Ask頻帶傳輸對深海走航xctd時變信道傳輸信號誤碼率的分析方法
【專利摘要】本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、濕度剖面儀的傳輸信道為原型，提出了一種ASK頻帶傳輸方式對傳輸信號誤碼率分析的方法。隨著探測深度、信號傳輸頻率和隨機噪聲的增加，傳輸?shù)臄?shù)字信號幅值衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響信號在ASK頻帶傳輸中的穩(wěn)定性。本發(fā)明闡述ASK幅值解調(diào)的方法，優(yōu)化了傳輸信道模型，分析2000m探測范圍內(nèi)XCTD信道阻抗參數(shù)的變化。利用MATLAB軟件分析隨機噪聲、XCTD信道時變參數(shù)和傳輸頻率對解調(diào)信號的影響，提出噪聲是影響ASK傳輸穩(wěn)定性的主要因素，并具體分析信號在大深度測量中解調(diào)后誤碼率的大小及產(chǎn)生原因。得出在2000m深海遠(yuǎn)距離小噪聲ASK頻帶傳輸過程中，增加信號傳輸頻率可以在一定程度上提高信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，該種傳輸條件最適合ASK頻帶傳輸方式。
【專利說明】
ASK頻帶傳輸對深海走航XCTD時變信道傳輸信號誤碼率的分 析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明W走航拋棄式溫度、鹽度、濕度(XCTD)剖面儀的傳輸信道為原型，提出了一 種ASK頻帶傳輸方式對傳輸信號誤碼率分析的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 拋棄式測量儀器主要的產(chǎn)品為溫度剖面儀(XBT)，溫鹽剖面儀(XCTD)，聲速剖面儀 (XSV)和海流剖面儀(XCP)等，其中XCTD最為常用，其整個系統(tǒng)信號傳輸部分由2000m的有線 信道構(gòu)成，單根傳輸線是直徑約為0.1 mm的平行漆包線，分別W螺旋電感的形式纏繞成兩個 線軸分別安裝在水下探頭和船上發(fā)射裝置內(nèi)部。探頭由位于船尾部的發(fā)射裝置發(fā)射入水， 并隨傳感器的下沉過程逐漸展開，探頭內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集器實時完成海洋環(huán)境參量的采集、 處理、傳輸并W數(shù)字信號的形式通過探頭內(nèi)的細(xì)傳輸線同步傳到船上，最終形成測量剖面 圖。目前時變信道傳輸?shù)姆€(wěn)定性是影響XCTD發(fā)展的主要問題，由于XCTD探頭下降速度快，纏 繞在線軸上的傳輸線不斷釋放，傳輸信道的參數(shù)隨放線長度不斷改變，由于XCTD信道具有 時變特性，在復(fù)雜的海水測量環(huán)境中對信號解調(diào)帶來極大困難，并且在放線過程中信號幅 值嚴(yán)重衰減，運種時變性破壞了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，信號崎變嚴(yán)重。
[0003] ASK頻帶傳輸方式作為主要通信技術(shù)手段一直被工程上廣泛的使用，相比基帶傳 輸方式具有很大的優(yōu)勢，但對于XCTD信道和復(fù)雜的環(huán)境特點，傳輸信號存在不穩(wěn)定問題，但 對該問題的深入分析卻很少。因此本發(fā)明本文首先闡述ASK解調(diào)的原理，建立了傳輸信道的 模型，選取關(guān)鍵測量點分析信道阻抗參數(shù)、傳輸頻率、隨機噪聲對ASK解調(diào)的影響并分析解 調(diào)后誤碼率產(chǎn)生的大小及原因，該方法的提出對分析XCTD時變信道傳輸性能的影響具有重 要的理論指導(dǎo)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是解決XCTD信道在ASK頻帶傳輸下的信號誤碼率特點，提出了一種 ASK頻帶傳輸方式對傳輸信號誤碼率分析的方法，找到適合該信道特點的ASK傳輸方式。
[0005] 本發(fā)明方法根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境建立了 XCTD傳輸信道的模型，并利用MATLAB軟件分 析XCTD在動態(tài)放線過程中ASK頻帶方式下的信號誤碼率特點，W及其影響的原因。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明提供的深海走航XCTD時變信道ASK頻帶傳輸下傳輸信號誤碼率的分析方 法，具體步驟是：
[000引第1步、信道對ASK調(diào)制傳輸?shù)挠绊懀綔y深度、信號傳輸頻率和隨機噪聲的大小是 影響XCTD信道調(diào)制輸出的主要問題，如圖1所示。
[0009] (1)在工程研制中的最低傳輸頻率為300Hz，如果傳輸頻率低于300Hz，水文數(shù)據(jù)采 集的時間分辨率不能滿足實時測量的要求，目前國外該設(shè)備的最大傳輸速率為2400bps，因 此本設(shè)計頻率范圍選擇低頻信號300Hz，W及高頻信號1200化，因此本文選用300Hz和 1200化為其兩個典型頻率。
[0010] (2)而2000m為目前XCTD的最大有效探測深度，因此本文對2000m的放線過程進(jìn)行 分析，選取200m、1800m為其兩個典型探測深度。
[0011] (3)而無論隨機噪聲還是突發(fā)噪聲對ASK調(diào)制輸出影響的關(guān)鍵問題還是幅值問題， 因此本文分析了不同量級噪聲對ASK調(diào)制產(chǎn)生的影響，由于海水為弱導(dǎo)體，可W做地線處 理，水下噪聲源往往通過海水地而大大減弱，但XCTD信號在上傳到海面附近后，會受到船體 設(shè)備工頻噪聲的影響，隨機噪聲的量級被大大提高，將淹沒有效信號，因此本文的噪聲量級 選用-60地、-20地兩個量級來模擬運兩個主要的噪聲幅值。
[0012] 第2步、ASK調(diào)制解調(diào)原理
[0013] 調(diào)制采用模擬調(diào)幅法，采用相干解調(diào)W降低解調(diào)信號的誤碼率，解調(diào)與調(diào)制使用 同一載波保證相干解調(diào)的同頻同相，由于解調(diào)后信號幅值衰減嚴(yán)重，在抽樣判決后添加一 個增益模塊，完成解調(diào)過程，并實現(xiàn)信號的誤碼率分析，整個實現(xiàn)過程如圖2所示。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：
[0015] 本發(fā)明針對于XCTD時變信道信號傳輸?shù)恼`碼率進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過對2000m 測量范圍內(nèi)投棄式深海測量儀器信號傳輸在放線過程中出現(xiàn)的幅值衰減進(jìn)行分析，可知隨 機噪聲、傳輸頻率、XCTD時變信道參數(shù)變化均引起信號幅值的衰減，其中噪聲是影響ASK頻 帶傳輸準(zhǔn)確性的主要因素，有效抑制噪聲量級的大小是解決ASK傳輸穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。在 2000m深海遠(yuǎn)距離小噪聲的ASK頻帶傳輸過程中，增加信號傳輸頻率可W在一定程度上提高 信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，該種情況下最適合ASK頻帶傳輸方式，對工程技術(shù)人員正確采用該種傳 輸方式具有重要的理論指導(dǎo)意義，同時對更好的了解XCTD工作狀態(tài)下信道對信號傳輸性能 的影響，W及對提高測量數(shù)據(jù)的精度和信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性具有重要的意義。
【附圖說明】
[0016] 圖1是走航投棄式XCTD信道特點及對ASK調(diào)制傳輸帶來影響的流程圖。
[0017] 圖2是XCTD信道ASK頻帶傳輸?shù)闹饕绊懸蛩睾蛯崿F(xiàn)原理圖。
[001引圖3是信道簡化電路模型圖。
[0019] 圖4是探測深度、信號傳輸頻率、噪聲量級對ASK頻帶傳輸誤碼率影響的波形圖，其 中
[0020] 圖A為傳輸頻率300Hz下增加探測深度與隨機噪聲對ASK頻帶傳輸?shù)挠绊?br>[0021] (a)探測深度200m，隨機噪聲-60地；（b)探測深度200m，隨機噪聲-20地；（C)探測深 度1800m，隨機噪聲-60地；（d)探測深度1800m，隨機噪聲-20地
[0022] 圖B為傳輸頻率1200化下增加探測深度與隨機噪聲對ASK頻帶傳輸?shù)挠绊?br>[0023] (a)探測深度200m，隨機噪聲-60地；（b)探測深度200m，隨機噪聲-20地；（C)探測深 度1800m，隨機噪聲-60地；（d)探測深度1800m，隨機噪聲-20地
[0024] 圖5是誤碼率分析圖(A)信號傳輸頻率為300Hz(B)信號傳輸頻率為1200化
[0025] W下結(jié)合附圖和通過實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明。
【具體實施方式】
[0026] 第1步、信道傳輸模型的建立
[0027] 根據(jù)放線過程中各參數(shù)的變化規(guī)律，對之前電路模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計如圖3所示。 XCTD的信道由水下線軸、展開傳輸線和水上線軸S部分組成，因而建立的信道電路模型由 S個子模塊組成。其中b、Rl、Cl是水下線軸的電路參數(shù)，R3、R4為放出的平行導(dǎo)線的電阻，C3 為放出的平行線的分布電容，L2、R2、C2為水上線軸的電路參數(shù)，負(fù)載端選用IMQ的電阻Ro, 由于XCTD信道傳輸線為雙股漆包線，纏繞方式、工作環(huán)境等影響因素完全相同，所W電路模 型具有上下對稱且對稱參數(shù)數(shù)值相等的特點。本文在建立信道模型的基礎(chǔ)上，分析該信道 對ASK調(diào)制方式產(chǎn)生的影響。
[0028] 對信道模型利用網(wǎng)孔電流法進(jìn)行S域的計算，假定在水下線圈和展開傳輸線、水上 線圈網(wǎng)孔中分別存在Il、l2的網(wǎng)孔電流，則可得到計算方程如公式(1)所示。
[0029]
(1)
[0030] Xi、X2分別為單股漆包線纏繞水上線圈和水下線圈產(chǎn)生的復(fù)阻抗，表達(dá)式為公式 (2)和(3)所示。
[0033] 則可計算信道模型的傳遞函數(shù)H(S)為：
[00川 似
[0032] (3)
[0034]
(4)
[0035] 由于在低頻信號時纏繞線圈的雜散電容可W忽略，而深海走航投棄式剖面儀的信 號波特率一般在幾 Ifflz左右，屬于低頻信號，則&與拉可簡化為：
[0036] Xi = bS+Ri (5)
[0037] X2 = L2S+R2 (6)
[0038] 由于電路模型上下對稱且對稱參數(shù)數(shù)值相等，則展開傳輸線電阻R3、R4可簡化為：
[0039] R3 = R4 = R (7)
[0040] 將其帶入傳遞函數(shù)中解得最終傳遞函數(shù)H(S)為：
[0041]
(8)
[0042] 其中；
[00創(chuàng) （9)
[0044] 第2步、ASK調(diào)制解調(diào)算法的設(shè)計與實現(xiàn)
[0045] 2ASK，也稱為二進(jìn)制振幅鍵控，振幅鍵控是利用載波變化來傳遞數(shù)字信息的，而其 頻率和初始相位保持不變。ASK信號是利用代表數(shù)字信息"0"或"r的基帶矩形脈沖去鍵控 (調(diào)制）一個連續(xù)的載波，有載波輸出時表示發(fā)送"1"，無載波輸出時表示發(fā)送"0"dASK的時 域表達(dá)式而W棄^ 苗械化巧化脈油皮列與正弦型載波的相乘，如公式（10)所示：
[0046] (10)
[0047] 式中，載波幅度為l;g(t)為碼元波形:Tb為碼元的寬度：《。為載波角頻率;ak為第k 個二進(jìn)制碼元，如公式(11)所示：
[004引
（。）
[0049] 在一般情況下，調(diào)制信號S(t)可W是具有一定波形形狀的二進(jìn)制基帶信號，由此 可W看出ASK對信道抗干擾能力和保持幅值的要求較高。調(diào)制采用模擬調(diào)幅法，采用相干解 調(diào)W降低解調(diào)信號的誤碼率，解調(diào)與調(diào)制使用同一載波保證相干解調(diào)的同頻同相，如圖2所 /J、- O
[0050] 第3步、ASK調(diào)制方式下XCTD信道的誤碼率分析
[0051] 信道對ASK調(diào)制傳輸?shù)挠绊?，探測深度、信號傳輸頻率和隨機噪聲的大小是影響 XCTD信道調(diào)制輸出的主要問題，本文選用300Hz和1200化為其兩個典型頻率，選取200m和 1800m為其兩個典型探測深度，選用-60地和-20地兩個量級來模擬運兩個主要的噪聲幅值， 通過ASK頻帶傳輸方式，通過現(xiàn)有的信道模型，來對傳輸信號進(jìn)行誤碼率分析，找到適合 XCTD信道模型的ASK頻帶傳輸方式。
[0052] 仿真與分析結(jié)果
[0053] (1)根據(jù)圖2的調(diào)制解調(diào)算法，本文對不同量級的隨機噪聲、不同的傳輸頻率和不 同探測深度對ASK頻帶傳輸影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，根據(jù)之前選取的特征點，首先將信號傳 輸頻率固定在300Hz，具體分析增加探測深度與隨機噪聲對ASK解調(diào)影響的波形圖，如圖4 (A)所示，具體的誤碼率分析值如圖5(A)所示。
[0054] 在探測深度為200m，隨機噪聲為-60地時，經(jīng)過ASK解調(diào)后信號誤碼率為0.1509,由 圖5(A-a)可知在近距離低頻小噪聲傳輸中解調(diào)信號存在一定失真，由于隨機噪聲幅值較 小，基本可W忽略，信號失真主要由信道參數(shù)與傳輸頻率的變化影響的。固定探測深度不 變，將隨機噪聲增加到-20地時，對比圖5(A-b)與圖5(A-a)可知誤碼率增加到0.3672,信號 傳輸?shù)目煽啃源蟠蠼档汀?br>[0055] 固定隨機噪聲為-60地不變，將探測深度從200m增加到1800m，在增加探測深度的 過程中信道中的容性參數(shù)逐漸增加而感性參數(shù)卻逐漸減小形成時變信道，對比圖5(A-c)與 圖5(A-a)可知經(jīng)ASK解調(diào)后誤碼率降到0.0003。同時對比圖5(4-(3)與圖5(4-6)可知在增加 探測深度的同時減小隨機噪聲，誤碼率降低99.92%，在低頻傳輸中對比探測深度的變化可 知隨機噪聲的變化對ASK解調(diào)準(zhǔn)確性的影響更大。固定探測深度為1800m，將隨機噪聲增加 到-20地時，對比圖5(A-d)與圖5(A-c)可知誤碼率增加到0.4399。對比圖5(4-(1)與圖5(4-6) 可知在低頻大噪聲傳輸中增加探測深度誤碼率增加16.53%。對比圖5(A-d)與圖5(A-a)可 知在低頻傳輸中同時增加隨機噪聲與探測深度誤碼率增加65.70%。
[0056] 分析傳輸頻率為1200化時增加探測深度與隨機噪聲對ASK解調(diào)的影響如圖4(B)所 示，具體的誤碼率分析值如圖5(B)所示。在探測深度為200m，隨機噪聲為-60dB時，解調(diào)信號 誤碼率為0.1512,如圖5(a)所示。探測深度不變，將隨機噪聲增加到-20地時，對比圖5(b)與 圖5(a)可知解調(diào)信號誤碼率增加到0.4630。
[0057] 固定隨機噪聲-60dB不變，將探測深度增加到1800m，對比圖5(c)與5 (a)可知解調(diào) 信號誤碼率降低到0.0002。將探測深度增加到1800m，同時將隨機噪聲增加到-20地，對比圖 5(d)與圖5(c)可知解調(diào)信號誤碼率增加了0.4662。對比圖5(d)與圖5(b)可知在高頻大噪聲 傳輸中增加探測深度誤碼率增加了 99.96%。對比圖5(d)與圖5(a)可知在高頻傳輸中同時 增加隨機噪聲與探測深度誤碼率增加了 67.58%。
[0058] 通過分析可知在遠(yuǎn)距離低頻小噪聲、遠(yuǎn)距離高頻小噪聲傳輸中，解調(diào)信號的誤碼 率較小，對ASK解調(diào)準(zhǔn)確性的影響較小;在近距離低頻小噪聲、近距離高頻小噪聲傳輸中，解 調(diào)信號的誤碼率較大，降低ASK解調(diào)的準(zhǔn)確性;在低頻大噪聲、高頻大噪聲傳輸中，解調(diào)信號 的誤碼率很大，嚴(yán)重降低ASK解調(diào)的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重降低信道傳輸質(zhì)量。
[0059] (2)對比圖5(A)和(B)可知，（a)在探測深度為200m，隨機噪聲為-60地，增加傳輸頻 率誤碼率增加了0.0003。（b)在探測深度為200m，隨機噪聲為-20dB傳輸時增加傳輸頻率誤 碼率增加了〇.〇958。（(3)在探測深度為1800m，隨機噪聲為-60地傳輸時增加傳輸頻率誤碼率 降低了 0.0001，（d)在探測深度為1800m，隨機噪聲-20dB傳輸時增加傳輸頻率誤碼率增加 0.0265。
[0060] 通過本文的分析可知，圖5中（C)在遠(yuǎn)距離小噪聲傳輸中增加傳輸頻率可W提高 ASK解調(diào)的準(zhǔn)確性，在該種情況下更加適合ASK調(diào)制傳輸?shù)墓ぷ鞣绞剑诮嚯x小噪聲、近 距離大噪聲、遠(yuǎn)距離大噪聲傳輸中增加傳輸頻率均降低ASK解調(diào)的準(zhǔn)確性，過大的誤碼率往 往會影響信號傳輸?shù)目煽啃浴?br>【主權(quán)項】
1. ASK頻帶傳輸對深海走航XCTD時變信道傳輸信號誤碼率的分析方法。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ASK頻帶傳輸對深海走航XCTD時變信道傳輸信號誤碼率的分 析方法，信道對ASK調(diào)制傳輸?shù)挠绊?，探測深度、信號傳輸頻率和隨機噪聲的大小是影響 XCTD信道調(diào)制輸出的主要問題。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的ASK頻帶傳輸對深海走航XCTD時變信道傳輸信號誤碼率的分 析方法，調(diào)制采用模擬調(diào)幅法，采用相干解調(diào)以降低解調(diào)信號的誤碼率，解調(diào)與調(diào)制使用同 一載波保證相干解調(diào)的同頻同相，由于解調(diào)后信號幅值衰減嚴(yán)重，在抽樣判決后添加一個 增益模塊，完成解調(diào)過程，并實現(xiàn)信號的誤碼率分析。
【文檔編號】H04B17/391GK105846927SQ201610343481
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】鄭羽, 尚應(yīng)生, 宋國民, 靳翔羽, 王曉瑞, 東磊
【申請人】天津工業(yè)大學(xué)