CN106568421A - 深海走航投弃式剖面仪长距离线性时变传输信道建模的新方法 - Google Patents

深海走航投弃式剖面仪长距离线性时变传输信道建模的新方法 Download PDF

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Abstract

本发明以走航投弃式温度、盐度、湿度剖面仪的传输信道为原型,提出了一种从信道本身出发无需对系统建模直接测试信道特性的方法。随着测量深度的增加,传输信道的阻抗参数发生很大的变化,这使得数据在传输过程中产生严重的畸变和衰减,严重影响了测量数据的准确性;由于XCTD传输信道的时变复杂特性,所以研究传输信道本身的特性对于数据传输的准确性有着非常重要的意义。本发明从XCTD信道本身出发,利用LABVIEW平台和数据采集卡,通过大量的实验数据统计得出固定深度上信道的幅频和相频特性,并对测量得到的信道传输特性进行验证,提出了针对信道传输特性和信号频率设计相应的通信方式,为此类仪器通信数据的准确传输提供了新的解决思路。

Description

深海走航投弃式剖面仪长距离线性时变传输信道建模的新 方法
技术领域
本发明以深海走航投弃式式温度、盐度、深度剖面仪(简称,XCTD)的传输信道为原型提出了一种对于该类型未知线性时变有线信道的幅频与相频特性的有效测量方法,最终建立了该类信道模型建立的新方法。
背景技术
XCTD是深海走航投弃式剖面仪的典型代表,其为一次性使用,由水上接收机和水下探头两部分组成,入水后探头中的传感器即开始测量,随着测量探头在水中的下沉(速度约3~5m/s),探头内部的数据采集器实时完成海洋环境参量的采集、处理和传输,以数字信号形式通过探头内的细传输线同步上传到船上接收机,最终形成测量的剖面图。由于环境的要求,深海走航投弃式测量仪器信号传输部分大多使用有线信道,随着探头的快速下降,原缠绕在线轴上的传输线不断释放,随放线长度不断变化,线轴的电感量不断减小,展开传输线线间电容不断增大,信道的电阻抗,线间电容对信号的完整性传输的破坏性越来越大,线上分布参数不断变化,不能保证稳定的信道,这种动态实时改变的信道阻抗特性破坏了信号传输的稳定性,信号畸变严重,严重影响了深海走航投弃式测量仪器信道传输的稳定性。尤其在高速率通讯时,常用的数字通讯方式已无法适用于这种情况,给信号解调带来极大的困难。
根据所做过的一些研究表明,XCTD下沉到一定深度后信号传输严重失真,因此本发明提出了针对深海走航投弃式剖面仪信道系统未知的情况下,从信道本身入手,利用信号处理的方法,直接对信道幅频和相频特性进行测量,形成了针对该类信道建模的新方法。本方法利用LABVIEW软件和NI USB-6259数据采集卡可以测量得到信道的幅频与相频特性,在信道模型未知的情况下得到信道的具体传输特性,并且可以利用测得的信道特性对接收到的信号进行恢复,从而可以进一步指导深海走航投弃式剖面仪的通信系统设计,提高信号传输的精确度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是解决XCTD在传输信号的过程中,时变信道对传输性能的影响,提出了一种在信道系统未知且无需建模的条件下,直接对信道系统进行测量得到信道模型的新方法。
本发明方法从信号本身入手,利用LABVIEW和NI USB-6259数据采集卡测量XCTD信道系统在一定探测深度下对不同频率的信号影响,得到XCTD信道在频率范围100Hz~10KHz内的幅频与相频特性。
本发明以深海走航投弃式仪中的典型代表XCTD传输信道为对象,考虑信道的复杂未知时变特性,测量信道在不同探测深度下的幅频与相频特性,从而能够在信道模型未知条件下,利用此方法直接对系统进行测量,得到了该信道的模型信号。并针对通过此方法得到的系统特性提出合适的通信方案,对接收到的信号进行恢复,提高在这种时变传输信道下通信系统传输准确性与稳定性,可以解决我国深海走航投弃式海洋环境监测仪器的技术发展瓶颈问题。
本发明的技术方案:
本发明基于深海走航投弃式仪中的典型代表XCTD传输信道,发明了一种应用LABVIEW软件和NI USB-6259数据采集卡直接测量未知复杂信道传输性能的方法,可表述为,采用LABVIEW软件和数据采集卡分析原始发送信号与经过信道的接收信号之间幅值和相位之间的关系,从而得到信道在一定探测深度下的对不同频率信号的影响,最好得到信道在一定有效通信频率范围内的对信号的影响,并通过实验验证测量结果的正确性。
本发明提供的深海走航XCTD时变信道对传输性能影响的测试方法,具体步骤是:
第1步、信道离散幅频与相频特性测量
本发明利用LABVIEW软件编程,采用NI-USB6259数据采集卡向不同探测深度下的XCTD信道输入端发送频率范围为100Hz,频率范围是100Hz~10K Hz,频率间隔为100Hz的正弦信号,并在该信道的输出端完成对信道输出信号的采集。根据信号与系统理论的傅里叶变换原理,原始发送信号和接收信号的计算得到不同探测深度下信号幅频和相频曲线。
第2步、信道连续幅频与相频特性曲线的建立
本发明根据上述步骤中所测得的离散的信道特性,利用三次样条插值法对信道特性进行拟合,得到不同探测深度下信道的连续幅频与相频特性。
第3步、利用测得的信道特性对方波信号进行恢复
由于目前对深海走航式XCTD的大深度测量过程中,为了提高数据传输的稳定性,减少数据传输的误码率,估计信道特性,分析信道的传输特性具有重要的意义。为了验证该方法对于信道特性测量的准确性,选择分别向探测深度为800m,1300m和1800m的信道发送100Hz方波,利用测得的信道特性对接收到的信号进行恢复,并与原始发送的方波进行比较,从恢复结果可以看出,利用测得的信道幅频与相频能够较好恢复出方波的形状。
第4步、利用测得的信道特性对复杂信号进行恢复
在实际通信应用中,信号很少是一个只含某个单一频率的简单信号,有可能是有很多频率的复合信号,因此为了验证测量得到的信道特性对复合信号的恢复性能,向1300m信道发送含有不同频率的三角波与正弦波的复合信号,得到800Hz复合信号和4KHz复合信号的恢复结果与原始发送信号进行对比,从结果对比可以看出800Hz的复合信号的恢复效果较差,恢复结果没有直接接收到的信号的效果好,而4KHz的复合信号的恢复结果真正接收到的信号的效果好。
本发明的优点和有益效果:
本发明针对于深海走航XCTD传输信道系统的动态传输特性会很大程度上影响信号传输的质量,并且当剖面仪下沉到一定深度后信号传输严重失真,对信道数据传输的完整性的破坏性越来越大;因此提出一种对深海走航式XCTD时变信道传输性能的测量方法。该方法省去了对信道建模所需的大量的仿真以及数学计算,直接利用信号系统的原理测量得到信道的传输特性,并利用方波对测量的得到的信道特性进行验证。最后通过测得的信道特性对于复合信号的恢复效果,提出可以根据传输信号的频率和信道特性来设计不同的通信方式。对于提高深海走航投弃式剖传输性能提供一定的理论指导意义。
图1测量装置图
图2是通过LABVIEW软件和数据采集卡测量得到的300m,800m,1300m和1800m信道的离散幅频与相频曲线。
图3是300m,800m,1300m和1800m信道的通过拟合得到的连续的幅频与相频特性曲线。
图4是测量拟合得到的800m,1300m和1800m信道对于100Hz方波的恢复结果与原始方波对比图。
图5是1300m深度下不同频率的复合信号的恢复比较。图中(a)800Hz传输频率的复合信号的原始波形,接收波形以及恢复波形对比图,(b)4kHz传输频率的原始波形,接收波形以及恢复波形对比图。
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
对于XCTD信道来说,由于其放线长度不断地发生变化,因此整个系统是一个复杂的时变系统,如果直接测量整个动态过程,不仅会增大实际测量的难度也会给实际测量带来各种各样的问题,影响测量效果,因此为了简化实验难度,增加测量的准确性,我们选择将放线长度固定下来,一旦放线长度固定,各种阻抗参数就固定,信道系统就是一个时不变的系统,更加有利于信道测量。
第1步、信道传输特性测量
对于未知的固定深度下的系统,假设其传递函数的为H(jw),发送信号为X(jw),系统接收信号为Y(jw),则
Y(jw)=H(jw)X(jw) (1)
其中H(jw)是角频率的复函数,可以写为:
如令
因此,(3)式中的|H(jw)|是角频率为w的输出与输入信号的幅值之比,也就是我们通常所述的幅频响应,是输出与输入信号的相位差,也就是相频响应。
为了更好的描述未知系统的传输特性,我们选用正弦函数作为信号源来对系统进行测试。已知x(t)=A1sin(w0t),其傅里叶变换为公式(5)。
X(jw)=Atjπ[δ(w+w0)-δ(w-w0)] (5)
由于正弦信号通过任何系统其都是正弦信号,只是相对于原始信号发生了值和相位的变化,设y(t)=A2sin(w0t+θ),傅里叶变换如公式(6)所示。
那么,根据式(3)可得
因此,如果向系统发送不同频率的正弦波,就能够得到系统在每个频率上对于输入信号的幅值和相位的改变,如果发送的频率足够的密集,那么就能够比较准确的得到系统的幅频和相频响应,从而更好的得到系统的特性。固定探测深度为300m,依次向信道发送频率间隔为100Hz,频率范围为100Hz~10KHz的正弦信号,利用LNBVIEW软件和NI USB-6259数据采集卡可以分别得到对应的幅值比和相位差,从而得到了探测深度为300m的信道在对应频率下的离散的幅频特性曲线。
改变XCTD仪器的探测深度,这样XCTD信道的系统函数也发生了改变,为了更好了解不同探测深度下的信道系统的传输特性,采用上述方法对信道进行依次测量,得到了不同探测深度下XCTD信道的离散幅频与相频特性。
第2步、信道连续幅频与相频特性曲线的建立
在上述方法中,为了全面、准确的掌握信道的特点,更加真实的还原信道特性,需要尽量减小测量频率问隔,增加测量的密集度,从而提高测量的准确度,但这与实际实验中尽量减少测量点,提高工作效率相矛盾;同时,即使在实验中所取的频率测量间隔足够精细,但是对于实际应用来说,这些参数彼此离散,只利用它们不能满足实际信号传输时的应用需求,因此为了解决这一问题,需要对已测得的数据分析处理,进行必要的插值、拟合来使测试得到的信道特性可以满足任何频率的要求。三次样条插值采用分段三次多项式拟合,根据三次样条插值的定义,相邻的三阶多项式二阶连续,可以很好的耦合,从而保证了拟合出的样条曲线在各点变化连续、平稳,比较符合实际物理信道模型的特点,所以三次样条插值既能够避免高次多项式带来的问题,又能够清晰的反映出XCTD信道的特点。因此综合考虑,采用三次样条插值法来拟合信道特性可以很好地满足要求。通过拟合得到了不同探测深度下的信道在100Hz~10KHz范围内的连续的幅频与相频特性曲线。
第3步、对测得的信道特性进行验证实验
为了验证测量结果的正确性与准确性,向信道的一端发送方波,同时利用接收端接收到的波形,并结合拟合出的信道的特性曲线检验能否恢复出原始发送的波形。选择方波的原因是方波频率分量丰富,除了包含基波以外还包含了无数个奇次谐波。因此,利用方波的这种特性,可以验证测量和拟合的结果。设固定探测深度下的信道的系统函数频域表示为H(jω),信道接收端接收到的信号的频域表示为Y(jω),则根据公式(2),(7)和(8),其中所以因此可得:x(t)=IFFT(X(jω))。按照上述原理,根据拟合出的信道特性和接收信号求得发送信号,通过计算可以求得发送信号,进而可以将求得的发送信号与已知的发送信号进行对比,来验证测得的信道幅频与相频的正确性。因此,分别向800m,1300m,1800m的信道一端发送频率为100Hz的周期性方波,按照拟合出的信道特性曲线,对接收到的不同测量深度信道系统的的信号进行处理和恢复,得到恢复结果。
第4步、利用测得的信道特性对复杂信号进行恢复
为了更好地模拟实际通信中信道对不同频率的复杂信号的的作用,向信道发送不同频率的复合信号,在接收端利用接收到的波形和拟合出的信道特性,对接收到的信号进行恢复。分别向1300m信道发送频率为800Hz和4KHz的复合信号,并对其接收到的信号进行恢复,发送信号,接收信号,以及恢复信号如图4所示。
仿真与分析结果
(1)由图中可以看出,所有的深度都能够恢复出方波的形状,这证明了通过测量和拟合得到的信道特性是正确的。其中得到的恢复方波的突起是由多个不同频率的正弦信号叠加的吉布斯效应所引起的,难以消除。
(2)由图中可以看出,800Hz的信号的恢复结果没有接收到的信号本身效果好,这是因为1300m信道的截止频率为1500Hz,信号频率小于信道系统的截止频率,因此,信道系统对其的影响较小,信号能够较好的通过,而恢复的波形中有较多的高频信号,这可能是在恢复过程中对接收信号中的高频噪声进行了放大,使得恢复结果不如直接接收得到的结果,因此,当信号频率小于1500Hz时并不需要对接收到的信号进行任何的处理,可以认为此时接收到的信号就是发送信号。而4KHz的信号的恢复结果要比接收到的信号效果好的多,原因是信号的频率是4KHz远大于信道的截止频率,此时信道对信号的滤波作用明显,把原始信号的高频特性滤除掉了,但是按照拟合出的信道的特性对接收到的信号进行恢复,能够较好的恢复出信号的高频特性,所以恢复的信号效果要比接收到的信号效果好的多。
(3)通过这个实验我们可以总结得到以下结论:在进行XCTD通信系统设计时,当所发送的信号的主频率小于1500Hz时,在接收端不需要对信号进行任何的处理,此时接收到的信号就是发送信号,可直接对接收到的信号进行解调等处理;而当发送的信号的主频率大于1500Hz时,在接收端我们需要先对接收到的信号按照上述的拟合信道曲线去对接收到的信号进行恢复,然后再进行解调等处理。按照信道的特性设计相应的通信系统和信号处理方法,可以更好的提高通信系统的传输性能,提高通信系统的准确性和稳定性。

Claims (5)

1.深海走航投弃式剖面仪长距离线性时变传输信道建模的新方法,其特征在于具体步骤是:
第1步、信道传输特性测量
利用LABVIEW软件和数据采集卡向固定探测深度下的XCTD信道一端分别发送频率间隔为100Hz的正弦波,并在信道的另一端采集经过信道的接收信号,通过对原始发送信号和接收信号的对比计算得到固定探测深度下信道对不同频率的信号幅值以及相位的影响;
第2步、信道连续幅频与相频特性曲线的建立
本发明根据上述步骤中所测得的离散的信道特性,利用数值分析方法对信道特性进行拟合,得到不同探测深度下信道的连续幅频与相频特性;
第3步、对测得的信道特性进行验证实验
为了验证此方法对于信道特性测量的准确性,选择分别向探测深度为800m,1300m和1800m的信道发送100Hz方波,利用测得的信道特性对接收到的信号进行恢复,并与原始发送的方波进行比较,得出测量信道传输特性的正确性;
第4步、利用测得的信道特性对复杂信号进行恢复
在实际通信应用中,信号很少是一个只含某个单一频率的简单信号,有可能是有很多频率的复合信号,因此为了验证测量得到的信道特性对复合信号的恢复性能,向1300m信道发送含有不同频率的三角波与正弦波的复合信号,得到800Hz复合信号和4KHz复合信号的恢复结果与原始发送信号对比,并通过分析得出根据信号频率以及信道特征设计相应的通信方案。
2.根据权利要求1所述的分析方法,其特征在于,利用信号系统原理向系统持续发送间隔频率为100Hz的正弦信号,通过计算得到信道对不同频率信号的幅值以及相位的影响。
3.根据权利要求1所述的分析方法,其特征在于,在得到这些离散的实验室数据之后为了使测量结果更具实际意义利用数值分析的方法对离散数据进行插值拟合,使得测量得出的信道特性能够满足实际通信需求。
4.根据权利要求1所述的分析方法,其特征在于,利用方波信号的特性对测量得到的信道特性进行验证,验证得出信道特性的正确性。
5.根据权利要求1所述的分析方法,其特征在于,为了更好地模拟实际通信中信道对不同频率的复杂信号的的作用,向信道发送不同频率的复合信号,在接收端利用接收到的波形和拟合出的信道特性,对接收到的信号进行恢复。并对其对比结果进行分析。
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