基于ofdm技术提高xctd信道传输速率的新方法
【技术领域】
[0001 ]本发明以走航抛弃式温度、盐度、深度(XCTD)剖面仪的传输信道为原型，提出了使用OFDM技术提高XCTD信道传输速率的新方法。
【背景技术】
[0002]XCTD是国内外近年来研制并得到快速发展的一种较为先进的电导率、温度剖面测量设备，具有走航、实时、大面积、低成本和高精度测量的特点，它通过发射装置将测量探头抛入海中，探头在快速下降过程中将内置传感器采集到的剖面数据通过传输线实时传输并进行处理，进而分析出不同深度海洋环境的温度、盐度等系列参数，XCTD传输线由直径约为
0.1mm的单根双股漆包线构成，以螺旋电感的形式缠绕成两个线轴分别安装在水下探头和船上发射装置内部，由于XCTD探头下降速度快，缠绕在线轴上的传输线不断释放，传输信道的参数随放线长度不断改变，呈高阶线性时变特性，随着探测深度的增大，信道带宽越来越窄，并且数据传输速率越高，信号幅值衰减越严重，信噪比就会越低，如图1所示，XCTD信号的传输速率在很大程度上受到限制。
[0003]OFDM是多载波调制的一种典型应用，它将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上进行传输，通过OFDM技术可以充分利用XCTD的有限带宽，以降低单个载波传输速率的方式来获得更高的信噪比增益，以增大载波的数量来提高信道的带宽利用率，进而提高XCTD的数据传输速率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是解决提高XCTD信道传输速率的难题，提出了OFDM正交频分复用技术提高XCTD信道的带宽利用率这一方法，并构建了OFDM算法流程图，通过改变探测深度、传输速率、信噪比等来观察信号误码率，本发明对于提高XCTD数据传输速率具有重要的意义。
[0005]本发明提供的基于OFDM技术提高XCTD信道传输速率的算法流程，如图2所示，算法流程的设计思路是:
[0006]1、星座图映射调制
[0007]XCTD信道是低通窄带滤波特性信道，频率增大，信号幅值衰减严重，信噪比降低，OFDM技术把整个信道划分成若干正交子信道，可以根据不同子信道的不同特点选择不同的调制方式，特性较好的信道，在满足一定信噪比后可以适当增大数据传输速率，所以可以选择16QAM，64QAM等高阶调制方式，在信道特性差的地方，信道信噪比低，要降低数据传输速率，这样就可以选择QPSK，2PSK调制等低阶调制方式，所以使用OFDM技术可以根据XCTD每个子信道特点在传输效率和噪声容限之间做出均衡。
[0008]2、子载波数量
[0009]XCTD信道是窄带系统，这也是限制信道数据传输速率的重要原因之一，而OFDM技术相对单载波调制系统最突出的特点就是增大了频谱利用率，OFDM技术将整个信道划分成若干子信道，每个子信道用不同频率相互正交的子载波进行调制，所以可以通过减小子载波频率间隔来增大子载波数量，进而提高XCTD信道的带宽利用率，最终提高数据传输速率。
[0010]3、IFFT 算法
[0011 ]各个子信道传输的数据进入信道之前，需要把各个子信道信息叠加起来共同发射，而IFFT算法大大减化了此叠加运算的复杂程度，但此算法的应用需要满足输入数据长度为2的整数次幂，所以可以在IFFT之前，通过串并转换使数据长度满足要求。
[0012]4、保护间隔
[0013]XCTD信道是有线信道，由双股漆包线构成，不存在多径时延，但是由于信道本身频移和相移特性，数字信号在传输过程中存在码间串扰，此时OFDM符号之间会产生拖尾现象而影响到下一个符号，解决码间串扰的措施就是在两个0Π)Μ符号之间添加保护间隔，从而可以减小误码率。
[0014]本发明的优点和有益效果:
[0015]通过OFDM技术可以充分利用XCTD有限的带宽，以降低单个载波传输速率的方式来获得更高的信噪比增益，以增大载波的数量来提高信道带宽利用率，提高XCTD的数据传输速率，本文从XCTD的信道特点出发，在MATLAB的仿真平台上搭建了 OFDM的传输系统，如图3所示，通过改变信号传输频率、探测深度以及信噪比等来观察信号误码率，并分析其原因，最后得到，如图4所示，在一定子载波数量范围内，结合所测信道带宽范围，加以合适的保护间隔，随着子载波数量增加，数据有效传输速率逐渐增大，本发明为应用XCTD仪器进行水文数据的探测提供了一种新方法，同时为工程技术人员能正确采用OFDM技术提高XCTD传输速率具有重要的理论指导意义。
【附图说明】
[0016]图1是走航投弃式XCTD工作过程及窄带分析。
[0017]图2是OFDM算法基本流程。
[0018]图3是OFDM技术在XCTD信道上应用的s imul ink仿真程序。
[0019]图4是OFDM技术在XCTD信道上应用的有益效果展示。
【具体实施方式】
[0020]使用simulink仿真软件对OFDM技术提高XCTD信道传输速率这一新方法进行仿真，如图3所示。
[0021]1、确定调制方式，OFDM技术要根据信道特点选择不同调制方式，一般低阶调制方式选用QPSK，高阶调制方式则选择16QAM或64QAM，信号在调制之前，可以通过串并转换将整个信道分成若干正交子信道，载波频率较低的信道信号衰减幅度小，信噪比较高，可以选择16QAM，64QAM高阶调制方试将数据速率提高上来，而数据速率较高的信道则由于信道的窄带低通滤波特性，信号幅值衰减严重，因此不能再通过高阶调制方试提高数据传输速率，而是通过低阶调制方式使信号以较低的速率传输，从而增大信噪比增益，在选择调制方式时，QPSK调制方式可能会由于信道的相移特性而使解调过程受到影响，可以根据信道的相移特性，在解星座图映射时改变判决条件，观测误码率的变化使其达到最优，最终经过调试和优化，使调制方式在子信道选择和速率选择中做到均衡，使误码率最小化。
[0022]2、确定子载波数量，调整子载波数量，并使载波数量满足2的整数次幂，为了提高信道的频谱利用率，子载波数量需要增多，但是载波数量增加后每个载波所占带宽减小，将会使得系统对于多普勒频移更加敏感，此外载波数量增大，峰均比也会增大，必然会对发射端要求增高，所以载波数量不能设成任意大，而是需要做到子载波数量和信道之间的均衡，把载波数量限制在一定范围内。
[0023]估计载波数量方法可以参考采用以下方法:
[0024](I)通过信道估计确定载波数量等参数，XCTD信道随着深度增加，信道带宽逐渐减小，因此不能通过估计一个深度时信道的特点而概括整个下降过程的信道特性，可以选择几个典型的深度进行信道估计，最终在信道估计结果中分析，实验，比较出最优方案。
[0025](2)考虑探测深度，数据速率等参数，选择不同子载波数量进行测试，并分析比较出最优方案。
[0026]3、确定保护间隔，XCTD信道由双股漆包线构成，不存在多径时延，但是由于信道本身频移和相移特性，数字信号在传输过程中存在码间串扰，此时OFDM符号之间会产生拖尾现象而影响到下一个符号，解决码间串扰的措施就是在两个OFDM符号之间添加保护间隔，由于XCTD信道没有多径时延，因此确定保护间隔长度和符号周期长度不能从时延长度来确定，也就是保护间隔并不能确定一个确切的值，只有通过对进入信道前和出信道后数据的观察对比，逐步调试，找出合适的保护间隔长度。
[0027]4、数据经过星座图映射，IFFT，添加保护间隔等过程进入信道后，需要相应的逆变换恢复数据，即去保护间隔，FFT，解调等过程，最后综合各个模块参数，对通信系统进行优化。
【主权项】
1.一种基于OFDM技术提高XCTD信道传输速率新方法的算法流程，算法流程的设计模块包括星座图映射，串并转换，IFFT变换，添加保护间隔，上变频，XCTD信道，下变频，去除保护间隔，FFT变换，并串转换，星座图解映射。2.根据权利要求1所述的星座图映射与解映射模块，其特征在于，XCTD信道是低通窄带滤波特性信道，频率增大，信号幅值衰减严重，信噪比越来越低，OFDM技术把整个信道划分成若干子信道，可以根据不同子信道的不同特点选择不同的调制方式，特性较好的信道，在满足一定的信噪比后可以适当增大数据传输速率，所以可以选择16QAM，64QAM等多阶调制方式，在信道特性差的地方，信道信噪比低，所以要降低数据传输速率，这样就可以选择QPSK，2PSK调制等调制方式，所以使用OFDM技术可以根据XCTD每个子信道特点在传输效率和噪声容限之间做出均衡。3.根据权利要求1所述的串并转换与并串转换模块，其特征在于，系统通过串并转换决定子载波的数量，XCTD信道是窄带系统，这也是限制信道数据传输速率的重要原因之一，而OFDM技术相对单载波调制系统最突出的特点就是将整个信道划分成若干子信道，每个子信道用不同频率相互正交的子载波进行调制，所以可以通过减小子载波间隔来增大子载波数量，进而可以提高XCTD信道的带宽利用率，最终提高数据传输速率。4.根据权利要求1所述的IFFT变换与FFT变换模块，其特征在于，OFDM在进入信道之前，需要把各个子信道信息叠加起来共同发射，而IFFT算法可以大大减化此叠加运算的复杂程度。5.根据权利要求1所述的添加保护间隔与去除保护间隔模块，其特征在于，XCTD信道是有线信道，由双股漆包线构成，不存在多径时延，但是由于信道本身频移和相移特性，数字信号在相移的影响下存在码间串扰，此时OFDM符号之间会产生拖尾现象而影响到下一个符号，而解决码间串扰的措施就是在两个OFDM符号之间添加保护间隔，从而减小误码率。6.根据权利要求1所述的上变频与下变频模块，其特征在于，将低速的基带信号调制到较高频率的载波上进行传输。
【专利摘要】本发明以走航抛弃式温度、盐度、深度剖面仪的传输信道为原型，提出了采用OFDM技术来提高XCTD信道传输速率的方法，目前XCTD信道主要采用单载波的频带传输方式，其中随着探测深度和传输频率增大，信号信噪比大大降低，限制了信道的传输速率，OFDM是多载波调制的一种典型应用，它可以充分利用XCTD的有限带宽，以降低单个载波传输速率的方式来获得更高的信噪比增益，以增大载波的数量来提高信道带宽利用率，提高XCTD的数据传输速率，本发明构建了OFDM算法流程图，通过改变探测深度、信噪比等来观察信号误码率并分析其原因，本发明采用OFDM技术对于提高XCTD数据传输速率具有重要的意义。
【IPC分类】H04L27/26, H04L25/03, H04L5/00
【公开号】CN105610759
【申请号】CN201610044211
【发明人】郑羽, 尚应生, 宋国民, 李晴文, 田磊, 王慧泉, 东磊
【申请人】天津工业大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年1月21日