Ask频带传输对深海走航xctd时变信道传输信号误码率的分析方法
【专利摘要】本发明以走航抛弃式温度、盐度、湿度剖面仪的传输信道为原型，提出了一种ASK频带传输方式对传输信号误码率分析的方法。随着探测深度、信号传输频率和随机噪声的增加，传输的数字信号幅值衰减严重，严重影响信号在ASK频带传输中的稳定性。本发明阐述ASK幅值解调的方法，优化了传输信道模型，分析2000m探测范围内XCTD信道阻抗参数的变化。利用MATLAB软件分析随机噪声、XCTD信道时变参数和传输频率对解调信号的影响，提出噪声是影响ASK传输稳定性的主要因素，并具体分析信号在大深度测量中解调后误码率的大小及产生原因。得出在2000m深海远距离小噪声ASK频带传输过程中，增加信号传输频率可以在一定程度上提高信号传输的准确性，该种传输条件最适合ASK频带传输方式。
【专利说明】
ASK频带传输对深海走航XCTD时变信道传输信号误码率的分 析方法
技术领域
[0001] 本发明W走航抛弃式溫度、盐度、湿度(XCTD)剖面仪的传输信道为原型，提出了一 种ASK频带传输方式对传输信号误码率分析的方法。
【背景技术】
[0002] 抛弃式测量仪器主要的产品为溫度剖面仪(XBT)，溫盐剖面仪(XCTD)，声速剖面仪 (XSV)和海流剖面仪(XCP)等，其中XCTD最为常用，其整个系统信号传输部分由2000m的有线 信道构成，单根传输线是直径约为0.1 mm的平行漆包线，分别W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。探头由位于船尾部的发射装置发射入水， 并随传感器的下沉过程逐渐展开，探头内部的数据采集器实时完成海洋环境参量的采集、 处理、传输并W数字信号的形式通过探头内的细传输线同步传到船上，最终形成测量剖面 图。目前时变信道传输的稳定性是影响XCTD发展的主要问题，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，由于XCTD信道具有 时变特性，在复杂的海水测量环境中对信号解调带来极大困难，并且在放线过程中信号幅 值严重衰减，运种时变性破坏了信号传输的稳定性，信号崎变严重。
[0003] ASK频带传输方式作为主要通信技术手段一直被工程上广泛的使用，相比基带传 输方式具有很大的优势，但对于XCTD信道和复杂的环境特点，传输信号存在不稳定问题，但 对该问题的深入分析却很少。因此本发明本文首先阐述ASK解调的原理，建立了传输信道的 模型，选取关键测量点分析信道阻抗参数、传输频率、随机噪声对ASK解调的影响并分析解 调后误码率产生的大小及原因，该方法的提出对分析XCTD时变信道传输性能的影响具有重 要的理论指导意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决XCTD信道在ASK频带传输下的信号误码率特点，提出了一种 ASK频带传输方式对传输信号误码率分析的方法，找到适合该信道特点的ASK传输方式。
[0005] 本发明方法根据具体应用环境建立了 XCTD传输信道的模型，并利用MATLAB软件分 析XCTD在动态放线过程中ASK频带方式下的信号误码率特点，W及其影响的原因。
[0006] 本发明的技术方案：
[0007] 本发明提供的深海走航XCTD时变信道ASK频带传输下传输信号误码率的分析方 法，具体步骤是：
[000引第1步、信道对ASK调制传输的影响，探测深度、信号传输频率和随机噪声的大小是 影响XCTD信道调制输出的主要问题，如图1所示。
[0009] (1)在工程研制中的最低传输频率为300Hz，如果传输频率低于300Hz，水文数据采 集的时间分辨率不能满足实时测量的要求，目前国外该设备的最大传输速率为2400bps，因 此本设计频率范围选择低频信号300Hz，W及高频信号1200化，因此本文选用300Hz和 1200化为其两个典型频率。
[0010] (2)而2000m为目前XCTD的最大有效探测深度，因此本文对2000m的放线过程进行 分析，选取200m、1800m为其两个典型探测深度。
[0011] (3)而无论随机噪声还是突发噪声对ASK调制输出影响的关键问题还是幅值问题， 因此本文分析了不同量级噪声对ASK调制产生的影响，由于海水为弱导体，可W做地线处 理，水下噪声源往往通过海水地而大大减弱，但XCTD信号在上传到海面附近后，会受到船体 设备工频噪声的影响，随机噪声的量级被大大提高，将淹没有效信号，因此本文的噪声量级 选用-60地、-20地两个量级来模拟运两个主要的噪声幅值。
[0012] 第2步、ASK调制解调原理
[0013] 调制采用模拟调幅法，采用相干解调W降低解调信号的误码率，解调与调制使用 同一载波保证相干解调的同频同相，由于解调后信号幅值衰减严重，在抽样判决后添加一 个增益模块，完成解调过程，并实现信号的误码率分析，整个实现过程如图2所示。
[0014] 本发明的优点和有益效果：
[0015] 本发明针对于XCTD时变信道信号传输的误码率进行了详细的分析，通过对2000m 测量范围内投弃式深海测量仪器信号传输在放线过程中出现的幅值衰减进行分析，可知随 机噪声、传输频率、XCTD时变信道参数变化均引起信号幅值的衰减，其中噪声是影响ASK频 带传输准确性的主要因素，有效抑制噪声量级的大小是解决ASK传输稳定性的关键问题。在 2000m深海远距离小噪声的ASK频带传输过程中，增加信号传输频率可W在一定程度上提高 信号传输的准确性，该种情况下最适合ASK频带传输方式，对工程技术人员正确采用该种传 输方式具有重要的理论指导意义，同时对更好的了解XCTD工作状态下信道对信号传输性能 的影响，W及对提高测量数据的精度和信号传输的稳定性具有重要的意义。
【附图说明】
[0016] 图1是走航投弃式XCTD信道特点及对ASK调制传输带来影响的流程图。
[0017] 图2是XCTD信道ASK频带传输的主要影响因素和实现原理图。
[001引图3是信道简化电路模型图。
[0019] 图4是探测深度、信号传输频率、噪声量级对ASK频带传输误码率影响的波形图，其 中
[0020] 图A为传输频率300Hz下增加探测深度与随机噪声对ASK频带传输的影响
[0021] (a)探测深度200m，随机噪声-60地；（b)探测深度200m，随机噪声-20地；（C)探测深 度1800m，随机噪声-60地；（d)探测深度1800m，随机噪声-20地
[0022] 图B为传输频率1200化下增加探测深度与随机噪声对ASK频带传输的影响
[0023] (a)探测深度200m，随机噪声-60地；（b)探测深度200m，随机噪声-20地；（C)探测深 度1800m，随机噪声-60地；（d)探测深度1800m，随机噪声-20地
[0024] 图5是误码率分析图(A)信号传输频率为300Hz(B)信号传输频率为1200化
[0025] W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】
[0026] 第1步、信道传输模型的建立
[0027] 根据放线过程中各参数的变化规律，对之前电路模型进行优化设计如图3所示。 XCTD的信道由水下线轴、展开传输线和水上线轴S部分组成，因而建立的信道电路模型由 S个子模块组成。其中b、Rl、Cl是水下线轴的电路参数，R3、R4为放出的平行导线的电阻，C3 为放出的平行线的分布电容，L2、R2、C2为水上线轴的电路参数，负载端选用IMQ的电阻Ro, 由于XCTD信道传输线为双股漆包线，缠绕方式、工作环境等影响因素完全相同，所W电路模 型具有上下对称且对称参数数值相等的特点。本文在建立信道模型的基础上，分析该信道 对ASK调制方式产生的影响。
[0028] 对信道模型利用网孔电流法进行S域的计算，假定在水下线圈和展开传输线、水上 线圈网孔中分别存在Il、l2的网孔电流，则可得到计算方程如公式(1)所示。
[0029]
(1)
[0030] Xi、X2分别为单股漆包线缠绕水上线圈和水下线圈产生的复阻抗，表达式为公式 (2)和(3)所示。
[0033] 则可计算信道模型的传递函数H(S)为：
[00川 似
[0032] (3)
[0034]
(4)
[0035] 由于在低频信号时缠绕线圈的杂散电容可W忽略，而深海走航投弃式剖面仪的信 号波特率一般在几 Ifflz左右，属于低频信号，则&与拉可简化为：
[0036] Xi = bS+Ri (5)
[0037] X2 = L2S+R2 (6)
[0038] 由于电路模型上下对称且对称参数数值相等，则展开传输线电阻R3、R4可简化为：
[0039] R3 = R4 = R (7)
[0040] 将其带入传递函数中解得最终传递函数H(S)为：
[0041]
(8)
[0042] 其中；
[00创 （9)
[0044] 第2步、ASK调制解调算法的设计与实现
[0045] 2ASK，也称为二进制振幅键控，振幅键控是利用载波变化来传递数字信息的，而其 频率和初始相位保持不变。ASK信号是利用代表数字信息"0"或"r的基带矩形脉冲去键控 (调制）一个连续的载波，有载波输出时表示发送"1"，无载波输出时表示发送"0"dASK的时 域表达式而W棄^ 苗械化巧化脉油皮列与正弦型载波的相乘，如公式（10)所示：
[0046] (10)
[0047] 式中，载波幅度为l;g(t)为码元波形:Tb为码元的宽度：《。为载波角频率;ak为第k 个二进制码元，如公式(11)所示：
[004引
（。）
[0049] 在一般情况下，调制信号S(t)可W是具有一定波形形状的二进制基带信号，由此 可W看出ASK对信道抗干扰能力和保持幅值的要求较高。调制采用模拟调幅法，采用相干解 调W降低解调信号的误码率，解调与调制使用同一载波保证相干解调的同频同相，如图2所 /J、- O
[0050] 第3步、ASK调制方式下XCTD信道的误码率分析
[0051] 信道对ASK调制传输的影响，探测深度、信号传输频率和随机噪声的大小是影响 XCTD信道调制输出的主要问题，本文选用300Hz和1200化为其两个典型频率，选取200m和 1800m为其两个典型探测深度，选用-60地和-20地两个量级来模拟运两个主要的噪声幅值， 通过ASK频带传输方式，通过现有的信道模型，来对传输信号进行误码率分析，找到适合 XCTD信道模型的ASK频带传输方式。
[0052] 仿真与分析结果
[0053] (1)根据图2的调制解调算法，本文对不同量级的随机噪声、不同的传输频率和不 同探测深度对ASK频带传输影响进行了详细的分析，根据之前选取的特征点，首先将信号传 输频率固定在300Hz，具体分析增加探测深度与随机噪声对ASK解调影响的波形图，如图4 (A)所示，具体的误码率分析值如图5(A)所示。
[0054] 在探测深度为200m，随机噪声为-60地时，经过ASK解调后信号误码率为0.1509,由 图5(A-a)可知在近距离低频小噪声传输中解调信号存在一定失真，由于随机噪声幅值较 小，基本可W忽略，信号失真主要由信道参数与传输频率的变化影响的。固定探测深度不 变，将随机噪声增加到-20地时，对比图5(A-b)与图5(A-a)可知误码率增加到0.3672,信号 传输的可靠性大大降低。
[0055] 固定随机噪声为-60地不变，将探测深度从200m增加到1800m，在增加探测深度的 过程中信道中的容性参数逐渐增加而感性参数却逐渐减小形成时变信道，对比图5(A-c)与 图5(A-a)可知经ASK解调后误码率降到0.0003。同时对比图5(4-(3)与图5(4-6)可知在增加 探测深度的同时减小随机噪声，误码率降低99.92%，在低频传输中对比探测深度的变化可 知随机噪声的变化对ASK解调准确性的影响更大。固定探测深度为1800m，将随机噪声增加 到-20地时，对比图5(A-d)与图5(A-c)可知误码率增加到0.4399。对比图5(4-(1)与图5(4-6) 可知在低频大噪声传输中增加探测深度误码率增加16.53%。对比图5(A-d)与图5(A-a)可 知在低频传输中同时增加随机噪声与探测深度误码率增加65.70%。
[0056] 分析传输频率为1200化时增加探测深度与随机噪声对ASK解调的影响如图4(B)所 示，具体的误码率分析值如图5(B)所示。在探测深度为200m，随机噪声为-60dB时，解调信号 误码率为0.1512,如图5(a)所示。探测深度不变，将随机噪声增加到-20地时，对比图5(b)与 图5(a)可知解调信号误码率增加到0.4630。
[0057] 固定随机噪声-60dB不变，将探测深度增加到1800m，对比图5(c)与5 (a)可知解调 信号误码率降低到0.0002。将探测深度增加到1800m，同时将随机噪声增加到-20地，对比图 5(d)与图5(c)可知解调信号误码率增加了0.4662。对比图5(d)与图5(b)可知在高频大噪声 传输中增加探测深度误码率增加了 99.96%。对比图5(d)与图5(a)可知在高频传输中同时 增加随机噪声与探测深度误码率增加了 67.58%。
[0058] 通过分析可知在远距离低频小噪声、远距离高频小噪声传输中，解调信号的误码 率较小，对ASK解调准确性的影响较小;在近距离低频小噪声、近距离高频小噪声传输中，解 调信号的误码率较大，降低ASK解调的准确性;在低频大噪声、高频大噪声传输中，解调信号 的误码率很大，严重降低ASK解调的准确性，严重降低信道传输质量。
[0059] (2)对比图5(A)和(B)可知，（a)在探测深度为200m，随机噪声为-60地，增加传输频 率误码率增加了0.0003。（b)在探测深度为200m，随机噪声为-20dB传输时增加传输频率误 码率增加了〇.〇958。（(3)在探测深度为1800m，随机噪声为-60地传输时增加传输频率误码率 降低了 0.0001，（d)在探测深度为1800m，随机噪声-20dB传输时增加传输频率误码率增加 0.0265。
[0060] 通过本文的分析可知，图5中（C)在远距离小噪声传输中增加传输频率可W提高 ASK解调的准确性，在该种情况下更加适合ASK调制传输的工作方式，而在近距离小噪声、近 距离大噪声、远距离大噪声传输中增加传输频率均降低ASK解调的准确性，过大的误码率往 往会影响信号传输的可靠性。
【主权项】
1. ASK频带传输对深海走航XCTD时变信道传输信号误码率的分析方法。2. 根据权利要求1所述的ASK频带传输对深海走航XCTD时变信道传输信号误码率的分 析方法，信道对ASK调制传输的影响，探测深度、信号传输频率和随机噪声的大小是影响 XCTD信道调制输出的主要问题。3. 根据权利要求1所述的ASK频带传输对深海走航XCTD时变信道传输信号误码率的分 析方法，调制采用模拟调幅法，采用相干解调以降低解调信号的误码率，解调与调制使用同 一载波保证相干解调的同频同相，由于解调后信号幅值衰减严重，在抽样判决后添加一个 增益模块，完成解调过程，并实现信号的误码率分析。
【文档编号】H04B17/391GK105846927SQ201610343481
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】郑羽, 尚应生, 宋国民, 靳翔羽, 王晓瑞, 东磊
【申请人】天津工业大学