CN110572344B - 一种深海垂直水声通信的解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深海垂直水声通信的解调方法，将信号检测中的随机共振方法应用到2FSK解调中，并采用频率缩放的方法将随机共振应用于水声通信的大参数信号中，在数据解调的过程中采用随机共振的方法，提高接收端信号的信噪比，从而降低信号的误码率，实现信号传输的可靠性。本发明提出的方法具有较低的误码率，提高了水声通信的有效性和可靠性，说明提出的方法在深海垂直信道中具有较好的应用前景，对深海钻井隔水管监测信息的无线实时传输有重要的应用价值。

Description

一种深海垂直水声通信的解调方法

技术领域

本发明属于水下通信领域，涉及随机共振、信号处理、信号解调等理论。

背景技术

21世纪，以高科技为依托、以海洋为载体的新一轮军事、经济竞争拉开帷幕，海洋石油钻探开发当之无愧是海洋竞争的重头戏。在进行钻井作业时，隔水管将钻井船(或浮式钻井平台)与海底井口连接在一起。因此，深海钻井隔水管系统的受力状态和周围海洋环境影响隔水管的寿命和钻井平台的正常工作。目前隔水管的深海环境和受力状态监测信息主要采用有线线缆传输或者是记录离线信息传输等两种方法。但存在的问题在于有线传输将导致管线维护困难，电缆敷设费用昂贵，离线信息传输将导致不能实时有效的获取检测信息。

利用水声信道传输数据可以实时有效的检测隔水管的信息，对隔水管系统的使用和管理起到了至关重要的作用。隔水管是极其垂直的结构，连接海上的船只和海底的井口。在隔水管的两端分别放置两个声收发器，两者通过隔水管进行双向通信，因此可以认为水声信道为垂直信道。由于直达径和多径之间的信号强度信号差异较大，因此在深海垂直信道中多径对水声通信的影响较小。并且多普勒效应是由于海水湍流和海面波浪运动引起的，针对深海垂直信道的影响较小。但存在的主要问题是信号的幅度衰减较为严重，导致水声信号在深海垂直信道中为低信噪比传输，影响水声通信可靠性。

近年来，在信号检测领域，随机共振在提高低信噪比下的信号检测能力等方面起到至关重要的作用，但目前并未将随机共振的方法应用到水声通信中进行数据解调。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于深海垂直通信的基于频率缩放的随机共振信号解调方法，用于信号处理的随机共振方法用于深海垂直水声通信中，能够提高深海垂直水声通信的可靠性，对隔水管的安全监测起到至关重要的作用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，发射机产生2FSK调制后的发射信号s(t)＝Asin(2πf₁t)+Asin(2πf₂t)，调制信号的两个频率为f₁、f₂，A表示发送端信号的幅值，π表示圆周率，t表示信号时间；

第二步，经过深海垂直水声信道后，接收机接收信号

n(t)为深海垂直水声信道的环境噪声；

第三步，通过带通滤波器得到带内信号B(t)，其中带通滤波器设置的频率[f_L，f_H]包括调制信号的两个频率为f₁、f₂；

第四步，建立两个不同频率的一阶双稳态随机共振系统模型

其中，x为双稳态随机共振系统的输出信号，经过两个不同的随机共振模型，得到不同的输出信号x₁(t)、x₂(t)；a、b为匹配双稳态随机共振系统参数，

为深海垂直信道背景噪声方差，f_c表示为不同的信号频率f₁、f₂，不同的信号频率对应不同的系统参数a₁、b₁和a₂、b₂。

第五步，确定频率缩放因子

其中，f_ref为设定的参考信号频率，不同的信号频率对应不同的频率缩放因子α₁、α₂；

第六步，用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型，得到输出信号x；

第七步，将输出信号x₁(t)、x₂(t)通过截止频率为f_l的低通滤波器，得到经过滤波后的解调信号y₁(t)、y₂(t)。

所述的带通滤波器设置的频率[f_L，f_H]取值为

所述的参考信号频率f_ref的取值范围为0Hz＜f_ref＜1Hz。

所述的第六步，用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型f(x,B(t))＝ax-bx³+B(t)，则龙格库塔算法为：

其中，N为输入信号采样序列长度，h＝αT_s为龙格库塔步长参数；下一个值x_n+1由当前值x_n加上步长参数和一个估算的斜率乘积所决定的，该斜率是由以下斜率的加权平均：K₁是时间段开始时的斜率，K₂是时间段中点的斜率，K₃同样表示中点的斜率，K₄是时间段终点的斜率。

所述的截止频率取值范围为0Hz＜f_l＜f₁-3KHz。

本发明将解调信号y₁(t)、y₂(t)进行采样判决，计算误码率

本发明的有益效果是：将信号检测中的随机共振方法应用到2FSK解调中，并采用频率缩放的方法将随机共振应用于水声通信的大参数信号中，在数据解调的过程中采用随机共振的方法，提高接收端信号的信噪比，从而降低信号的误码率，实现信号传输的可靠性。和传统的解调方法进行对比仿真，本发明提出的方法具有较低的误码率，提高了水声通信的有效性和可靠性，说明提出的方法在深海垂直信道中具有较好的应用前景，对深海钻井隔水管监测信息的无线实时传输有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是深水钻井隔水管垂直通信示意图；

图3是本发明和传统的解调方法在不同信噪比下的误码率性能比较图。

具体实施方式

针对幅度衰减导致的低信噪比问题，本发明提出一种用于深海垂直水声信道的信号解调方法，引入信号检测中的随机共振方法，提高接收端信号的信噪比，从而降低误码率，提高信号传输的可靠性，从而对隔水管利用水声通信进行无线安全监测。

本发明的主要步骤如下：

第一步：发射机产生发射信号

通信信号采用2FSK调制方式，调制信号的两个频率为f₁、f₂。发射信号经过2FSK调制后信号为s(t)。因此发送端经过2FSK调制后的信号表示为：

s(t)＝Asin(2πf₁t)+Asin(2πf₂t) (1)

其中A表示发送端信号的幅值，π表示圆周率，t表示信号时间。

第二步：接收机接收信号

经过深海垂直水声信道后，通过接收机接收信号。接收信号分为两种情况。

h(t)表示接收机接收到的信号，n(t)为深海垂直水声信道的环境噪声。

第三步：通过带通滤波器

经过接收机获得信号h(t)，通过带通滤波器得到带内信号B(t)。其中带通滤波器设置的频率为[f_L，f_H]，其中

第四步：构造匹配双稳态随机共振模型

建立两个不同频率的一阶双稳态随机共振系统模型，该模型由郎之万方程描述：

其中，B(t)为经过带通滤波器后得到的信号，x为经过双稳态随机共振系统后的输出信号，经过两个不同的随机共振模型，得到不同的输出信号x₁(t)、x₂(t)。a、b为匹配双稳态随机共振系统参数。其表达式为：

其中

为深海垂直信道背景噪声方差，f_c表示为不同的信号频率f₁、f₂，不同的信号频率对应不同的系统参数a₁、b₁，a₂、b₂。

第五步：确定频率缩放因子

引入一个频率缩放因子α，来等效的降低信号频率。其表示为：

其中A为信号的幅度，f_ref为参考信号频率，取值范围为0Hz＜f_ref＜1Hz，T_s为接收端信号采样时间间隔，α为频率缩放因子，其表达式为：

不同的信号频率对应不同的频率缩放因子α₁、α₂。

第六步：求解模型输出

用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型的郎之万方程，得到输出信号x，将方程(4)改为：

f(x,B(t))＝ax-bx³+B(t) (8)

则龙格库塔算法为：

其中，N为输入信号采样序列长度，h＝αT_s为龙格库塔步长参数。下一个值x_n+1由当前值x_n加上步长参数和一个估算的斜率乘积所决定的。该斜率是由以下斜率的加权平均：K₁表示是时间段开始时的斜率、K₂是时间段中点的斜率、K₃同样表示中点的斜率、K₄时间段终点的斜率。

第七步：通过低通滤波器得到解调信号

将输出信号x₁(t)、x₂(t)通过截止频率为f_l的低通滤波器，截止频率取值范围为0Hz＜f_l＜f₁-3KHz，得到经过滤波后的解调信号y₁(t)、y₂(t)。

第八步：采样判决计算误码率

将解调信号y₁(t)、y₂(t)，进行采样判决，计算误码率P_e。计算公式如下所示：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明的实施例步骤如下：

第一步：发射机产生发射信号

通信信号采用2FSK调制方式，调制信号的两个频率为f₁＝8KHz、f₂＝11KHz。发射信号经过2FSK调制后信号为s(t)。因此发送端经过2FSK调制后的信号表示为：

s(t)＝Asin(2πf₁t)+Asin(2πf₂t)

其中A＝0.4表示发送端信号的幅值，π表示圆周率，一般情况下π＝3.14，t表示信号时间。

第二步：接收机接收信号

经过深海垂直水声信道后，通过接收机接收信号。接收信号分为两种情况。

h(t)表示接收机接收到的信号，n(t)为深海垂直水声信道的环境噪声。

第三步：通过带通滤波器

经过接收机获得信号h(t)，通过带通滤波器得到带内信号B(t)。其中带通滤波器设置的频率为[f_L＝7KHz,f_H＝12KHz]。

第四步：构造匹配双稳态随机共振模型

建立两个不同频率的一阶双稳态随机共振系统模型，该模型由郎之万方程描述：

其中，x为经过双稳态随机共振系统后的输出信号，经过两个不同的随机共振模型，得到不同的输出信号x₁(t)、x₂(t)。a、b为匹配双稳态随机共振系统参数。其表达式为：

其中

为深海垂直信道背景噪声方差，f_c表示为不同的信号频率f₁＝8KHz、f₂＝11KHz，不同的信号频率对应不同的系统参数a₁＝50265.482、b₁，a₂＝69115.038、b₂。

第五步：确定频率缩放因子

受到绝热近似理论的影响，随机共振只能适用于小参数信号(频率、幅值均小于1)，而传统的水声通信信号为大参数信号(频率、幅值均小于1)，为使随机共振适用于水声通信的实际情况，采用频率缩放的方法。频率缩放的原理是利用四阶龙格库塔方程求解双稳态模型时，引入一个频率缩放因子α，来等效的降低信号频率。其表示为：

其中A为信号的幅度，f_ref＝0.01Hz为参考信号频率，T_s为接收端信号采样时间间隔，其中T_s＝1/f_s，f_s＝64KHz，α为频率缩放因子，其表达式为：

不同的信号频率对应不同的频率缩放因子α₁＝800000、α₂＝1100000。

第六步：求解模型输出

用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型的郎之万方程，得到输出信号x，将方程(4)改为：

f(x,B(t))＝ax-bx³+B(t)

则龙格库塔算法为：

其中，N＝1000为输入信号采样序列长度，h＝αT_s为龙格库塔步长参数。下一个值x_n+1由当前值x_n加上步长参数和一个估算的斜率乘积所决定的。该斜率是由以下斜率的加权平均：K₁表示是时间段开始时的斜率、K₂是时间段中点的斜率、K₃同样表示中点的斜率、K₄时间段终点的斜率。

第七步：通过低通滤波器得到解调信号

将输出信号x₁(t)、x₂(t)通过截止频率为f_l＝1KHz的低通滤波器，得到经过滤波后的解调信号y₁(t)、y₂(t)。

第八步：采样判决计算误码率

将解调信号y₁(t)、y₂(t)，进行采样判决，计算误码率P_e。计算公式如下所示：

仿真中垂直通信的背景噪声假设为高斯白噪声。码元间隔为T＝0.005s，采样频率为f_s＝64KHz。计算得到频率缩放因子分别为α₁＝800000、α₂＝1100000。不同信噪比下的误码率曲线，并与2FSK传统的相干解调和非相干解调进行比较，得到的性能曲线如图3所示。可以看出在误码率为10^-3时，提出的解调方法较传统的解调方法有11dB的性能提升。提出的方法有助于在深海垂直水声信道这样的低信噪比环境下，获得较高的误码率性能，提高可靠性传输。提出的方法和传统的2FSK解调方法：相干解调和非相干解调，在不同信噪比下的误码率性能比较如图3所示。

Claims (6)

1.一种深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，发射机产生2FSK调制后的发射信号s(t)＝A sin(2πf₁t)+A sin(2πf₂t)，调制信号的两个频率为f₁、f₂，A表示发送端信号的幅值，π表示圆周率，t表示信号时间；

第二步，经过深海垂直水声信道后，接收机接收信号

n(t)为深海垂直水声信道的环境噪声；

第三步，通过带通滤波器得到带内信号B(t)，其中带通滤波器设置的频率[f_L，f_H]包括调制信号的两个频率为f₁、f₂；

第四步，建立两个不同频率的一阶双稳态随机共振系统模型

其中，x为双稳态随机共振系统的输出信号，经过两个不同的随机共振模型，得到不同的输出信号x₁(t)、x₂(t)；a、b为匹配双稳态随机共振系统参数，

为深海垂直信道背景噪声方差，f_c表示为不同的信号频率f₁、f₂，不同的信号频率对应不同的系统参数a₁、b₁和a₂、b₂；

第五步，确定频率缩放因子

其中，f_ref为设定的参考信号频率，不同的信号频率对应不同的频率缩放因子α₁、α₂；

第六步，用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型，得到输出信号x；

第七步，将输出信号x₁(t)、x₂(t)通过截止频率为f_l的低通滤波器，得到经过滤波后的解调信号y₁(t)、y₂(t)。

2.根据权利要求1所述的深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于：所述的带通滤波器设置的频率[f_L，f_H]取值为

3.根据权利要求1所述的深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于：所述的参考信号频率f_ref的取值范围为0Hz＜f_ref＜1Hz。

4.根据权利要求1所述的深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于：所述的第六步，用四阶龙格库塔方法求解随机共振模型f(x,B(t))＝ax-bx³+B(t)，则龙格库塔算法为：

其中，N为输入信号采样序列长度，h＝αT_s为龙格库塔步长参数，Ts为采样时长；下一个值x_n+1由当前值x_n加上步长参数和一个估算的斜率乘积所决定的，该斜率是由以下斜率的加权平均：K₁是时间段开始时的斜率，K₂是时间段中点的斜率，K₃同样表示中点的斜率，K₄是时间段终点的斜率。

5.根据权利要求1所述的深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于：所述的截止频率取值范围为0Hz＜f_l＜f₁-3KHz。

6.根据权利要求1所述的深海垂直水声通信的解调方法，其特征在于：将解调信号y₁(t)、y₂(t)进行采样判决，计算误码率

Images