CN107171991A - 一种细长导线中信号传输失真修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细长导线中信号传输失真修复方法，包括如下步骤：1、构建传输导线的电路模型；2、发送端发射信号，发射信号由学习码Us和信息码组成；3、接收端对接收到的信号uo(t)截取学习码失真信号Uo；4、建立修复方程：其中U′o和U″o分别是Uo的一阶导数和二阶导数；求解修复方程，得到传输导线电路模型中的参数LC和RC；5、修复后的接收信号为：该方法通过学习码获取细长导线的电路参数，对接收端的接收信号进行修复，可以得到与发射信号接近的波形，从而完整恢复出发射端发送的数字信号。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域，具体涉及一种信号传输失真的修复方法。
背景技术
海洋资源丰富，经济利益和权益保障成为世界各国普遍关注的热点。针对海洋勘探、气象监测、船舶导航、水面乃至水下航行器的任务保障等各方面事业的发展，迫切需要加强对海洋相关区域进行长期、精确、及时的参数测量，进而获得水文、水声等物理环境参数，为各类导航、探测等设备的使用提供技术参数。获取温深剖面数据可以通过专门的仪器定点测量，也可以使用“抛弃式温深探测系统XBT”来测量，该系统的探头为一次性使用设备，可在船舶走航的条件下使用，可以节省船时；其既可以在正规海洋调查船上使用，也可以在随机商船上使用，具有很高的灵活性，并获得最大的经济利益。由于成本低、使用灵活，可以在诸多海域使用，因此它也是对浮标、潜标、UUV、AUV等水下探测手段的一种重要补充。
现有装置存在的问题是数据的在高频传输时误码率较高，导致实时传输速率低下。由于使用细长导线进行数据传输，信号传导的阻抗复杂，主要体现在导线串联电阻大，导线间并联电容大，同时还具有一定的串联电感。最终，导致传输信号的高频响应低，在高频传输时无法提高数据传输速率，无法实时传输丰富的海洋温深剖面数据。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种细长导线中信号传输失真修复方法，该方法通过学习码获取细长导线的电路参数，使用这些电路参数对接收端的接收信号进行修复，可以得到与发射信号接近的波形，从而完整恢复出发射端发送的高频数字信号。
技术方案：本发明采用如下技术方案：一种细长导线中信号传输失真修复方法，包括如下步骤：
(1)构建传输导线的电路模型，模型参数包括：串联电阻R，串联电感L和并联电容C；
(2)发送端发射信号，所述发射信号由码元长度为N的学习码Us和需要发送的信息码组成，所述学习码的码元已知；
(3)接收端对接收到的信号uo(t)截取长度为N的学习码失真信号Uo；
(4)建立修复方程：
其中U′o和U″o分别是Uo的一阶导数和二阶导数；
求解修复方程，得到传输导线电路模型中的参数LC和RC；
(5)修复后的接收信号u′o(t)为：
其中Δt表示接收端数字采样时间间隔。
发送端在学习码前增加帧同步码；所述帧同步码为连续多个高电平对应的码元；接收端检测到连续多个高电平信号则得到帧信号的到达时刻。
为了去除接收信号中夹杂的高频噪声干扰，接收端对接收到的信号做低通滤波后得到信号uo(t)；所述低通滤波使用的低通滤波器截止频率为fs/M；其中fs为信号采样率，M为每个码元的采样点数。
步骤(4)中采用最小二乘法求解修复方程，得到传输导线电路模型中的参数LC和RC：
其中为矩阵的转置阵；(Us-Uo)′为向量(Us-Uo)的转置。
学习码长度N大于6，以保证修复方程求解的精度。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开的细长导线中信号传输失真修复方法具有以下优点：1、本发明可以有效对接收信号进行修复，从而完整恢复出数字信号，保证了数据传输的准确率；2、使用最小二乘方法计算修复参数，最小二乘方法有明确的计算表达式，可使用矩阵进行运算，便于使用DSP、FPGA等硬件实现。
附图说明
图1为本发明公开的修复方法的流程图；
图2为细长导线的实物图；
图3为细长导线的示意图；
图4为细长导线的等效电路图；
图5发射端发送的数字信号ui波形图；
图6接收端接收的畸变信号uo波形图；
图7接收端接收的学习码信号和修复后的学习码波形图；
图8修复结果与原始信号ui的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
如图2所示为细长导线的实物图；如图3所示，在导线的一端输入发射信号ui，测量接收端的接收信号uo，理想情况下uo与ui波形一致，信号可以得到无失真传输；但由于导线中存在着较大的阻抗，导致接收信号与发射信号相比出现了失真等畸变。对细长导线的分布参数进行分析，建立其电路模型如图4所示，则接收信号uo与发射信号ui关系如下：
令s＝jω，上式变为由此得到传输导线的信道传递函数
为了能够让信号得到无失真的修复，需要构造一个补偿系统Hb(s)，使得整个系统的传递函数满足公式Hc·Hb＝1。由此得到，Hb(s)＝LC·s2+RC·s+1。在信号与系统中，sn可以等效为对信号做导数n阶导数；若使用Hb(s)对接收信号uo进行补偿，那么得出的修复后的接收信号为：
由导数的泰勒展开式可知：
进一步可得到和
最终可得到修复后的接收信号u′o的差分近似表达式：
其中Δt表示接收端数字采样时间间隔。
由此公式可以对经过细长导线的失真信号进行修复。然而，细长导线中的参数R、L和C是未知的，通常也是变动的，随环境、导线的卷曲和伸展状态变动。因此需要参照学习码对参数LC和RC进行求解。对信号uo进行数字采样，并将其向量化，得到向量Uo。由Uo可得到其一阶导数U′o和二阶导数U″o。令发射的学习码向量为Us，则有公式Us＝LC·U″o+RC·U′o+Uo成立。式中，Us、Uo、U′o、U″o均为长度为N的一维向量。将此公式写成矩阵的形式，得到进一步整理得到修复方程：
修复方程中仅有LC和RC两项未知参数，N远大于2。使用最小二乘法估计参数LC和RC：
其中为矩阵的转置阵；(Us-Uo)′为向量(Us-Uo)的转置；
将参数LC和RC带入修复公式(3)即可得出修复后的输出信号u′o。
实施例：本实施例发射的信号为二进制数字信号，数字信号的波形如图5所示，采样率fs为25kHz。每个码元占用10个采样点。其中前2个码元为帧同步码‘11’，接下来8个码元‘0110 0111’为学习码，其余的码元为信息码。
接收端对接收到的信号做低通滤波，以去除高频噪声的干扰。所使用的低通滤波器截止频率为fs/M＝2.5kHz。通过帧同步码元的门限判断帧信号的到达时刻，按照固定长度截取完整的帧信号，如图6所示。通过图6可以发现，数字信号经过传输信道后失真严重，难以直观观察出所发射的信号。截取接收信号中的学习码，使用最小二乘法的公式求解参数LC和RC。如图7所示，(a)为接收到的失真的学习码波形；(b)中的虚线为修复后学习码波形。
将求解出的参数LC和RC带入修复公式，得出信息码最终的修复波形，如图8中虚线所示。将修复和波形与实际发射的波形进行对比可以发现它们具有很强的相似性。若设定一中间的固定门限，便可将数字信号完整恢复。
以上对本发明所提供的细长导线信号传输失真修复方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.一种细长导线中信号传输失真修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)构建传输导线的电路模型，模型参数包括：串联电阻R，串联电感L和并联电容C；
(2)发送端发射信号，所述发射信号由码元长度为N的学习码Us和需要发送的信息码组成，所述学习码的码元已知；
(3)接收端对接收到的信号uo(t)截取长度为N的学习码失真信号Uo；
(4)建立修复方程：
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其中U′o和U″o分别是Uo的一阶导数和二阶导数；
求解修复方程，得到传输导线电路模型中的参数LC和RC；
(5)修复后的接收信号u′o(t)为：
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其中Δt表示接收端数字采样时间间隔。
2.根据权利要求1所述的细长导线中信号传输失真修复方法，其特征在于，发送端在学习码前增加帧同步码；所述帧同步码为连续多个高电平对应的码元；接收端检测到连续多个高电平信号则得到帧信号的到达时刻。
3.根据权利要求1所述的细长导线中信号传输失真修复方法，其特征在于，接收端对接收到的信号做低通滤波后得到信号uo(t)；所述低通滤波使用的低通滤波器截止频率为fs/M；其中fs为信号采样率，M为每个码元的采样点数。
4.根据权利要求1所述的细长导线中信号传输失真修复方法，其特征在于，步骤(4)中采用最小二乘法求解修复方程，得到传输导线电路模型中的参数LC和RC：
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其中为矩阵的转置阵；(Us-Uo)′为向量(Us-Uo)的转置。
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Legal Events
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Application publication date: 20170915 Assignee: JIANGSU TAIHANG INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2020980007380 Denomination of invention: A repair method of signal transmission distortion in long and thin wires Granted publication date: 20190716 License type: Common License Record date: 20201030 |
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Effective date of registration: 20201221 Address after: 17-1, building 033, building 2, No.15, Lane 587, Juxian Road, Ningbo hi tech Zone, 315000, Zhejiang Province Patentee after: CHINA E-TECH (NINGBO) MARITIME ELECTRONICS RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: 212003, No. 2, Mengxi Road, Zhenjiang, Jiangsu Patentee before: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
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Assignee: JIANGSU TAIHANG INFORMATION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2020980007380 Date of cancellation: 20201223 |
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Granted publication date: 20190716 |