基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法与流程

本发明以感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法为基础，提出一种基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法，以提高多载波基带和fsk混叠传输的准确性，为基于感应耦合通信信道的数据通信研究提供了一个新的思路，为提高海洋通信系统的抗干扰能力和降低信号传输的误码率提供了方法依据。

背景技术：

基于感应耦合信道的数据传输技术是海洋测量的关键技术之一，其采用电磁感应原理实现无接触的水下信号传输，具有传输方式结构简单、成本低，传输距离远的特点，同时可以将传感器节点进行立体组网，实现更好的海洋监测作用。感应耦合海洋数据通信系统主要由水下数据节点，数据传输信道和水上接收调制系统三部分组成，其中水下数据节点由传感器、数据发送调制系统组成；传输信道由耦合磁环(包括水上磁环和水下磁环)、传输缆和水体组成。在感应耦合海洋实际测量工作中，水下数据节点中的传感器完成对不同节点的海水温度、盐度、深度等信息的采集，并将数据经过数据发送调制系统进行调制组包传到水下磁环，然后通过感应耦合传输到单匝线圈再传输到水上磁环，最后传输到水上接收调制系统进行解调处理。

目前，中国所研发的感应耦合传输系统即是以海洋环境、铁氧体材料的磁环、高强度的塑包钢缆为传输通道，应用ask或dpsk的调制解调技术，实现数据信息的传输，其传输速率达到1200bps。相较于中国，其他国家基于感应耦合原理的传输系统已拥有多种类型的成熟的产品。现阶段，掌握感应耦合传输技术并实际应用到海洋监测系统的主要有两个公司，分别是美国的sbe-bird和加拿大的rbr公司，其产品的传输速率可达9.6kbps。ask常用的解调方法为非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)；dpsk常用的解调方法为相干解调(极性比较法)加码反变换法和差分相干解调(相位比较法)，采用串行数据处理方式，处理速度较慢，解调电路复杂。而基于感应耦合温盐深链多载波基带与fsk混合调制采用的时域解调方法存在抗干扰能力低，对复杂海洋环境中的低信噪比信道适应能力差，数据传输的准确性不高，而采用并行滤波器对频域数据分析的方法，相比于在时域中的数据解调方法，具有电路设计简单，信号传输的准确性高的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是通过对感应耦合温盐深链的通信系统接收器解调方法的研究，设计了基于多通道并行处理频域解调方法，提高了多载波基带和fsk混叠调制传输的准确性，降低传输信号的误码率，大大提高海洋监控网络的工作能力和实时监控能力，降低海洋通信监控节点的功耗，延长使用时间。

本发明依据感应耦合信道的信道特点和傅立叶变化进行了理论分析，并根据fft/ifft的相关理论知识和频域滤波的优势，基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法，设计了新型的信号解调方法，以提高多载波基带和fsk混叠传输准确性。首先将接收到时域数字信号通过fft变换变成频域信号，得到信号的频谱；其次将变换所得频域信号同时并行通过多个频域滤波器，进行频域滤波，提取出基带频谱，这里面的滤波器的个数取决于发送参数个数，滤波器为频域上的窗函数；最后对所有的提取出的信号进行ifft，频域变换成时域，整形恢复成方波形式，再进行计数。本发明基于感应耦合温盐深链，有温度、盐度、深度三种信号，调制部分设置了三种不同频率的方波，每一种频率的方波代表一种参数，方波的周期数为该参数的发送数值大小，因此本发明设计了四种不同中心频率的频域滤波器，四通道的并行处理。

本发明是基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法，并且结合基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法所设计的解调方法，设计了一套完整海洋通信收发系统，提高多载波基带和fsk混叠传输准确性的方法。首先采用matlab软件上进行了仿真测试，验证了解调方法的可行性。此外利用labview软件、实际耦合信道对整个海洋通信收发系统进行实际的实验室级测试，以验证在实际环境中的使用情况。该发明为海洋数据传输研究提供了一个新的方法，并对提高海洋通信系统传输速率和准确性具有重要的实际意义，并对复杂海洋通信监测系统提供了解决方案。

本发明的技术方案：

本发明基于感应耦合温盐深链特点，结合感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法，发明了基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法，以此构成了完整的收发海洋通信系统，利用matlab对该解调方法的可行性和优越性进行了验证，并且利用labview软件、实际的海洋耦合信道和matlab解调程序算法进行了实际测试。可表述为，利用labview软件编程设计数据调制算法程序调制发送程序和niusb-6259数据采集卡采集接收通过海洋耦合信道的已调数据，进而将接收到的数据保存起来，并通过多通道并行处理频域解调程序解调数据，以此验证在实际情况中的解调方法的可行性，并且与传统的时域滤波方法进行比较，验证其优越性。

本发明提供的基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法，具体步骤是：

第1步、设计发送调制部分

首先基于感应耦合温盐深链海洋通信系统的信道特点，设计多载波基带与fsk混合调制方法，进行基带方波调制，不加入载波；方波频率部分采用类似fsk的频率变化方式，并且该信号只传输温度、盐度、深度四种参数，因此采用将四种不同频率的串行发送到信道中，第一个频率段为导波，周期数固定，导波的作用是起到引导、识别作用；后三个频率分别为海洋中的温度、盐度、深度的参数，周期数大小代表着参数值；四个频率为一组数据一起发送。

第2步、设计接收解调系统

将已调信道并行经过fft将时域信号转变成频域信号，分别并行通过四种不同中心频率的时域窗型滤波器，提取出各频率的基带频谱信号，将提取出的频谱信号再经过ifft转换成时域信号，整形成方波，并利用上升沿进行计数，保存起来；如果首频率的周期数是跟发送的首频率波形的周期数一样，那将后面接收到的数据保存起来；如果不一样，丢弃后面的数据；

第3步、通信调制解调系统加噪声测试

将数据发送系统和数据接收系统综合在一块，形成完整的通信收发系统，利用matlab进行测试仿真，对其加入高斯白噪声，输入3种温、盐、深数据量，通过调制系统调制出相应的频率和周期数，设定系统的信噪比，解调系统中设定fft和ifft的每次读取的长度，设置频域滤波器的中心频率与发送的方波四种频率相对应，再经过整形计数得到相应的数据，并将所得数据与发送数据进行计算得到相应的误码率，与传统的时域滤波的误码率进行比较。测试结果表明基于多载波基带与fsk混合调制方式的频域解调方法具有可行性，并且相比于传统的时域解调方法来说，具有更高的数据传输准确性，可以实现海洋通信系统功能，能够在更低的信噪比的情况下保证很低的误码率，非常适合在复杂的海洋中使用。

第4步、加入实际感应耦合信道进行验证实验

利用labview软件设计发送调制系统，即输入温度、盐度、深度三种参数的数值，调制出导波、温度、盐度、深度四种不同频率组合而成的方波信号，并加入高斯白噪声以模拟实际环境，将混合噪声的信号发送到实际的海洋通信感应耦合信道当中，并且利用niusb-6259数据采集卡对通过信道的信号进行采集。接收到的数字信号使用第二步中所叙述的接收解调方法进行解调处理，得到三个参数的具体数值，将得到的数据与发送数据进行比较得到误码率，并且将该误码率与传统的时域解调方法所产生的误码率进行比较。由实验结果可知，基于多载波基带与fsk混合调制方式的频域解调方法能够在实际的海洋耦合信道中使用，并且比传统的时域解调方法有更高的准确性，具有很高的使用价值，这一结果和对系统的仿真测试结果相一致，证明了仿真测试的准确性。

本发明的优点和有益效果：

本发明针对于提高多载波基带和fsk混叠传输准确性，提出了基于感应耦合温盐深链的多通道并行处理频域解调方法，该方法较其他常用的ask、dpsk等解调方法来说，使用多通道并行处理频域解调方法对传输的数据进行解调，采用并行多通道数据处理，降低了数据处理时间，提高了数据的处理能力，简化了解调电路；相比于传统的并行时域解调方法来说，简化了滤波器的设计难度，提高了该方法的可应用性，另外提高了解调系统的滤波能力，可以将时域上很难或者无法去除的干扰在频域上较简单的除掉，提高了系统的抗干扰能力和数据传输的准确性，更加满足实际的实际的海洋通信系统的需求。基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制与多通道并行处理频域解调相结合而构建的海洋通信系统，功耗低，传输数据量大，使用寿命长，而且并行处理解调方式，减少了数据处理时间。可以大大增大数据传输量，并且根据需要对监测系统进行扩展，调制部分增加参数值的数量，解调部分只需要增加相应处理部分即可，可以很方便的提高整个通信系统的复杂度。该方法非常适用于常用的fpga的并行优势，这样可以大大加快数据的处理速度，提高整个通信系统的处理能力，降低整个系统的功耗，提高整个通信系统的使用周期。

图1是基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制的海洋通信总体设计图，主要包括：(a)水上磁环部分，(b)传输钢缆，(c)水下磁环，(d)调制部分，(e)解调部分；

图2是算法实现流程图，图(a)是调制部分，图(b)是解调部分及其结构；

图3是海洋通信系统的各节点波形还原，图(a)是发送出的原始方波，(b)加噪声的方波，(c)经过fft的频谱图，(d)经过滤波以后的频谱，(e)经过ifft后波形，(f)经过整形后的波形；

图4是误码率计算图，图(a)是误码率与误码率的关系时域和频域解调对比图，图(b)是误码率与发送频率的关系时域和频域解调对比图；

以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

实施例一

第一步：设计发送调制部分

首先前导码选用30khz的方波，周期数设置为5000；温度信息采用60khz的方波，周期数设置为8000，；盐度信息采用70khz的方波，周期数设置为2000；深度信息采用40khz的方波，周期数设置为3000。按照串行的方式，先发送前导码，其次温度信息，再次盐度信息，最后深度信息的顺序，将这四种频率固定、周期数确定的方波组信号发送出去。

第二步：设计接收解调系统

由系统、四种带通滤波器、整形器和计数器构成。fft采用点数为2048fft个点，当比特流过来时，自动采集2048个点，输入到fft系统中进行快速傅立叶变换，从而转换成一组新的数据。滤波器阶数为100阶，分别用于滤出30khz、60khz、70khz、40khz的信号。接着将信号ifft处理，再次转换为时域的比特流。转换后的信号是正弦的，故采用一个整形器将它整形成方波。整形器的原理是，若输入信号的电压值大于某一阈值，则输出信号为高，若等于或低于该阈值，则输出信号为低。原则上，该阈值是一个大于零的电压值，故最后的输出方波占空比小于50％。最后采用一个计数器计数上升沿个数，便可以达到技术方波个数的目的，从而获取信号中蕴含的信息。

第三步：通信调制解调系统加噪声测试

如第一步所叙述的设计出发送调制部分，导波频率为30khz，周期为5000；温度频率为60khz，周期数8000；盐度频率为70khz，周期数为2000；深度频率为40khz，周期数为3000；将所调制的信号串行输出，加入高斯白噪声，设置信噪比为8db，形成受到噪声干扰的输出信号，并将该信号输入到如第二步所述的接收解调系统中，解调出相应的参数数值，并对解调出的数值与发送的数值相比较，计算出相应的误码，并将该误码率与传统的时域解调系统所产生的误码率进行比较。通过仿真测试，验证了新型频域解调方法的可行性和提高了多载波基带和fsk混叠传输准确性。

第四步：加入实际感应耦合信道进行验证实验

利用labview软件设计发送部分，输入温度、盐度、深度参数值，进而调制出导波30khz的方波，周期数设置为5000；温度参数采用频率为60khz的方波，周期数设置为8000，；盐度参数采用频率为70khz的方波，周期数设置为2000；深度参数采用频率为40khz的方波，周期数设置为3000。将四种频率的方波通过模数转换器将数字信号转换为模拟电信号，输入到感应耦合信道中，并使用niusb-6259数据采集卡对通过信道的信号进行采集。接收到的数字信号经过第三步叙述的接收系统程序进行解调处理，得到三个参数的具体数值，并将得到的数值与发送数值进行比较，计算出误码率。该试验验证了新型频域滤波解调方法提高了提高了多载波基带和fsk混叠传输准确性，并与仿真测试进行比较，这一结果和对系统的仿真测试结果相一致，证明了仿真测试的准确性。

仿真与分析结果

(1)由图中可以看出，为提高多载波基带和fsk混叠传输准确性而设计的新型频域解调方法，采用并行处理方式，在通过fft变换成频域信号后，同时通过多个频域滤波器，提取基带频谱，再通过ifft反变换成时域信号，整形计数。这种结构方式可以降低信号处理时间，提高数据的处理能力；同时这种解调方式很好适应于基于感应耦合温盐深链的多载波基带与fsk混合调制方法，可以共同构建成整套的海洋通信系统。

(2)由图中可以看出，信号的误码率会随着信噪比的降低而出现逐渐增大的趋势，当信号的噪声太大的时候会淹没有用的信号，造成信号干扰而有用信号无法提炼出来，为了使误码率处于在千分之二的范围，理论上信噪比最低为4db，实际测试中信噪比有所上升，达到8db；与传统的时域解调方法相比较，在相同的信噪比的情况下，误码率大大降低，最低信噪比也相比于传统方法有了很大的降低，可以使用于更加恶劣的环境中。有更强的抗干扰能力，能够提高多载波基带和fsk混叠传输准确性。

通过这个实验还可以得出如下结论：新型频域解调方法与多载波基带与fsk混合调制方法可以构建成一套完整的海洋通信系统。一方面可以简化电路，降低功耗，并且该传输系统一次性组包发送温、盐、深多数据参数，传输信息量大，并且可以根据实际使用情况增加发送的参数，增加传输的参数量，扩大监控范围，这样可以延长整套系统的使用寿命；另一方面，可以提高系统的抗干扰能力，降低误码率，提高数据传输的准确性，为构建复杂海洋监测系统提供了可行性方案。