CN107070570B - 基于扫频法的感应耦合海洋通信系统信道特性的分析方法 - Google Patents

基于扫频法的感应耦合海洋通信系统信道特性的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明以感应耦合温盐深链的传输信道为原型，搭建了一套感应耦合海洋通信系统，提出基于扫频法来研究感应耦合海洋通信系统的信道特性，分别将海水和淡水环境下理论电路模型计算得到的幅频和相频特性与采用扫频法实际测量得到的幅频和相频特性进行对比，从而对信道的特点进行描述，并根据所测的幅频和相频曲线，还原经过系统的方波信号来验证幅频和相频特性的准确性。通过分析得到系统的理论最高传输速率达到100Kbps，远远高于目前中国的传输速率，本系统的设计为感应耦合信道的评估提供了一个新的研究方法，为提高感应耦合海洋通信的传输速率提供了实验依据。

Description

基于扫频法的感应耦合海洋通信系统信道特性的分析方法
技术领域
本发明以感应耦合温盐深链的传输信道为原型，提出基于扫频法来研究感应耦合海洋通信系统的信道特性，为感应耦合传输信道研究提供了一个新的方法，为提高感应耦合海洋通信系统的传输速率和降低信号传输的误码率提供了实验依据。
背景技术
感应耦合传输通讯技术作为海洋测量的重要技术之一，是采用电磁感应原理实现无接触水下信号传输，其具有传输方式结构简单、成本低，传输距离远的特点，同时传感器可以部署到很深的海域。采用无接触式电磁感应方式进行数据传输是一种有效、经济、可靠的方法，适宜于深海数据的传输，可将其应用于海洋立体观测网络建设的剖面测量中。感应耦合海洋通信系统主要由水下数据采集系统，传输信道和水上接收终端三部分组成，其中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，传输缆与海水组成一个闭合回路，相当于一个单匝线圈，水下数据采集系统中的传感器完成对不同深度下的海水温度、盐度等信息的采集，并将数据保存下来传到水下磁环，然后通过感应耦合传输到单匝线圈再传输到水上磁环，最后传输到水上终端进行处理。
目前，中国所研发的感应耦合传输系统即是以海洋环境、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系统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系统的主要有两个公司，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系统与海流计、多普勒剖面仪等设备有标准串行接口，与遥测感应传输系统可集成在一起，其传输速率可达9.6Kbps。RBR 公司的感应耦合数据传输系统是将水下感应耦合发送器和水下仪器集成在一起，与声学传输方式或电缆传输相比，性能优越，价格适中。但其传输速率不高，只能达4.8K bps，两公司的产品都适用于海水和淡水。本发明通过扫频法测量了系统的信道传输特性，得到系统的通频带远远高于国内的传输速率，为提高感应耦合海洋通信系统的信道传输特性提供了一种新的研究思路。
发明内容
本发明的目的是通过扫频法测出系统信道的通带范围，以便得到信道的最高传输速率，并和目前实际的传输速率对比，提高信道的实际传输速率。
本发明对感应耦合信道进行了理论建模，并根据模型计算出了幅频和相频特性表达式，利用阻抗分析仪测出了所需物理量的值，计算出理论的幅频和相频特性。另外，利用LABVIEW软件、Agilent 81150A信号发生器和NI USB-6259数据采集卡搭建了系统信道模型的测量平台以测量发送信号和经过系统后接收到的信号之间的幅值和相位的关系，得到了系统1KHz～100KHz频率范围内的幅频和相频特性。
本发明以感应耦合海洋通信系统的信道为研究对象，分别测量了在淡水和海水环境下的信道的幅频和相频特性，并通过还原经过系统的方波信号来验证所测幅频和相频特性的准确性。此外，另外，利用调制方法传递信号时，在解调之前先按照测得的系统的信道特性对接收到的信号进行还原可以大大降低信号传输的误码率。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降低误码率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海洋通信系统的传输信道，发明了利用扫频法测量信道特性的信道建模方式，并和电路建模并计算得到的结果进行对比。可表述为，利用LABVIEW软件和NI USB-6259数据采集卡测量得到的信道的幅频和相频特性，进而得到信道的通频带，并通过还原方波验证了测量结果的准确性。
本发明提供的基于扫频法的感应耦合信道的建模方法，具体步骤是：
第1步、信道连续幅频和相频特性的理论计算
首先建立海水和淡水环境下感应耦合海洋通信系统的电路模型，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，代入表达式计算出海水和淡水环境下的幅频和相频特性，计算结果表明淡水环境比海水环境衰减严重；
第2步、利用扫频法测量信道离散幅频和相频特性
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海水和淡水信道前后1KHz～100KHz内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；
第3步、信道连续幅频与相频特性曲线的拟合
根据第2步的测量结果，利用MATLAB编程对其进行样条插值拟合，得到海水和淡水信道连续幅频与相频特性，结果表明淡水环境比海水环境衰减严重，与理论计算结果一致。然后将拟合结果与第1步的理论计算结果对比可以发现，实际测量结果比理论计算衰减更为严重，但是它们具有基本相同的变化趋势；
第4步、对测得的信道特性进行验证实验
通过还原方波来验证所测得的幅频和相频特性的准确性，即通过信号源向信道发送10KHz的方波信号，根据所拟合的幅频和相频特性曲线，将经过系统的方波进行还原，与发送方波进行对比。由还原结果可知，海水和淡水环境下均可以还原为方波的形状，但是由于淡水电阻比海水大，所以通过淡水系统接收到的信号比海水系统衰减严重，信号波形失真也较为严重，相对的还原的效果也比海水系统差，这一结果和对系统的测试结果相一致，证明了测试的准确性。
本发明的优点和有益效果：
本发明针对于感应耦合信道理论电路模型的建立比较理想而忽略了采集卡的量化误差、计算精度误差等实际因素导致信道传输特性不够准确的问题，提出了利用扫频法测量信道传输特性的方法，该方法较其他建模方法更为简单，而且考虑了各种实际因素，更加接近实际的信道传输特性。此外，可以通过测得的信道幅频和相频特性还原经过待测系统的方波信号，利用调制方法传递信号时，在解调之前先按照测得的系统的信道特性对接收到的信号进行还原可以大大降低信号传输的误码率，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降低误码率具有重要的理论指导意义。
附图说明
图1是基于扫频法的感应耦合信道测量和分析过程，其中图(A)是信道特性的实际测量过程，主要包括：(a)正弦信号的发送，(b)正弦信号的接收和(c) 系统幅频和相频特性曲线的拟合三部分；(B)是实验装置，包括：(d)耦合磁环(包括水上磁环和水下磁环)，(e)传输缆和(f)水体(包括海水和淡水) 三部分；(C)是信道模型的理论计算过程，包括：(g)参数测量，(h)理论电路模型的建立和(i)系统幅频和相频特性曲线的计算三部分。
图2是理论电路模型和实际测量的幅频和相频特性曲线，图(a)是海水幅频特性曲线理论计算和实际测量，图(b)是淡水幅频特性曲线的理论计算和实际测量，图(c)是海水相频特性曲线的理论计算和实际测量，图(d)是淡水相频特性曲线的理论计算和实际测量。
图3是理论电路模型和实际测量下的方波还原，图(A)是海水环境下的方波还原：(a)发送的方波，(b)经过海水系统接收到的方波，(c)还原的方波；图(B)是淡水环境下的方波还原：(d)发送的方波，(e)经过淡水系统接收到的方波，(f)还原的方波。
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：
Figure GSB0000187792510000041
由公式(1)可得信道的理论幅频和相频特性分别为：
Figure GSB0000187792510000042
Figure GSB0000187792510000043
其中，L1为T1的初级绕组电感，L2为单匝回路电感，L3为T2的次级绕组电感，R为水体电阻，r为传输缆电阻。
第2步、利用扫频法测量信道特性
设待测系统的输入是幅值为A、频率为w0的正弦信号x(t)，输出信号为y(t)。输入信号x(t)可表示为：
设系统的输入信号为正弦信号x(t)，其幅值为A，频率为ω0，输出信号为 y(t)。x(t)可以用欧拉公式转换为：
Figure GSB0000187792510000051
其傅里叶变换为：
Figure GSB0000187792510000052
所以：
Figure GSB0000187792510000053
对公式(6)作傅里叶逆变换，得
Figure GSB0000187792510000054
通过以上推导可以发现，如果系统为线性时不变系统，输入信号为正弦信号时，输出信号为同频率的正弦信号，并且输出信号和输入信号的幅值比就是系统幅频特性曲线在被测频率点的取值。由所测得的耦合磁环电感可知，当信号频率大于100KHz时，偶合磁环的电感较小，耦合效果较小，因此选择分析信号的最大频率为100KHz。通过发送1KHz～100KHz频率范围内的不同频率的正弦信号就可以测得系统幅频特性曲线在不同频率点的值，如果发送的信号频率点很密，就可以得到准确的离散信道特性。
第3步、信道连续幅频和相频特性的拟合
由于第2步所测的幅频和相频特性是离散的，在还原方波时需要连续的幅频和相频特性曲线，因此需要对其进行拟合。在此选择三次样条插值拟合方式，因为函数的最高次数是三次，在各个点二阶连续可导，可以保证最终函数曲线的光滑性和平稳性。
第4步、信道幅频和相频特性的验证
方波由各次谐波叠加而成，频率范围较大，因此选择还原方波来验证所测得的幅频和相频特性的准确性，即根据所拟合的幅频和相频特性曲线，将经过系统的方波进行还原，即由公式
Figure GSB0000187792510000061
Y(ω)和H(ω)通过测量得到后可以计算出X(ω)，然后根据x(t)＝ifft(X(ω))可的还原的方波信号，与发送方波进行对比。
仿真与分析结果
(1)由图中可以看出，海水和淡水环境下都能恢复出方波的形状，验证了所测量并拟合的系统信道特性的正确性。
(2)由图中可以看出，在理论电路模型下计算得到的海水和淡水系统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，淡水比海水系统的衰减更为严重。由于理论电路模型较为理想，而在实际测试过程中，采集卡存在量化误差、计算精度误差等都会影响测量结果的准确性，因此经实际测试信道传输的衰减比理论电路模型计算的衰减大，但同电路模型计算结果呈现出基本相同的变化趋势。
(3)通过这个实验还可以得出如下结论：该系统为高通系统，当信号频率越高时，传输性能越好，理论的最高传输速率可达100Kbps。而目前中国所研发的感应耦合海洋通信系统的最高速率仅为1200bps，为提高感应耦合海洋通信的传输速率提供了实验依据。

Claims (5)

1.基于扫频法的感应耦合海洋通信系统信道特性的分析方法，其特征在于具体步骤是：
第1步、信道连续幅频和相频特性的理论计算
首先建立海水和淡水环境下感应耦合海洋通信系统的电路模型为：
Figure FSB0000189241810000011
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特性为：
Figure FSB0000189241810000012
相频特性为：
Figure FSB0000189241810000013
其中，L1为T1的初级绕组电感，L2为单匝回路电感，L3为T2的次级绕组电感，R为水体电阻，r为传输缆电阻；
第2步、利用扫频法测量信道离散幅频和相频特性
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，并通过扫频法分别测量海水和淡水环境下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，推导过程如下：
设系统的输入信号为正弦信号x(t)，其幅值为A，频率为ω0，输出信号为y(t)，x(t)可以用欧拉公式转换为：
Figure FSB0000189241810000014
其傅里叶变换为：
Figure FSB0000189241810000015
所以：
Figure FSB0000189241810000021
作傅里叶逆变换，得：
Figure FSB0000189241810000022
第3步、信道连续幅频与相频特性曲线的拟合
根据第2步的测量结果，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；
第4步、对测得的信道特性进行验证实验
通过还原方波来验证所测得的幅频和相频特性的准确性，即根据所拟合的幅频和相频特性曲线，将经过系统的方波进行还原，与发送方波进行对比。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，通过建立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离散幅频和相频特性。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，利用MATLAB编程对测得的离散信道特性进行插值拟合，并与理论特性进行对比分析。
5.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，通过还原方波验证拟合得到的信道特性的准确性。
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