CN107579940A - 基于感应耦合温盐深链多节点信道模型的多载波通信算法 - Google Patents

Abstract

本发明针对深海感应耦合温盐深传输信道，采用多载波通信技术提高信道的带宽利用率，从而提高信号的传输速率。首先根据实际测量的信道模型验证了感应耦合信道多节点电路模型的准确性，然后讨论水下传感节点数、海水阻抗参数等关键参数对信道特性的影响，最后设计了多载波通信算法，并在多节点感应耦合信道模型上进行了仿真验证，通过误码率验证了本算法的可行性。

Description

基于感应耦合温盐深链多节点信道模型的多载波通信算法

技术领域

本发明以感应耦合温盐深链多节点信道为原型，建立了感应耦合温盐深链的多节点信道电路模型研究其信道特性，并设计了适合信道的多载波通信算法，为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，为提高感应耦合温盐深链的传输速率和可靠性提供了实验依据。

背景技术

海洋是重要战略空间和后备资源宝库，对保障国家安全、缓解资源紧缺、调节全球气候有至关重要的作用。深海(水深大于300米)海域约占世界海洋总面积的88％，蕴藏着丰富的资源。因此，大力发展深海环境观测/监测技术，建立海洋环境要素观测网，进行长期原位的实时观测/监测和数据信息获取，对于提高我国海洋环境保障能力，打破海洋环境信息的不对称局面，保障国家海洋环境安全具有重大现实意义。电缆直连传输方式，需要解决电缆水密性、多节点通信可靠性以及通信缆与锚系水下缠绕的问题。无线传输方式中光传输距离有限、声传输造价高、可靠性低、同步性较差。感应耦合数据传输技术，介于上述两种方法之间，基于感应耦合原理，以海水、定点观测平台的系留缆为传输介质，把锚系作为传输环节的一部分，没有电缆连接，具有全天候实时采集传输海洋环境观测数据的优点。

在国内，国家海洋技术中提出了感应耦合数据传输***，并进行了感应传输链低功耗控制***设计，目前该技术已经成功应用在1000米水深的海洋环境中，传输速率为1200bps。刘敬彪等人采用DPSK技术也完成了200m距离的海域实验，在国外，基于感应耦合原理的传输***已拥有多种类型的成熟的产品，现阶段，美国的SBE-BIRD和加拿大的RBR公司掌握感应耦合传输技术并实际应用到海洋监测中。SBE-BIRD公司的感应耦合传输***与其他设备有标准接口，可集成在一起，实现多达100个传输节点的实时数据传输，传输速率可达9600bps。RBR公司的感应耦合数据传输***与声学传输方式或电缆传输相比，性能优越，价格适中，传输速率可达4800bps。本发明通过所设计的多载波通信算法提高了信号传输的速率和可靠性，为提高感应耦合海洋通信***的信道传输特性提供了一种新的研究思路。

发明内容

本发明的目的是建立感应耦合温盐深链多节点信道模型，分析其信道特性，并设计适合感应耦合信道传输的多载波通信算法，提高信号传输的传输速率和可靠性。

本文针对深海感应耦合温盐深传输信道，建立了其多节点信道模型，根据信道模型理论计算出信道的幅频和相频曲线，并用扫频法实际测量得到的幅频和相频曲线验证了理论模型的准确性。然后讨论水下传感节点数、海水阻抗参数等关键参数对信道特性的影响，最后设计了多载波通信算法，并在多节点感应耦合信道模型上进行了仿真验证，通过误码率验证了本算法的可行性。

本文以感应耦合温盐深链信道为研究对象，设计的多载波通信算法有效的提高了信号的传输速率和可靠性。该发明为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，并对提高感应耦合传输速率和可靠性具有重要的理论指导意义。

本发明的技术方案：

本发明基于感应耦合温盐深链多节点传输信道，发明了适用于该信道传输的多载波通信算法以提高信号的传输速率和可靠性。可表述为，利用MATLAB软件计算了理论电路模型的幅频和相频特性，并用该模型验证了多载波通信算法的可行性。

本发明提供的基于感应耦合温盐深链多节点传输信道的多载波通信算法，具体步骤是：

第1步、建立多节点信道模型并计算其幅频相频特性

首先建立感应耦合信道多节点电路模型，然后根据其电路模型计算信道的幅频和相频特性。然后利用Agilent 4294A阻抗分析仪测得表达式中的参数，代入表达式计算出多节点电路模型的幅频和相频特性，计算结果表明水下传感节点越多，信道衰减越严重；

第2步、利用扫频法测量信道幅频和相频特性验证单节点理论模型的正确性

利用Agilent 81150A信号发生器、LABVIEW软件和NI USB6259数据采集卡搭建信号幅频和相频特性的测试平台，并通过扫频法测量信号进入单节点信道前后1KHz～100KHz内不同频率下的幅值比和相位差，并用MATLAB编程对其进行拟合，得到信道幅频和相频特性，结果表明用扫频法实际测量得到的幅频和相频特性与通过电路模型理论计算得到的结果变化趋势一致，验证了单节点理论模型的正确性；

第3步、讨论水下传感节点数、海水阻抗参数等关键参数对信道特性的影响

根据第1步的计算结果，计算出不同节点和海水阻抗参数下的信道幅频和相频特性，分析节点数和海水阻抗参数对信道特性的影响；

第4步、设计适用于信道的多载波通信算法，并对其进行仿真验证

设计了适用于感应耦合信道的多载波通信算法，通过把信号源经过逆傅里叶变换后的结果实虚部相加的和发送至信道，提高了信号的传输速率。由第1步的计算结果知，信道***为高通***，因而将信号源之前补零，使有用信号处于高频的位置来降低信号传输的误码率。本课题采用MATLAB编程，信号源X(m)为100个二进制数，之前补900个零，使真正的信号源位于通信带，提高了信号传输的可靠性。通过MATLAB编程进行仿真验证，计算出了不同节点、阻抗参数和噪声量级下的误码率，验证了多载波算法的可行性；

本发明的优点和有益效果：

本发明针对感应耦合温盐深链信道建立了多节点信道模型，相对于单节点模型更能准确的描述感应耦合信道的特点，并设计了多载波通信算法，也克服了传统基于DPSK调制方式的单载波传输速率低的问题，提高了信道的带宽利用率。并通过对接收信号的误码率分析，验证了本算法的可行性。本研究为感应耦合温盐深链的信号传输提供了一种新的多载波传输算法，对提高感应耦合的信号传输的速率和可靠性具有重要的意义。

图1是感应耦合温盐深链装置示意图。

图2是基于感应耦合信道建立的理论电路模型，图(A)是单节点电路模型，图(B)是多节点电路模型。

图3是单节点信道的幅频和相频曲线的理论计算及实际测量结果。

图4是不同节点下幅频特性曲线的理论计算结果。

图5是不同节点和噪声量级下信号传输的误码率。

以下结合附图和通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

具体实施方式

实施例一

第1步、信道特性的理论计算

通过对信道进行理论建模，并根据所建立的电路模型进行计算，得到：

由公式(1)可得信道的理论幅频和相频特性分别为：

其中，L_i为T₁的初级绕组电感，L_c为单匝回路电感，L_o为T₂的次级绕组电感，R为水体电阻，R_o为输出电阻。

第2步、多载波通信算法的设计

根据耦合信道的传输特点，设计了相应的多载波算法，其理论推导如下所示：

设信号源为X(m)(m＝0，1，…，N-1)，对其进行逆离散傅里叶变换，得：

其实部和虚部分别为：

令其实部和虚部的和为y(n)，则

作为要发送的信号，经过信道后接收并对其进行离散傅里叶变换，得：

其实部为：

其中，当且仅当m＝k时，

所以

同理，计算得其虚部为：

对其实部和虚部作差得：

即还原成信号源。

第3步、多载波通信算法的验证

***为高通***，因而将信号源之前补零，使有用信号处于高频的位置来降低信号传输的误码率。本课题采用MATLAB编程，信号源X(m)为100个二进制数，之前补900个零，按照第2步的算法运算出y(n)，然后加到正弦载波上作为发送信号，经过改进后的信道模型后按照第2步计算得到X(k)后设置适合的判决电平进行判决后与信号源进行对比得到误码率。设每10米设置一个传感节点，则不同深度下节点数也不同，同时阻抗参数也随探测深度的变化而变化。在-60～-20dB不同的噪声量级下，n取不同的数值时，分别仿真计算出误码率。

仿真与分析结果

(1)由图中可以看出，在单节点理论电路模型下计算得到的***的幅值比随着频率的增加都呈现出逐渐增加的趋势，相位差随着频率的增加都呈现出逐渐下降的趋势，实际测量衰减更为严重。这是由于理论电路模型忽略了磁环线圈间的寄生电容等一些不便测量的阻抗参数和磁环线圈间的电阻等对信道特性影响较小的参数，但同电路模型计算结果呈现出基本相同的变化趋势，验证了理论电路模型的准确性。

(2)由图中可以看出，n取不同的参数时，信道的幅值比的衰减程度不同，这是因为n不同时，海水的阻抗参数也不同。n越大，衰减越大，与实际情况相符。

(3)由图中可以看出，在-60～-30dB的噪声范围内，n分别取1，10和100时的误码率最大为0.02，验证了多载波通信算法的可行性。

(4)通过这个实验还可以得出如下结论：水下传感节点数越多，信道衰减越严重。多载波通信算法适用于感应耦合信道，提高了信号传输速率和可靠性，为提高感应耦合海洋通信的传输速率和可靠性提供了实验依据。

Claims (4)

1.基于感应耦合温盐深链多节点信道模型的多载波通信算法，其特征在于具体步骤是：

第1步、多节点信道幅频和相频特性的理论计算

首先建立感应耦合海洋通信***的多节点电路模型，并根据其电路模型计算出信道的幅频和相频特性的表达式，然后利用Agilent 4294A阻抗分析仪测得表达式中的参数，代入表达式计算出幅频和相频特性；

第2步、利用扫频法验证单节点理论电路模型的正确性

利用Agilent 81150A信号发生器、LABVIEW软件和NI USB-6259数据采集卡搭建信号幅频和相频特性的测试平台，并通过扫频法测量正弦信号进入信道前后不同频率下的幅值比和相位差，得到信道离散幅频和相频特性，利用MATLAB编程对其进行样条插值拟合，得到信道连续幅频与相频特性，与理论计算结果进行对比，验证理论模型的正确性；

第3步、多载波通信算法的设计

设计了适用于感应耦合多节点信道的多载波通信算法，用于提高信号的传输速率和可靠性；

第4步、对多载波通信算法进行仿真验证

通过MATLAB编程，计算不同节点及噪声量级下信号的误码率，验证了多载波通信算法的可靠性；

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，通过建立多节点电路模型计算得到信道特性的理论表达式，用阻抗分析仪测量电路模型中的各个物理量的值后代入得到信道的理论传输特性。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，利用扫频法测量信道的幅频和相频特性验证理论电路模型的正确性。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于设计了适用于感应耦合多节点信道的多载波通信算法。