基于ofdm技術(shù)提高xctd信道傳輸速率的新方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、深度(XCTD)剖面儀的傳輸信道為原型，提出了使用OFDM技術(shù)提高XCTD信道傳輸速率的新方法。
【背景技術(shù)】
[0002]XCTD是國內(nèi)外近年來研制并得到快速發(fā)展的一種較為先進(jìn)的電導(dǎo)率、溫度剖面測(cè)量設(shè)備，具有走航、實(shí)時(shí)、大面積、低成本和高精度測(cè)量的特點(diǎn)，它通過發(fā)射裝置將測(cè)量探頭拋入海中，探頭在快速下降過程中將內(nèi)置傳感器采集到的剖面數(shù)據(jù)通過傳輸線實(shí)時(shí)傳輸并進(jìn)行處理，進(jìn)而分析出不同深度海洋環(huán)境的溫度、鹽度等系列參數(shù)，XCTD傳輸線由直徑約為
0.1mm的單根雙股漆包線構(gòu)成，以螺旋電感的形式纏繞成兩個(gè)線軸分別安裝在水下探頭和船上發(fā)射裝置內(nèi)部，由于XCTD探頭下降速度快，纏繞在線軸上的傳輸線不斷釋放，傳輸信道的參數(shù)隨放線長(zhǎng)度不斷改變，呈高階線性時(shí)變特性，隨著探測(cè)深度的增大，信道帶寬越來越窄，并且數(shù)據(jù)傳輸速率越高，信號(hào)幅值衰減越嚴(yán)重，信噪比就會(huì)越低，如圖1所示，XCTD信號(hào)的傳輸速率在很大程度上受到限制。
[0003]OFDM是多載波調(diào)制的一種典型應(yīng)用，它將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸，通過OFDM技術(shù)可以充分利用XCTD的有限帶寬，以降低單個(gè)載波傳輸速率的方式來獲得更高的信噪比增益，以增大載波的數(shù)量來提高信道的帶寬利用率，進(jìn)而提高XCTD的數(shù)據(jù)傳輸速率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是解決提高XCTD信道傳輸速率的難題，提出了OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)提高XCTD信道的帶寬利用率這一方法，并構(gòu)建了OFDM算法流程圖，通過改變探測(cè)深度、傳輸速率、信噪比等來觀察信號(hào)誤碼率，本發(fā)明對(duì)于提高XCTD數(shù)據(jù)傳輸速率具有重要的意義。
[0005]本發(fā)明提供的基于OFDM技術(shù)提高XCTD信道傳輸速率的算法流程，如圖2所示，算法流程的設(shè)計(jì)思路是:
[0006]1、星座圖映射調(diào)制
[0007]XCTD信道是低通窄帶濾波特性信道，頻率增大，信號(hào)幅值衰減嚴(yán)重，信噪比降低，OFDM技術(shù)把整個(gè)信道劃分成若干正交子信道，可以根據(jù)不同子信道的不同特點(diǎn)選擇不同的調(diào)制方式，特性較好的信道，在滿足一定信噪比后可以適當(dāng)增大數(shù)據(jù)傳輸速率，所以可以選擇16QAM，64QAM等高階調(diào)制方式，在信道特性差的地方，信道信噪比低，要降低數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣就可以選擇QPSK，2PSK調(diào)制等低階調(diào)制方式，所以使用OFDM技術(shù)可以根據(jù)XCTD每個(gè)子信道特點(diǎn)在傳輸效率和噪聲容限之間做出均衡。
[0008]2、子載波數(shù)量
[0009]XCTD信道是窄帶系統(tǒng)，這也是限制信道數(shù)據(jù)傳輸速率的重要原因之一，而OFDM技術(shù)相對(duì)單載波調(diào)制系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是增大了頻譜利用率，OFDM技術(shù)將整個(gè)信道劃分成若干子信道，每個(gè)子信道用不同頻率相互正交的子載波進(jìn)行調(diào)制，所以可以通過減小子載波頻率間隔來增大子載波數(shù)量，進(jìn)而提高XCTD信道的帶寬利用率，最終提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
[0010]3、IFFT 算法
[0011 ]各個(gè)子信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)入信道之前，需要把各個(gè)子信道信息疊加起來共同發(fā)射，而IFFT算法大大減化了此疊加運(yùn)算的復(fù)雜程度，但此算法的應(yīng)用需要滿足輸入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2的整數(shù)次冪，所以可以在IFFT之前，通過串并轉(zhuǎn)換使數(shù)據(jù)長(zhǎng)度滿足要求。
[0012]4、保護(hù)間隔
[0013]XCTD信道是有線信道，由雙股漆包線構(gòu)成，不存在多徑時(shí)延，但是由于信道本身頻移和相移特性，數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中存在碼間串?dāng)_，此時(shí)OFDM符號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象而影響到下一個(gè)符號(hào)，解決碼間串?dāng)_的措施就是在兩個(gè)0Π)Μ符號(hào)之間添加保護(hù)間隔，從而可以減小誤碼率。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0015]通過OFDM技術(shù)可以充分利用XCTD有限的帶寬，以降低單個(gè)載波傳輸速率的方式來獲得更高的信噪比增益，以增大載波的數(shù)量來提高信道帶寬利用率，提高XCTD的數(shù)據(jù)傳輸速率，本文從XCTD的信道特點(diǎn)出發(fā)，在MATLAB的仿真平臺(tái)上搭建了 OFDM的傳輸系統(tǒng)，如圖3所示，通過改變信號(hào)傳輸頻率、探測(cè)深度以及信噪比等來觀察信號(hào)誤碼率，并分析其原因，最后得到，如圖4所示，在一定子載波數(shù)量范圍內(nèi)，結(jié)合所測(cè)信道帶寬范圍，加以合適的保護(hù)間隔，隨著子載波數(shù)量增加，數(shù)據(jù)有效傳輸速率逐漸增大，本發(fā)明為應(yīng)用XCTD儀器進(jìn)行水文數(shù)據(jù)的探測(cè)提供了一種新方法，同時(shí)為工程技術(shù)人員能正確采用OFDM技術(shù)提高XCTD傳輸速率具有重要的理論指導(dǎo)意義。
【附圖說明】
[0016]圖1是走航投棄式XCTD工作過程及窄帶分析。
[0017]圖2是OFDM算法基本流程。
[0018]圖3是OFDM技術(shù)在XCTD信道上應(yīng)用的s imul ink仿真程序。
[0019]圖4是OFDM技術(shù)在XCTD信道上應(yīng)用的有益效果展示。
【具體實(shí)施方式】
[0020]使用simulink仿真軟件對(duì)OFDM技術(shù)提高XCTD信道傳輸速率這一新方法進(jìn)行仿真，如圖3所示。
[0021]1、確定調(diào)制方式，OFDM技術(shù)要根據(jù)信道特點(diǎn)選擇不同調(diào)制方式，一般低階調(diào)制方式選用QPSK，高階調(diào)制方式則選擇16QAM或64QAM，信號(hào)在調(diào)制之前，可以通過串并轉(zhuǎn)換將整個(gè)信道分成若干正交子信道，載波頻率較低的信道信號(hào)衰減幅度小，信噪比較高，可以選擇16QAM，64QAM高階調(diào)制方試將數(shù)據(jù)速率提高上來，而數(shù)據(jù)速率較高的信道則由于信道的窄帶低通濾波特性，信號(hào)幅值衰減嚴(yán)重，因此不能再通過高階調(diào)制方試提高數(shù)據(jù)傳輸速率，而是通過低階調(diào)制方式使信號(hào)以較低的速率傳輸，從而增大信噪比增益，在選擇調(diào)制方式時(shí)，QPSK調(diào)制方式可能會(huì)由于信道的相移特性而使解調(diào)過程受到影響，可以根據(jù)信道的相移特性，在解星座圖映射時(shí)改變判決條件，觀測(cè)誤碼率的變化使其達(dá)到最優(yōu)，最終經(jīng)過調(diào)試和優(yōu)化，使調(diào)制方式在子信道選擇和速率選擇中做到均衡，使誤碼率最小化。
[0022]2、確定子載波數(shù)量，調(diào)整子載波數(shù)量，并使載波數(shù)量滿足2的整數(shù)次冪，為了提高信道的頻譜利用率，子載波數(shù)量需要增多，但是載波數(shù)量增加后每個(gè)載波所占帶寬減小，將會(huì)使得系統(tǒng)對(duì)于多普勒頻移更加敏感，此外載波數(shù)量增大，峰均比也會(huì)增大，必然會(huì)對(duì)發(fā)射端要求增高，所以載波數(shù)量不能設(shè)成任意大，而是需要做到子載波數(shù)量和信道之間的均衡，把載波數(shù)量限制在一定范圍內(nèi)。
[0023]估計(jì)載波數(shù)量方法可以參考采用以下方法:
[0024](I)通過信道估計(jì)確定載波數(shù)量等參數(shù)，XCTD信道隨著深度增加，信道帶寬逐漸減小，因此不能通過估計(jì)一個(gè)深度時(shí)信道的特點(diǎn)而概括整個(gè)下降過程的信道特性，可以選擇幾個(gè)典型的深度進(jìn)行信道估計(jì)，最終在信道估計(jì)結(jié)果中分析，實(shí)驗(yàn)，比較出最優(yōu)方案。
[0025](2)考慮探測(cè)深度，數(shù)據(jù)速率等參數(shù)，選擇不同子載波數(shù)量進(jìn)行測(cè)試，并分析比較出最優(yōu)方案。
[0026]3、確定保護(hù)間隔，XCTD信道由雙股漆包線構(gòu)成，不存在多徑時(shí)延，但是由于信道本身頻移和相移特性，數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中存在碼間串?dāng)_，此時(shí)OFDM符號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象而影響到下一個(gè)符號(hào)，解決碼間串?dāng)_的措施就是在兩個(gè)OFDM符號(hào)之間添加保護(hù)間隔，由于XCTD信道沒有多徑時(shí)延，因此確定保護(hù)間隔長(zhǎng)度和符號(hào)周期長(zhǎng)度不能從時(shí)延長(zhǎng)度來確定，也就是保護(hù)間隔并不能確定一個(gè)確切的值，只有通過對(duì)進(jìn)入信道前和出信道后數(shù)據(jù)的觀察對(duì)比，逐步調(diào)試，找出合適的保護(hù)間隔長(zhǎng)度。
[0027]4、數(shù)據(jù)經(jīng)過星座圖映射，IFFT，添加保護(hù)間隔等過程進(jìn)入信道后，需要相應(yīng)的逆變換恢復(fù)數(shù)據(jù)，即去保護(hù)間隔，F(xiàn)FT，解調(diào)等過程，最后綜合各個(gè)模塊參數(shù)，對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于OFDM技術(shù)提高XCTD信道傳輸速率新方法的算法流程，算法流程的設(shè)計(jì)模塊包括星座圖映射，串并轉(zhuǎn)換，IFFT變換，添加保護(hù)間隔，上變頻，XCTD信道，下變頻，去除保護(hù)間隔，F(xiàn)FT變換，并串轉(zhuǎn)換，星座圖解映射。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星座圖映射與解映射模塊，其特征在于，XCTD信道是低通窄帶濾波特性信道，頻率增大，信號(hào)幅值衰減嚴(yán)重，信噪比越來越低，OFDM技術(shù)把整個(gè)信道劃分成若干子信道，可以根據(jù)不同子信道的不同特點(diǎn)選擇不同的調(diào)制方式，特性較好的信道，在滿足一定的信噪比后可以適當(dāng)增大數(shù)據(jù)傳輸速率，所以可以選擇16QAM，64QAM等多階調(diào)制方式，在信道特性差的地方，信道信噪比低，所以要降低數(shù)據(jù)傳輸速率，這樣就可以選擇QPSK，2PSK調(diào)制等調(diào)制方式，所以使用OFDM技術(shù)可以根據(jù)XCTD每個(gè)子信道特點(diǎn)在傳輸效率和噪聲容限之間做出均衡。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串并轉(zhuǎn)換與并串轉(zhuǎn)換模塊，其特征在于，系統(tǒng)通過串并轉(zhuǎn)換決定子載波的數(shù)量，XCTD信道是窄帶系統(tǒng)，這也是限制信道數(shù)據(jù)傳輸速率的重要原因之一，而OFDM技術(shù)相對(duì)單載波調(diào)制系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是將整個(gè)信道劃分成若干子信道，每個(gè)子信道用不同頻率相互正交的子載波進(jìn)行調(diào)制，所以可以通過減小子載波間隔來增大子載波數(shù)量，進(jìn)而可以提高XCTD信道的帶寬利用率，最終提高數(shù)據(jù)傳輸速率。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IFFT變換與FFT變換模塊，其特征在于，OFDM在進(jìn)入信道之前，需要把各個(gè)子信道信息疊加起來共同發(fā)射，而IFFT算法可以大大減化此疊加運(yùn)算的復(fù)雜程度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加保護(hù)間隔與去除保護(hù)間隔模塊，其特征在于，XCTD信道是有線信道，由雙股漆包線構(gòu)成，不存在多徑時(shí)延，但是由于信道本身頻移和相移特性，數(shù)字信號(hào)在相移的影響下存在碼間串?dāng)_，此時(shí)OFDM符號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象而影響到下一個(gè)符號(hào)，而解決碼間串?dāng)_的措施就是在兩個(gè)OFDM符號(hào)之間添加保護(hù)間隔，從而減小誤碼率。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的上變頻與下變頻模塊，其特征在于，將低速的基帶信號(hào)調(diào)制到較高頻率的載波上進(jìn)行傳輸。
【專利摘要】本發(fā)明以走航拋棄式溫度、鹽度、深度剖面儀的傳輸信道為原型，提出了采用OFDM技術(shù)來提高XCTD信道傳輸速率的方法，目前XCTD信道主要采用單載波的頻帶傳輸方式，其中隨著探測(cè)深度和傳輸頻率增大，信號(hào)信噪比大大降低，限制了信道的傳輸速率，OFDM是多載波調(diào)制的一種典型應(yīng)用，它可以充分利用XCTD的有限帶寬，以降低單個(gè)載波傳輸速率的方式來獲得更高的信噪比增益，以增大載波的數(shù)量來提高信道帶寬利用率，提高XCTD的數(shù)據(jù)傳輸速率，本發(fā)明構(gòu)建了OFDM算法流程圖，通過改變探測(cè)深度、信噪比等來觀察信號(hào)誤碼率并分析其原因，本發(fā)明采用OFDM技術(shù)對(duì)于提高XCTD數(shù)據(jù)傳輸速率具有重要的意義。
【IPC分類】H04L27/26, H04L25/03, H04L5/00
【公開號(hào)】CN105610759
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610044211
【發(fā)明人】鄭羽, 尚應(yīng)生, 宋國民, 李晴文, 田磊, 王慧泉, 東磊
【申請(qǐng)人】天津工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年1月21日