滤波器为：

将高阶的IIR滤波器转换为一系列二阶IIR滤波器的级联。从FDAtool中输出的分子系数为Num，分母系数为Den，增益为Gain。滤波器的传递函数如下式所示：



根据滤波技术要求在FDAtool中得到滤波阶数为8阶，系数采用4个二阶级联方式的IIR滤波器。这四个二阶级联的根本形式是一样的，只是在于它的系数不同，滤波程序的编写可以采用for循环的形式，循环4次就可以构成一个点的滤波。整体滤波的软件流程如图5所示。

图5 四阶带通切比雪夫滤波器软件编程流程图

本文通过调用MATLAB中Simulink的各功能模块构成数字滤波器的仿真框图。通过Simulink环境下的数字滤波器设计模块导入FDAtool所设计的滤波器文件，反复进行仿真，以得出最好的滤波效果。原始信号波形图和滤波后信号波形图分别是图6和图7所示。从图7中可以看到经过离散采样、数字滤波后分离出了7kHz的频率分量。


  图6 原始信号波形图                                   图7 滤波后信号波形图

解调结果与分析

采用上述解调方法，在单片机C8051F060编写解调程序，通过适配器完成在线调试，采用最终调试成功的解码软件进行解码测试。声波信号在可控偏心器中传输之后，接收端将接收到的信号进行调理、数据采集，采集信号的时域图如图8所示，然后进入到解调程序中进行解调，在MATLAB中绘制图形如图9所示。可以看出，接收端信号经过解码之后的码元是1010101010101010，与发射端的信息码是一致的，说明解调成功。

  图8 信号时域图                                           图9 解码后的波形图

结论

在复杂的井下环境中，信息准确实时的传输非常重要。本文采用2FSK技术处理旋转导向工具中的声波短传信号，相比于泥浆脉冲传输方式，信号传输速率更快。同时在接收端设计了IIR滤波器，有效地克服了采用电磁波传输时衰减严重的问题。此外，2FSK技术设备简单，解调方便，有利于推广使用。