CN107612858A - 基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明以感应耦合温盐深链的传输信道为应用原型，提出了一种应用于海洋通信***中的多载波基带与FSK混合调制方法，并针对发明的通信协议设计了相应的时域滤波的接收解调部分，以此构成了完整的收发海洋通信***，利用matlab对该调制方法的可行性进行了验证，并且利用LABVIEW软件、实际的海洋耦合信道和matlab解调程序算法进行了实际测试。通过软件测试以及实际的信道***测试的理论上可以承受的最低信噪比是10db，误码率控制在千分之二以内，远远低于目前的信道通信环境，本方法的提出为感应耦合温盐深传输信道提供了一种简单可行的数据通信方法，该方法的实现可简化水下数据节点电路的复杂性，为降低通信***的功耗和延长***的寿命提供了一种新的思路。

Description

基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法

技术领域

本发明以感应耦合温盐深链的传输信道为应用原型，提出了一种应用于海洋通信***中的多载波基带与FSK混合调制方法，为感应耦合温盐深传输信道提供了一种简单可行的数据通信方法，该方法的实现可简化水下数据节点电路的复杂性，为降低通信***的功耗和延长***的寿命提供了一种新的思路。

背景技术

基于感应耦合信道的数据传输技术是海洋测量的重要的通信技术之一，是采用电磁感应原理实现的无接触水下信号传输信道***，它具有传输方式结构简单、成本低，传输距离远的特点，同时可以将传感器节点进行立体组网，实现更好的海洋监测作用。感应耦合海洋数据通信***主要由水下数据节点，数据传输信道和水上接收调制***三部分组成，其中水下数据节点由传感器、数据发送调制***组成；传输信道由耦合磁环(包括水上磁环和水下磁环)、传输缆和水体组成。在感应耦合海洋实际测量工作中，水下数据节点中的传感器完成对不同节点的海水温度、盐度、深度等信息的采集，并将数据经过数据发送调制***进行调制组包传到水下磁环，然后通过感应耦合传输到单匝线圈再传输到水上磁环，最后传输到水上接收调制***进行解调处理，由于水下节点长期工作在海洋环境中，简单可靠的调制技术对于降低***的功耗，延长***的工作寿命具有重要的意义。

数字信号的传输方式分为基带传输和带通传输，数字基带信号是指未经载波调制而直接传输数字基带信号，该通信技术具有简单可行的优点。频移键控(FSK)利用载波的频率变化来传递数字信息，其具有实现简单，抗噪声与抗衰减的性能较好等优点，在中低速数据传输中得到了广泛的应用。目前，中国所研发的感应耦合传输***即是以海洋环境、铁氧体材料的磁环、高强度的塑包钢缆为传输通道，应用ASK或DPSK的调制解调技术，实现数据信息的传输，其传输速率达到1200bps。相较于中国，其他国家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，掌握感应耦合传输技术并实际应用到海洋监测***的主要有两个公司，分别是美国的SBE-BIRD和加拿大的RBR公司。SBE-BIRD公司的感应耦合传输***与海流计、多普勒剖面仪等设备有标准串行接口，与遥测感应传输***可集成在一起，采用DPSK调制技术，其传输速率可达9.6Kbps。RBR公司的感应耦合数据传输***是将水下感应耦合发送器和水下仪器集成在一起，采用DPSK调制技术，其传输速率可达4.8Kbps。本方法采用基带和FSK混合调制技术，相比于ASK调制技术具有更好的抗干扰能力，相比于DPSK技术其结构更加简单。

发明内容

本发明的目的是通过对基带调制与FSK调制技术的深入研究设计出了多载波基带与FSK 混合调制的信号调制方法，以提高基于感应耦合温盐深链的海洋通信***数据的传输速率，降低通信***海底部分节点的功耗，延长电量的使用时间，提高整套***的使用寿命，以获得更大的海洋监测能力。

本发明依据基带调制技术和FSK调制技术进行了深入的理论分析，并根据感应耦合温盐深链的实际特点和海洋通信***的功耗需求，设计出了多载波基带与FSK混合的调制方法，具体规定为：首先整个调制采用基带方波调制，不加载波，以简化整个调制部分的电路结构；其次，整个信号方波由多种频率组成，第一个频率的方波构成整套发送信号的导波，周期数固定；后面的不同频率分别代表的不同类型的参数，每种方波的周期数分别代表该参数的数值；最后，将导波和其他参数波形组成一个信号包，组包发送。导波的作用是为接收部分提供识别、同步的作用，只用接收部分成功的识别出导波来，后面的数值才会被有效的接收，同时导波具有对水上水下节点电路频率校准的功能。后面的参数个数根据自身***需要进行设置，本发明基于感应耦合温盐深链，有温度、盐度、深度三种信号，因此本发明后面设置了三种不同频率的方波，每一种频率的方波代表一种参数，方波的周期数为该参数的发送数值大小。

本发明是基于感应耦合温盐深链的海洋通信***，并且结合基带调制与FSK调制的优势而产生的多载波基带与FSK混合调制方法，并在此基础上设计出了基于时域滤波器的接收解调***组成了一套完整海洋通信收发***。首先采用MATLAB软件上进行了仿真测试，验证了混合调制方法的可行性。此外利用LABVIEW软件、实际耦合信道对整个海洋通信收发***进行实际的实验室级测试，以验证在实际环境中的使用情况。该发明为海洋数据传输研究提供了一个新的方法，并对提高海洋通信***传输速率和降低功耗具有重要的实际意义，并对复杂海洋通信监测***提供了解决方案。

本发明的技术方案：

本发明基于感应耦合温盐深链的传输信道，结合基带调制和FSK调制各自优势，发明了多载波基带与FSK混合调制方法，并针对发明的通信协议设计了相应的时域滤波的接收解调部分，以此构成了完整的收发海洋通信***，利用matlab对该调制方法的可行性进行了验证，并且利用LABVIEW软件、实际的海洋耦合信道和matlab解调程序算法进行了实际测试。可表述为，利用LABVIEW软件编程设计数据调制算法程序调制发送程序和NI USB-6259 数据采集卡采集接收通过海洋耦合信道的已调数据，进而将接收到的数据保存起来，并通过接收解调算法程序还原发送数据。

本发明提供的基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法，具体步骤是：

第1步、设计发送调制部分

首先基于感应耦合温盐深链海洋通信***的信道特点，设计多载波基带与FSK混合调制方法，进行基带方波调制，不加入载波；方波频率部分采用类似FSK的频率变化方式，并且该信号只传输温度、盐度、深度四种参数，因此采用将四种不同频率的串行发送到信道中，第一个频率段为导波，周期数固定，导波的作用是起到引导、识别作用；后三个频率分别为海洋中的温度、盐度、深度的参数，周期数大小代表着参数值；四个频率为一组数据一起发送。

第2步、设计接收解调***

将已调信号分别通过四种不同频率参数的滤波器，提取出各频率的基带信号，然后分别对滤波器滤出的信号波形进行整形成方波，并利用上升沿进行计数，保存起来；如果首频率的周期数是跟发送的首频率波形的周期数一样，那将后面接收到的数据保存起来；如果不一样，丢弃后面的数据；

第3步、通信调制解调***加噪声测试

将数据发送***和数据接收***综合在一块，形成完整的通信收发***，利用MATLAB 进行测试仿真，对其加入高斯白噪声，输入3种温、盐、深数据量，通过调制***调制出相应的频率和周期数，设定***的信噪比，由解调***进行解调接收，解调出发送的对应的参数数值。测试结果表明基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法具有可行性，可以实现海洋通信***功能，能够在很低的信噪比的情况下保证很低的误码率。

第4步、加入实际感应耦合信道进行验证实验

利用LABVIEW软件设计发送调制***，即输入温度、盐度、深度三种参数的数值，调制出导波、温度、盐度、深度四种不同频率组合而成的方波信号，并加入高斯白噪声以模拟实际环境，将混合噪声的信号发送到实际的海洋通信感应耦合信道当中，并且利用NI USB-6259 数据采集卡对通过信道的信号进行采集。接收到的数字信号经过接收***程序进行解调处理，得到三个参数的具体数值。由实验结果可知，基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法能够在实际的海洋耦合信道中使用，具有一定的使用价值，这一结果和对***的仿真测试结果相一致，证明了仿真测试的准确性。

本发明的优点和有益效果：

本发明针对于感应耦合温盐深链以及海洋通信***对功耗的高要求，提出了多载波基带与FSK混合调制方法，该方法较其他数据通信方法来说，吸取了基带调制与FSK调制方式的优势，采用基带方波调制，再加上FSK的频率变化的特点，实现起来更加简单，而且考虑了各种海洋通信中所遇到的实际因素，更加满足实际的实际的海洋通信***的需求。多载波基带与FSK混合调制方法采用基带方波发送，不进行其它的载波调制，这大大简化了发送部分的硬件电路，也因此大大降低了发送模块的功耗，增加电池的使用时间，大大延长了数据传输***发送节点生命周期。此外采用类似于FSK的频率变化采用多频率组合方波，可以大大增大数据传输量，可以同时传输温、盐、深三种数据，或者根据需要对监测***进行扩展，增加参数值的数量，可以很方便的提高整个通信***的复杂度。解调部分，采用并行数据处理，并行放置四个滤波器，分别对数据进行滤波，提取出数据波形的基波，再进行整形计数，该方法非常适用于常用的fpga的并行优势，这样可以大大加快数据的处理速度，提高整个通信***的处理能力，降低整个***的功耗，提高整个通信***的使用周期。

附图说明

图1是基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制的海洋通信总体设计图，主要包括：(a)水上磁环部分，(b)传输钢缆，(c)水下磁环，(d)调制部分，(e)解调部分；

图2是算法实现流程图，图(a)是调制部分及其具体协议，图(b)是解调部分及其结构，图(c)为时域滤波器；

图3是海洋通信***的各节点波形还原，图(a)是发送出的原始方波，(b)加噪声的方波，(c)经过滤波后的方波，(d)经过整形以后的方波；

图4是误码率计算图，图(a)是误码率与信噪比的关系图，图(b)是误码率与发送频率的关系图；

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

第一步：设计发送调制部分

首先前导码选用30KHZ的方波，周期数设置为5000；温度信息采用100KHZ的方波，周期数设置为8000，；盐度信息采用50KHZ的方波，周期数设置为10000；深度信息采用80KHZ的方波，周期数设置为12000。按照串行的方式组包发送，先发送前导码，其次温度信息，再次盐度信息，最后深度信息的顺序，将这四种频率固定、周期数确定的方波组信号发送出去。

第二步：设计接收解调***

解调***由四种带通滤波器、整形器和计数器构成。滤波器阶数为100阶，分别用于滤出30KHz、100KHz、50KHz、80KHz的信号。由于经过滤波器的信号是正弦的，故采用一个整形器将它整形成方波。整形器的原理是，若输入信号的电压值大于某一阈值，则输出信号为高，若等于或低于该阈值，则输出信号为低。原则上，该阈值是一个大于零的电压值，故最后的输出方波占空比小于50％。最后采用一个计数器计数上升沿个数，便可以达到技术方波个数的目的，从而获取信号中蕴含的信息。

第三步：通信调制解调***加噪声测试

如第一步所叙述的设计出发送调制部分，导波频率为30khz，周期为5000；温度频率为 100KHz，周期数8000；盐度频率为50KHz，周期数为10000；深度频率为80KHz，周期数为12000；将所调制的信号串行输出，加入高斯白噪声，设置信噪比为8db，形成受到噪声干扰的输出信号，并将该信号输入到如第二部所述的接收解调***中，解调出相应的参数数值，并对解调出的数值与发送的数值相比较，计算出相应的误码。通过仿真测试，验证了基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法的可行性。

第四步：加入实际感应耦合信道进行验证实验

利用LABVIEW软件设计发送部分，输入温度、盐度、深度参数值，进而调制出导波30KHz 的方波，周期数设置为5000；温度参数采用频率为100KHz的方波，周期数设置为8000，；盐度参数采用频率为50KHz的方波，周期数设置为10000；深度参数采用频率为80KHz的方波，周期数设置为12000。将四种频率的方波通过模数转换器将数字信号转换为模拟电信号，输入到感应耦合信道中，并使用NI USB-6259数据采集卡对通过信道的信号进行采集。接收到的数字信号经过第三步叙述的接收***程序进行解调处理，得到三个参数的具体数值，并将得到的数值与发送数值进行比较，计算出误码率。该试验验证了基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法在实际中的可行性，并与仿真测试进行比较，这一结果和对***的仿真测试结果相一致，证明了仿真测试的准确性。

仿真与分析结果

(1)由图中可以看出，基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法结合了基带调制与FSK调制的优点，使用基带调制，结合FSK调制中的不同频率，每种频率代表一种参数值，周期数代表参数值。不加入调制载波，只进行基带调制，简化了发送调制的电路，降低了发送调制电路的功耗，延长了使用时间；采用多频率载波，可以发送多种参数数据，提高了数据传送量。

(2)由图中可以看出，信号的误码率会随着信噪比的降低而出现逐渐增大的趋势，当信号的噪声太大的时候会淹没有用的信号，造成信号干扰而有用信号无法提炼出来，为了使误码率处于在千分之二的范围，理论上信噪比最低为4db，实际测试中信噪比有所上升，达到 8db。

通过这个实验还可以得出如下结论：多载波基带与FSK混合调制方法可以简化电路，降低功耗，并且该传输***一次性组包发送温、盐、深多数据参数，传输信息量大，并且可以根据实际使用情况增加发送的参数，增加传输的参数量，扩大监控范围，这样可以延长整套***的使用寿命，为构建复杂海洋监测***提供了可行性方案。

Claims (5)

1.本发明提供的基于感应耦合温盐深链的多载波基带与FSK混合调制方法，具体步骤是：

第1步、设计发送调制部分

首先基于感应耦合温盐深链海洋通信***的信道特点，设计多载波基带与FSK混合调制方法，进行基带方波调制，不加入载波；方波频率部分采用FSK的频率变化方式，并且该信号中除导频外还需要传输温度、盐度、深度三种参数，因此采用将四种不同频率的串行数据发送到信道中，第一个频率段为导波，周期数固定，导波的作用是起到引导、识别和频率校准的作用；后三个频率分别为海洋中的温度、盐度、深度的参数，周期数的大小代表着温度、盐度、深度的参数值；四个频率为一组数据一起发送。

第2步、设计接收解调***

将已调信道分别通过四种不同频率参数的滤波器，提取出各频率的基带信号，然后分别对滤波器滤出的信号波形进行整形成方波，并利用上升沿进行计数，保存起来；如果首频率的周期数是跟发送的首频率波形的周期数一样，那将后面接收到的数据保存起来；如果不一样，丢弃后面的数据；

第3步、通信调制解调***加噪声测试

将数据发送***和数据接收***综合在一块，形成完整的通信收发***，利用MATLAB进行测试仿真，对其加入高斯白噪声，输入3种温、盐、深数据量，通过调制***调制出相应的频率和周期数，设定***的信噪比，由解调***进行解调接收，解调出发送的对应的参数数值。

第4步、加入实际感应耦合信道进行验证实验

利用LABVIEW软件设计发送调制***，即输入温度、盐度、深度三种参数的数值，调制出导波、温度、盐度、深度四种不同频率组合而成的方波信号，并加入高斯白噪声以模拟实际环境，将混合噪声的信号发送到实际的海洋通信感应耦合信道当中，并且利用NI USB-6259数据采集卡对通过信道的信号进行采集。接收到的数字信号经过接收***程序进行解调处理，得到三个参数的具体数值。

2.根据权利要求1所述的发送部分调制方法，其特征在于，多载波基带与FSK混合调制方法调制信号，采用基带方波调制，不经过载波调制，并采用FSK方式的多种频率组合调制，每种频率代表一种参数值，每种频率的周期数代表参数的数值大小。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，本调制方法发送协议为导波、参数1、参数2、参数3组合串行发送，导波频率和周期数固定，在整个发送数据的前部，后面接参数，每种参数频率不同，参数个数的多少可以根据需求任意扩展。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，在整个发送数据部分前部加入导波，其作用是为接收部分提供识别、同步的作用，只用接收部分成功的识别出导波来，后面的数值才会被有效的接收，同时导波具有对水上水下节点电路频率校准的功能。

5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，多载波基带与FSK混合调制方法是基于感应耦合信道温盐深链所发明的，适用于该类的海洋通信***中的参数扩展。