CN103532892A - 一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法 - Google Patents

Abstract

一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法，属于海上地球物理勘探技术领域。包括原始码的生成、组合码生成、最终编码的生成；原始码的生成：其中c为反馈系数，也是特征多项式系数，这些系数的取值为“1”或“0”，“1”表示该反馈之路连通，“0”表示该支路断开；反馈线的连接状态不同，就可能改变此移位寄存器输出序列的周期，c的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构；组合码生成：首先进行原始码优选对；然后进行组合码生成；最终编码的生成；根据其相关特性、组合码的数量及组合码的平衡性进行选择，生成最终的编码。本发明降低接收机噪声并提高其信噪比，同时有效克服多个应答器同时回应造成的互相干扰问题。

Description

一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法

技术领域

本发明涉及一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法，属于海上地球物理勘探技术领域。

背景技术

近年来，随着海上地震勘探的迅速发展，勘探工作量也在逐年增加，因此对海上声学定位系统及其配套产品提出了更多的需求和更高的要求。在这些要求中其中最重要的是通信距离的远近和通信的可靠性，而决定这两个关键指标的因素是系统的编码。目前多用户通信编码的主要有两种方式：频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）。频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路语音信息。为了实现双工通信，所以使用不同的频率。收发频率之间有一定的间隔。频分通信系统的优点是技术比较成熟，容易实现等。缺点是系统中不同时存在多个频率信号，容易产生互调干扰，以及保密性差等。时分多址是把时间分割成周期性帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是相互不重叠的），然后根据一定的时隙分配原则，发向多个用户的信号也都按规定在预定的时隙中发射，各用户在指定的时隙中接收，从合路的信号中提取发给它的信号。时分多址移动通信系统与频分多址移动通信系统相比具有抗干扰能力强，频率利用率高等优点。缺点是时分多址移动通信系统需要全网同步，技术比较复杂，海底应答器功耗较大。

发明内容

为了克服现有技术的不足,本发明提供一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法。

一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法,包括原始码的生成、组合码生成、最终编码的生成；步骤如下：

（1）原始码的生成

原始码是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制，又具有随机统计特性的二进制码序列。图1原始码发生器的原理结构，其中c为反馈系数，也是特征多项式系数，这些系数的取值为“1”或“0”，“1”表示该反馈之路连通，“0”表示该支路断开。反馈线的连接状态不同，就可能改变此移位寄存器输出序列的周期，c的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构。

原始码可以利用n级移位寄存器产生，可能产生的最长周期为

（2ⁿ-1）

设n级移位寄存器的初始状态为：a_-1a_-2…a_-n，经过一次移位后，状态变为a₀a_-1a_-2…a_-n+1，经过n次移位后，状态为a_n-1a_n-2…a₁a₀；再移位一次时，移位寄存器左端新得到的输入a_n可以写为

$a_n=c_1{a}_{n-1}\⊕c_2{a}_{n-2}\⊕...\⊕c_{n-1}{a}_1\⊕c_n{a}_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{a}_{n-i}$

其中，a_i（i=1,2,..n）为线性反馈移位寄存器的输出序列。

原始码虽然性能优良，但同样长度的原始码个数不多，且序列之间的互相关性不够好。原始码的性能非常接近理想的原始码，有很好的自相关特性，且产生原始码的方法简单易行，但在本通信系统中，原始码的互相关特性与自相关特性同样重要。理想情况的互相关特性是各用户的原始码相互正交(互相关为零)，但同周期的不同原始码之间存在较大的互相关峰值，如果直接用不同的原始码作为扩频地址码来区分应答器，则会产生很大的多址干扰，无法保证系统的通信质量。

（2）组合码生成

原始码优选对，是特性很好的原始码。但是，原始码能彼此构成优选对的数目很少，不便于在该系统中应用。所以设计一种原始码的组合码，由优选对的两个原始码逐位模2加得到，当改变其中一个原始码的相位（向后移位）时，可得到一新的组合序列。组合序列虽然是由原始码模2加得到的，但它已不是原始码，不过它具有与原始码优选对类似的自相关和互相关特性，而且构造简单，产生的序列数多，保证系统编码的数量。

首先进行原始码优选对

如果有两个原始码，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

则称这一对原始码为优选对。

然后进行组合码生成

组合码产生原理如附图2所示。图中原始码发生器1和2产生的原始码是一原始码优选对，原始码发生器1的初始状态固定不变，调整原始码发生器2的初始状态，在同一时钟脉冲控制下，产生两个原始码经过模2加后可得到组合码，通过设置原始码发生器2的不同初始状态，可以得到不同的组合码。

（3）最终编码的生成

根据实际需要，对产生的组合码根据其相关特性、组合码的数量及组合码的平衡性进行选择，生成最终的编码。

相关特性

对于周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，具有与原始码优选对相类同的自相关和互相关特性。组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时与原始码相同，具有尖锐的自相关峰；当1≤τ≤P-1时，与原始码有所差别，相关函数值不再是-1/P。所以选择组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时的组合码。

组合码的数量

周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，由于其中一个原始码不同的移位都产生新的组合码，共有P=2ⁿ-1个不同的相对移位，加上原来两个原始码本身，总共有2ⁿ+1个组合码。随着n的增加，组合码数以2的n次幂增长，因此组合码数比原始码数多的多，并且它们具有优良的自相关和互相关特性，完全可以满足实际工程的需要。本通信系统中考虑可扩展性，n取值为10。

平衡的组合码

平衡的组合码是指在一个周期内‘1’码元数比‘0’码元数仅多一个。平衡的组合码在实际工程中作平衡调制时有较高的载波抑制度。对于周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，当n是奇数时，2ⁿ+1个组合码中有2^n-1+1个组合码是平衡的，约占50%；其余的或者是‘1’码元数太多，或者是‘0’码元数太多，这些都不是平衡的组合码。当n是偶数（不是4的倍数）时，有2^n-1+2^n-2+1个组合码是平衡的，约占75%，其余的都是不平衡的组合码。

因此，只有约50%（n是奇数）或75%（n不为4的倍数的偶数）的组合码可以用到该通信系统中去。

本发明的优点是本系统通信中，不同应答器用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的互相正交的编码序列来区分不同的应答器，由于原始码是一组丰富的地址资源，这样就可以充分选取其中具有良好自相关性和互相关性的组合码作为不同应答器的地址码。系统具有以下优点：

1)系统的许多应答器共享同一频率，易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率。

2)通信容量大。

3)由于信号被扩展在较宽频谱上，因而可以减小多径衰落，抗干扰性强，误码率低。

4)隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。

采用该编码降低应答器发射功耗，降低接收机噪声并提高其信噪比，同时有效克服多个应答器同时回应造成的互相干扰问题。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，如图其中：

图1为本发明的原始码发生器原理图。

图2为本发明的组合码产生原理图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

实施例1：如图1、图2所示，

一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法，对各种窄带通信系统的干扰很小应答器编码，提高系统通信距离，增强系统通的稳定性和应答器的采收率，同时有效克服多个应答器同时回应造成的互相干信扰问题。

以一种应答器编码为例，对本发明作进一步详细说明。

（1）原始码的生成

原始码是一种可以预先确定并可以重复地产生和复制，又具有随机统计特性的二进制码序列。附图1原始码发生器的原理结构，其中c为反馈系数，也是特征多项式系数，这些系数的取值为“1”或“0”，“1”表示该反馈之路连通，“0”表示该支路断开。反馈线的连接状态不同，就可能改变此移位寄存器输出序列的周期，c的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构。

原始码利用10级移位寄存器产生，可能产生的最长周期为（2¹⁰-1）

设10级移位寄存器的初始状态为：a_-1a_-2…a_-n，经过一次移位后，状态变为a₀a_-1a_-2…a_-9，经过n次移位后，状态为a₉a₈…a₁a₀；再移位一次时，移位寄存器左端新得到的输入a₁₀可以写为

$a_{10}=c_1{a}_9\⊕c_2{a}_8\⊕...\⊕c_9{a}_1\⊕c_{10}{a}_0=\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{a}_{10-i}$

原始码虽然性能优良，但同样长度的原始码个数不多，且序列之间的互相关性不够好。原始码的性能非常接近理想的原始码，有很好的自相关特性，且产生原始码的方法简单易行，但在本通信系统中，原始码的互相关特性与自相关特性同样重要。理想情况的互相关特性是各用户的原始码相互正交(互相关为零)，但同周期的不同原始码之间存在较大的互相关峰值，如果直接用不同的原始码作为扩频地址码来区分应答器，则会产生很大的多址干扰，无法保证系统的通信质量。

（2）组合码生成

原始码的组合码，由优选对的两个原始码逐位模2加得到，当改变其中一个原始码的相位（向后移位）时，可得到一新的组合序列。组合序列虽然是由原始码模2加得到的，但它已不是原始码，不过它具有与原始码优选对类似的自相关和互相关特性，而且构造简单，产生的序列数多，保证系统编码的数量。

首先进行原始码优选对

如果有两个原始码，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

则称这一对原始码为优选对。

然后进行组合码生成

组合码产生原理如附图2所示。图中原始码发生器1和2产生的原始码是一原始码优选对，原始码发生器1的初始状态固定不变，调整原始码发生器2的初始状态，在同一时钟脉冲控制下，产生两个原始码经过模2加后可得到组合码，通过设置原始码发生器2的不同初始状态，可以得到不同的组合码。

（3）最终编码的生成

根据实际需要，对产生的组合码根据其相关特性、组合码的数量及组合码的平衡性进行选择，生成最终的编码。

相关特性

对于周期P=2¹⁰-1的原始码优选对生成的组合码，具有与原始码优选对相类同的自相关和互相关特性。组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时与原始码相同，具有尖锐的自相关峰；当1≤τ≤P-1时，与原始码有所差别，相关函数值不再是-1/P。所以选择组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时的组合码。

组合码的数量

本通信系统中考虑可扩展性，n取值为10。周期P=2¹⁰-1的原始码优选对生成的组合码，由于其中一个原始码不同的移位都产生新的组合码，共有P=2¹⁰-1个不同的相对移位，加上原来两个原始码本身，总共有1025个组合码。随着n的增加，组合码数以2的n次幂增长，因此组合码数比原始码数多的多，并且它们具有优良的自相关和互相关特性，完全可以满足实际工程的需要。

平衡的组合码

平衡的组合码是指在一个周期内‘1’码元数比‘0’码元数仅多一个。平衡的组合码在实际工程中作平衡调制时有较高的载波抑制度。对于周期P=2¹⁰-1的原始码优选对生成的组合码，有768个组合码是平衡的，约占75%，其余的或者是‘1’码元数太多，或者是‘0’码元数太多，这些都不是平衡的组合码。

因此，选取768个平衡组合码用于应答器编码。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海洋石油勘探声学定位应答器通信编码方法，其特征在于包括原始码的生成、组合码生成、最终编码的生成；步骤如下：

步骤（1）、原始码的生成：

其中c为反馈系数，也是特征多项式系数，这些系数的取值为“1”或“0”，“1”表示该反馈之路连通，“0”表示该支路断开；反馈线的连接状态不同，就可能改变此移位寄存器输出序列的周期，c的取值决定了移位寄存器的反馈连接和序列的结构；

原始码利用n级移位寄存器产生，可能产生的最长周期为（2ⁿ-1）

n级移位寄存器的初始状态为：a_-1a_-2…a_-n，经过一次移位后，状态变为a₀a_-1a_-2…a_-n+1，经过n次移位后，状态为a_n-1a_n-2…a₁a₀；再移位一次时，移位寄存器左端新得到的输入a_n写为：

$a_n=c_1{a}_{n-1}\⊕c_2{a}_{n-2}\⊕...\⊕c_{n-1}{a}_1\⊕c_n{a}_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{a}_{n-i};$

步骤（2）、组合码生成：

首先进行原始码优选对；

两个原始码，它们的互相关函数的绝对值有界，且满足以下条件：

则称这一对原始码为优选对；

然后进行组合码生成；

原始码发生器1和2产生的原始码是一原始码优选对，原始码发生器1的初始状态固定不变，调整原始码发生器2的初始状态，在同一时钟脉冲控制下，产生两个原始码经过模2加后可得到组合码，通过设置原始码发生器2的不同初始状态，得到不同的组合码；

步骤（3）、最终编码的生成；

根据其相关特性、组合码的数量及组合码的平衡性进行选择，生成最终的编码；

相关特性：

对于周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，具有与原始码优选对相类同的自相关和互相关特性；组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时与原始码相同，具有尖锐的自相关峰；当1≤τ≤P-1时，与原始码有所差别，相关函数值不再是-1/P；所以选择组合码的自相关函数R_n(τ)在τ=0时的组合码；

组合码的数量：

周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，由于其中一个原始码不同的移位都产生新的组合码，共有P=2ⁿ-1个不同的相对移位，加上原来两个原始码本身，总共有2ⁿ+1个组合码；随着n的增加，组合码数以2的n次幂增长，因此组合码数比原始码数多的多，并且它们具有优良的自相关和互相关特性；n取值为10；

平衡的组合码：

平衡的组合码是指在一个周期内‘1’码元数比‘0’码元数仅多一个；平衡的组合码在实际工程中作平衡调制时有较高的载波抑制度；对于周期P=2ⁿ-1的原始码优选对生成的组合码，当n是奇数时，2ⁿ+1个组合码中有2^n-1+1个组合码是平衡的，约占50%；其余的或者是‘1’码元数太多，或者是‘0’码元数太多，这些都不是平衡的组合码；当n是偶数（不是4的倍数）时，有2^n-1+2^n-2+1个组合码是平衡的，约占75%，其余的都是不平衡的组合码；选取768个平衡组合码用于应答器编码。

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