CN113536720A - 一种根据多变量的信号最优占空比计算方法 - Google Patents

一种根据多变量的信号最优占空比计算方法 Download PDF

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CN113536720A CN202110692582.4A CN202110692582A CN113536720A CN 113536720 A CN113536720 A CN 113536720A CN 202110692582 A CN202110692582 A CN 202110692582A CN 113536720 A CN113536720 A CN 113536720A
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沈娜
余延浩
张祥金
周鹏
李文涛
邓雪薇
刘仕林
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郭竞杰
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Abstract

本发明属于数据传输领域，具体涉及一种根据多变量的信号最优占空比计算方法。包括如下步骤：(1)：需要对传输线缆进行建模；(2)：对传输系统电路进行建模；(3)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容；(4)：推导线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容；(5)：推导信号被判决为低电平的临界时间；(6)：推导信号最优占空比与相关变量之间的关系。该方法能够使得以占空比方式传输系统拥有高灵活性；能够使以占空比方式传输系统面对复杂环境拥有高可靠性；能够使得传输系统在不同线缆长度、不同使用环境以及不同负载情况下获得最优的信号占空比，进而保证信号传输准确性。

Description

一种根据多变量的信号最优占空比计算方法
技术领域
本发明属于数据传输领域，具体涉及一种根据多变量的信号最优占空比计算方法。
背景技术
目前，使用信号占空比方式进行传输的传输系统有很多，但大多数都是基于某一特定的长度线缆、特定的外部环境而进行设置信号的占空比，并且其中很大一部分是基于经验或者是大量实验进行占空比设置，没有理论依据，因此可信度存疑。有些甚至采用默认的信号占空比，例如信号“1”采用占70％的高电平来表示，信号“0”采用占30％的高电平来表示，这样固定的占空比限制了传输速率，限制了负载的阻抗、容抗值的大小，限制了系统的多样性，尤其是在面对越来越复杂的负载的时候，如果不能很好的选定信号的最优占空比，灵活应对现实中可能出现的各种环境，那么最终会导致信号传输出错，最后导致整个系统失效。
在实验或者模拟仿真过程中，如果采用以上固定的信号占空比进行信号传输有可能因为传输线缆之间、或者是线缆与周围环境之间产生了分布电容，导致信号的下降沿下降缓慢，在进行电压判决时就会导致误码，最终导致信号传输错误。如果在舰艇弹药的装定过程中，发生装定信息的传输错误，导致炮弹未发射到预设空域，未能进行空中拦截，导致的后果不堪设想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种根据传输线缆长度、系统所处环境、传输系统的具体电路参数进行信号占空比变化的方法，以实现对于不同长度线缆，不同环境，不同负载参数的电路获取信号的最优占空比。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种根据多变量的信号最优占空比计算方法，用于舰载弹药装定的传输系统，包括如下步骤：
步骤(1)：需要对传输线缆进行建模，以获得传输线缆之间的分布电容模型以及和周围环境所形成的分布电容模型；
步骤(2)：对传输系统电路进行建模；
步骤(3)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容；
步骤(4)：推导线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容；
步骤(5)：推导信号被判决为低电平的临界时间；
步骤(6)：推导信号最优占空比与相关变量之间的关系。
进一步的，步骤(1)对传输线缆进行建模具体包括如下步骤：
对于传输线缆实际放置位置进行建模，预设传输系统的使用环境是位于水面舰艇内部，包括传送线缆Ⅰ和接收线缆Ⅱ；
把舰艇上线缆所接触的平面看作一块无限大的金属平板；
传送线缆Ⅰ和接收线缆Ⅱ的长度均为L，线缆半径均为R；传送线缆Ⅰ和金属平板之间的距离为d。
进一步的，步骤(2)对传输系统电路进行建模具体包括如下步骤：
步骤(21)：对于传输系统的输入端，将其等效为一个输入电阻R1和一个输入电容C1；
步骤(22)：对于传输系统的线缆传输部分，将传送线缆Ⅰ的内阻记为R2，接收线缆Ⅱ的内阻记为R3；
步骤(23)：对于传送线缆Ⅰ对接收线缆Ⅱ产生的分布电容建模；由于线缆Ⅰ是传输信号线缆，那么线缆Ⅰ在进行数据传输的过程中会对线缆Ⅱ产生感应电容，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容记为C2；
步骤(24)：对于线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容建模；由于线缆Ⅰ是传输信号线缆，那么线缆Ⅰ在进行数据传输的过程中会对金属平板产生感应电容，线缆Ⅰ对无限大金属平板产生的分布电容记为C3；
步骤(25)：对于传输系统的输出端，将其等效为一个输出电阻R4和一个输出电容C4。
进一步的，步骤(3)推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容具体包括如下步骤：
步骤(31)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容中的单位长度的电容值c0；使用圆柱形电容器计算公式进行计算，介质的介电常数为ε，可以得出线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的单位长度的电容值c0为：
Figure BDA0003126697070000021
步骤(32)：推导当线缆长度为ΔLi时，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的电容值ci；因为线缆Ⅰ和线缆Ⅱ并不是平行放置的，所以需求出当线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间距离为Di，且该段线缆长度为ΔLi的分布电容值ci：
Figure BDA0003126697070000031
步骤(33)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的分布电容值C2；当线缆长度为ΔLi时，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容值为ci，那么可以推出，如过将线缆平均分为n等分，设每段长度为ΔLi，并且每段长度对应的线缆间距离为Di，则分布电容C2为：
Figure BDA0003126697070000032
也就是：
Figure BDA0003126697070000033
步骤(34)：推导统计意义上的线缆1对线缆2所产生的分布电容值C2；假设线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间的距离Di服从正态分布，即Di～N(E，δ2)，假设Dmax为线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间的最大距离，Dmin为最小距离；那么两个线缆之间距离的数学期望E为：
Figure BDA0003126697070000034
从而可得到当线缆Ⅰ与线缆Ⅱ之间的距离期望为E时所产生的分布电容C2：
Figure BDA0003126697070000035
进一步的，所述步骤(4)推导线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容具体包括如下步骤：
推导线缆Ⅰ对金属平板所产生的分布电容C3；线缆Ⅰ和无限大金属平板等效看作为长度为L，宽为2R的平板电容器，根据平行板电容器的电容公式：
Figure BDA0003126697070000036
其中S为平板电容器的面积，d为平板电容器的间距，也就是线缆Ⅰ与金属平板之间的距离；即推出线缆Ⅰ对金属平板产生的的分布电容C3：
Figure BDA0003126697070000037
进一步的，所述步骤(5)推导信号被判决为低电平的临界时间具体包括如下步骤：
步骤(51)：推导整个传输系统的电容总值C：
C＝C1+C2+C3+C4
其中，C1为传输系统输入部分等效电容，C2为线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容，C3为线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容，C4为传输系统输出部分等效电容；
步骤(52)：推导整个传输系统的电阻总值；假设线缆Ⅰ和线缆Ⅱ为相同材质，相同粗细的传输线，单位长度电阻值为R0，则长度同为L的两个线缆电阻为：
R2＝R3＝R0L
所以整个传输系统的阻值为：
R＝R1+R4+2R0L
其中，R1为整个传输系统输入部分等效电阻，R4为传输系统输出部分等效电阻；
步骤(53)：推导传输系统中输出电压V与输入电压V0之间的关系式；根据一阶RC电路的输出电压表达式，V0是初始信号电压，可以得出输出端电压V随t变化公式：
Figure BDA0003126697070000041
其中R为传输系统总电阻，C为传输系统总电容，t为时间；
步骤(54)：推导初始电压从0时刻开始，下降到被判决为低电平信号所需的临界时间t1；假设解码系统对于低电平信号的判决条件为：当信号强度下降为μV0时，即被判断为“0”信号，也就是在t1时刻，接收信号的电压值下降为μV0；因此，可以得出：
Figure BDA0003126697070000042
代入R，C表达式，可得：
Figure BDA0003126697070000043
则两边取对数，可以得出下降到μV0所需要的时间t1：
Figure BDA0003126697070000044
进一步的，步骤(6)推导信号最优占空比与相关变量之间的关系，具体如下：
假设：数据传输的波特率为B，电压判决点在
Figure BDA0003126697070000045
时刻，则“0”信号的最佳占空比Z0为：
Figure BDA0003126697070000051
代入t1的表达式可得，“0”信号的最佳占空比为：
Figure BDA0003126697070000052
则“1”信号的最佳占空比Z1为：
Z1＝(1-Z0)*100％
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
该方法能够使得以占空比方式传输系统拥有高灵活性；能够使以占空比方式传输系统面对复杂环境拥有高可靠性；能够使得传输系统在不同线缆长度、不同使用环境以及不同负载情况下获得最优的信号占空比，进而保证信号传输准确性。
附图说明
图1为本发明的计算方法流程示意图。
图2为本发明的占空比传输方式示意图；其中图(a)为传输方式中“0”信号表示方式，图(b)为传输方式中“1”信号的表示方式。
图3为在模拟仿真过程中截取的“1”信号输出图。
图4为本发明对传输线缆的建模示意图。
图5是本发明两根线缆的侧面剖视图。
图6为传输系统电路模型的建模示意图。
图7为信号最优占空比的计算方式图；其中图(a)为信号被判决为“0”信号所需时间的计算方式图，图(b)为“0”信号最佳占空比的计算方式图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
图1为本发明的流程图。S101，需要对传输线缆进行建模，以获得传输线缆之间的分布电容模型以及和周围环境所形成的分布电容模型；S102，对传输系统电路进行建模，将工程问题理论化，转为具体的参数研究；S103,推导线缆1对线缆2产生的分布电容；S104，推导线缆1对金属平板3产生的分布电容；S105，推导信号被判决为低电平的临界时间；S106，输出信号最优占空比。
图2为占空比传输方式中“0”信号和“1”信号的表示方式。在传输数据过程中，假设传输波特率为9600b/s，就意味着每秒需要传输9600位“0”或“1”，也就是每位数据需要占用的时间为1/9600s。占空比传输方式接收端信号判别方式就是：当接收端的判别信号对输出电压进行采样时，采样到的高电平信号即为“1”信号，低电平信号为“0”信号。所以在所占时间的层面上，两信号所占时间的差值越大，那么二者的分辨率就越大，所以结果就越可靠。但是，如果“0”信号高电平占比为0，“1”信号高电平占比为100％，那么会导致一旦在“0”信号的传输过程中有干扰信号，就可能会出现判决错误，所以在这个层面上，需要二者高电平所占时间尽可能多。综上，就出现了需要判断信号最优占空比的问题。如图2所示的“1”信号占空比为Z1，“0”信号占空比为Z0。
图3是在模拟仿真过程中截取的“0”信号输出图。对比图2和图3，可以明显看出，图3中信号的下降沿并不是如图2理想状态下瞬间变为“0”的，而是在缓慢下降的。如果这时候的判决电压出现，这就可能出现将“0”信号判决为“1”信号，最终造成接收端的解码错误。为了防止类似的情况出现，本发明对该工程问题进行建模。
图4为对传输线缆的建模。图中线缆1和2所示为两根传输线缆，图中金属平板3代表线缆所处的环境，可以看成一块无限大的金属平板。在线缆1与线缆2的长度为ΔLi时，二者之间的距离为Di，由此可以看出二者之间并不是等距的，因为在真实的使用场景中，必须考虑到线缆不平行的部分，所以在计算分布电容时，需要进行统计学意义上的计算。
图5是两根线缆的侧面剖视图，线缆1和线缆2的半径都为R，且二者相距Di。
图6对于该传输系统电路模型的建模。图6的建模中，第一部分为输入部分(图中所示为装定器)，其中有输入电阻R1和输入电容C1；第二部分为线缆的传输部分，其中有电缆的电阻R2，R3,电缆1对电缆2形成的两线之间的分布电容C2，以及电缆1对金属平板3形成的分布电容C3；第三部分是输出部分(图中所示为引信)，其中有输出电阻R4和输出电容C4。
针对图4、图5和图6的内容，进行公式推导，得出输出信号从“0”时刻开始的下降时间与线缆长度，介电常数，输入电阻、电容，输出电阻、电容等因素相关；进而推导出在某种条件下的信号最优占空比公式。
步骤1：如图4所示，因为线缆1与线缆2之间的距离D远大于线缆自身的半径R，即D>>R，又因为线缆长度L远大于线缆之间的距离D，即L>>D，所以可以使用圆柱形电容器计算公式进行计算。介质的介电常数为ε，可以得出线缆1对线缆2所产生的单位长度的电容值c0为：
Figure BDA0003126697070000071
步骤2：推导当线长为ΔLi时，线缆1对线缆2所产生的电容值ci。如图4所示，因为线缆1和线缆2并不是平行放置的，所以需求出当线缆1和线缆2之间距离为Di，且该段线缆长度为ΔLi的分布电容值ci：
Figure BDA0003126697070000072
步骤3：推导线缆1对线缆2所产生的分布电容值C2。当线缆长度为ΔLi时，线缆1对线缆2产生的分布电容值为ci，那么可以推出，如过将线缆平均分为n等分，设每段长度为ΔLi，并且每段长度对应的线缆间距离为Di，则分布电容C2为：
Figure BDA0003126697070000073
也就是：
Figure BDA0003126697070000074
步骤4：推导统计意义上的线缆1对线缆2所产生的分布电容值C2。因为线缆在舰艇上的放置情况不是严格意义上的完全平行，所以假设线缆1和线缆2之间的距离Di服从正态分布，即Di～N(E，δ2)，假设Dmax为线缆1和线缆2之间的最大距离，Dmin为最小距离。那么两个线缆之间距离的数学期望E为：
Figure BDA0003126697070000075
从而可得到当线缆1与线缆2之间的距离期望为E时所产生的分布电容C2:
Figure BDA0003126697070000076
步骤5：推导线缆1对金属平面3所产生的分布电容C3。如图4所示，线缆1和无限大金属平板3可以大致等效看作为长度为L，宽为2R的平板电容器，根据平行板电容器的电容公式：
Figure BDA0003126697070000081
其中S为平板电容器的面积；d为平板电容器的间距，在这里也就是线缆1与金属平板3之间的距离。即可以推出线缆1对金属平板3产生的的分布电容C3：
Figure BDA0003126697070000082
步骤6：推导整个传输系统的电容总值C：
C＝C1+C2+C3+C4
其中，C1为传输系统输入部分等效电容，C2为线缆1对线缆2产生的分布电容，C3为线缆1对金属平板3产生的分布电容，C4为传输系统输出部分等效电容。
步骤7：推导整个传输系统的电阻总值。假设线缆1和线缆2为相同材质，相同粗细的传输线，单位长度电阻值为R0，则长度同为L的两个线缆电阻为：
R2＝R3＝R0L
所以整个传输系统的阻值为：
R＝R1+R4+2R0L
其中，R1为整个传输系统输入部分等效电阻，R4为传输系统输出部分等效电阻。
步骤8：推导传输系统中输出电压V与输入电压V0之间的关系式。如图6所示，根据一阶RC电路的输出电压表达式，V0是初始信号电压，可以得出输出端电压V随t变化公式：
Figure BDA0003126697070000083
其中R为传输系统总电阻，C为传输系统总电容，t为时间。
步骤9：推导初始电压从0时刻开始，下降到被判决为低电平信号所需的临界时间t1。如图7(a)所示，假设解码系统对于低电平信号的判决条件为：当信号强度下降为μV0时，即被判断为“0”信号，也就是在t1时刻，接收信号的电压值下降为μV0。根据上述描述，可以得出：
Figure BDA0003126697070000091
代入R，C表达式，可得：
Figure BDA0003126697070000092
则两边取对数，可以得出下降到μV0所需要的时间t1：
Figure BDA0003126697070000093
步骤10：推导“0”信号的最优占空比。如图7(b)所示，假设：数据传输的波特率为B，电压判决点在
Figure BDA0003126697070000094
时刻，则“0”信号的最佳占空时间T0为：
Figure BDA0003126697070000095
代入t1的表达式可得，“0”信号的最佳占空比Z0为：
Figure BDA0003126697070000096
则“1”信号的最佳占空比Z1为：
Z1＝(1-Z0)*100％。

Claims (7)

1.一种根据多变量的信号最优占空比计算方法，其特征在于，用于舰载弹药，包括如下步骤：
步骤(1)：需要对传输线缆进行建模，以获得传输线缆之间的分布电容模型以及和看作金属平板的周围环境所形成的分布电容模型；
步骤(2)：对传输系统电路进行建模；
步骤(3)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容；
步骤(4)：推导线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容；
步骤(5)：推导信号被判决为低电平的临界时间；
步骤(6)：推导信号最优占空比与相关变量之间的关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)对传输线缆进行建模具体包括如下步骤：
对于传输线缆实际放置位置进行建模，预设传输系统的使用环境是位于水面舰艇内部，包括传送线缆Ⅰ和接收线缆Ⅱ；
把舰艇上线缆所接触的平面看作一块无限大的金属平板；
传送线缆Ⅰ和接收线缆Ⅱ的长度均为L，两个线缆间距为D，线缆半径均为R；传送线缆Ⅰ和金属平板之间的距离为d。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)对传输系统电路进行建模具体包括如下步骤：
步骤(21)：对于传输系统的输入端，将其等效为一个输入电阻R1和一个输入电容C1；
步骤(22)：对于传输系统的线缆传输部分，将传送线缆Ⅰ的内阻记为R2，接收线缆Ⅱ的内阻记为R3；
步骤(23)：对于传送线缆Ⅰ对接收线缆Ⅱ产生的分布电容建模；由于线缆Ⅰ是传输信号线缆，那么线缆Ⅰ在进行数据传输的过程中会对线缆Ⅱ产生感应电容，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容记为C2；
步骤(24)：对于线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容建模；由于线缆Ⅰ是传输信号线缆，那么线缆Ⅰ在进行数据传输的过程中会对金属平板产生感应电容，线缆Ⅰ对无限大金属平板产生的分布电容记为C3；
步骤(25)：对于传输系统的输出端，将其等效为一个输出电阻R4和一个输出电容C4。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容具体包括如下步骤：
步骤(31)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容中的单位长度的电容值c0；使用圆柱形电容器计算公式进行计算，介质的介电常数为ε，可以得出线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的单位长度的电容值c0为：
Figure FDA0003126697060000021
步骤(32)：推导当线缆长度为ΔLi时，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的电容值ci；因为线缆Ⅰ和线缆Ⅱ并不是平行放置的，所以需求出当线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间距离为Di，且该段线缆长度为ΔLi的分布电容值ci：
Figure FDA0003126697060000022
步骤(33)：推导线缆Ⅰ对线缆Ⅱ所产生的分布电容值C2；当线缆长度为ΔLi时，线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容值为ci，那么可以推出，如过将线缆平均分为n等分，设每段长度为ΔLi，并且每段长度对应的线缆间距离为Di，则分布电容C2为：
Figure FDA0003126697060000023
也就是：
Figure FDA0003126697060000024
步骤(34)：推导统计意义上的线缆1对线缆2所产生的分布电容值C2；假设线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间的距离Di服从正态分布，即Di～N(E，δ2)，假设Dmax为线缆Ⅰ和线缆Ⅱ之间的最大距离，Dmin为最小距离；那么两个线缆之间距离的数学期望E为：
Figure FDA0003126697060000025
从而可得到当线缆Ⅰ与线缆Ⅱ之间的距离期望为E时所产生的分布电容C2：
Figure FDA0003126697060000031
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)推导线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容具体包括如下步骤：
推导线缆Ⅰ对金属平板所产生的分布电容C3；线缆Ⅰ和无限大金属平板等效看作为长度为L，宽为2R的平板电容器，根据平行板电容器的电容公式：
Figure FDA0003126697060000032
其中S为平板电容器的面积，d为平板电容器的间距,也就是线缆Ⅰ与金属平板之间的距离；即推出线缆Ⅰ对金属平板产生的的分布电容C3：
Figure FDA0003126697060000033
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)推导信号被判决为低电平的临界时间具体包括如下步骤：
步骤(51)：推导整个传输系统的电容总值C：
C＝C1+C2+C3+C4
其中，C1为传输系统输入部分等效电容，C2为线缆Ⅰ对线缆Ⅱ产生的分布电容，C3为线缆Ⅰ对金属平板产生的分布电容，C4为传输系统输出部分等效电容；
步骤(52)：推导整个传输系统的电阻总值；假设线缆Ⅰ和线缆Ⅱ为相同材质，相同粗细的传输线，单位长度电阻值为R0，则长度同为L的两个线缆电阻为：
R2＝R3＝R0L
所以整个传输系统的阻值为：
R＝R1+R4+2R0L
其中，R1为整个传输系统输入部分等效电阻，R4为传输系统输出部分等效电阻；
步骤(53)：推导传输系统中输出电压V与输入电压V0之间的关系式；根据一阶RC电路的输出电压表达式，V0是初始信号电压，可以得出输出端电压V随t变化公式：
Figure FDA0003126697060000034
其中R为传输系统总电阻，C为传输系统总电容，t为时间；
步骤(54)：推导初始电压从0时刻开始，下降到被判决为低电平信号所需的临界时间t1；假设解码系统对于低电平信号的判决条件为：当信号强度下降为μV0时，即被判断为“0”信号，也就是在t1时刻，接收信号的电压值下降为μV0；因此，可以得出：
Figure FDA0003126697060000041
代入R，C表达式，可得：
Figure FDA0003126697060000042
则两边取对数，可以得出下降到μV0所需要的时间t1：
Figure FDA0003126697060000043
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)推导信号最优占空比与相关变量之间的关系，具体如下：
假设：数据传输的波特率为B，电压判决点在
Figure FDA0003126697060000044
时刻，则“0”信号的最佳占空比Z0为：
Figure FDA0003126697060000045
代入t1的表达式可得，“0”信号的最佳占空比为：
Figure FDA0003126697060000046
则“1”信号的最佳占空比Z1为：
Z1＝(1-Z0)*100％。
CN202110692582.4A 2021-06-22 2021-06-22 一种根据多变量的信号最优占空比计算方法 Pending CN113536720A (zh)

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