1、第34卷第11期計算機仿真2017年11月文章編號：1006-9348(2017)11-0184-06深海走航剖面儀目標探測信號傳輸率優化仿真鄭羽'，尚應生I宋國民I,李紅志2(1.天津工業大學電信學院，天津300387；2,國家海洋技術中心，天津300112)摘要:現有單赦波傳輸方式下，深海走航投弁式剖面儀的信號幅值會隨信號速率增大而劇烈衰減，從而使得信號傳輸準確性降低,嚴重影響了信號傳輸速率的提高，提出了對抗信道衰落和窄帶干擾的正交頻分復用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing.OFDM)技術，以增加載波數址來提高倡道帶寬利用率，在保證準確

2、性的同時提高投棄式溫鹽深剖面(ExpendableConductivity-Temperature-Deplhprofiler.XCTD)信號傳輸速率。設計基于SIMLLINK平臺的OFDM算法仿真系統，從XCTD信道模型入手.針對不同的傳輸頻率、探測深度和噪聲量級,分析了OFDM算法與ASK、DPSK單載波的傳輸方式。通過OFDM算法與單裁波傳輸方式對比的仿食結果表明.OFDM算法對于提高XCTD信號傳輸速率具有較高的可行性和有效性,對提高深海走航投棄式剖面儀信號傳輸速率的研究提供(種新的思路。關鍵詞：正交頻分復用;投奔式溫鹽深剖面儀;帶寬利用率;傳輸速率中圖分類號:TN802文獻標識碼：B

3、TheOptimalSimulationofTransmissionRateofInvestigatedSignalofDeep-SeaUnderwayProfilerZHENGYu1,SHANGYing-sheng1,S()NGGuo-min1,LIHong-zhi2(1.SchoolofInformationandElectricalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.NationalOceanTechnologyCenter,Tianjin300112,China)ABSTRACT:Inthemod

4、eofexistingsingle-carriertransmission,theamplitudeofthesignalofdeep-seaunderwayexpendableprofilerwillbeseverelyattenuatedwiththeincreaseofthesignaltransmissionrate,whichresultsinloweraccuracyofdatatransmission.Sothesituationseriouslyaffectstheraiseofsignaltransmissionrate.ThispaperpresentedOFDMtechn

5、ologywhichcanconfrontchannelfadingandnarrowbandinterference.ItimprovesthesignaltransmissionrateofExpendableConductivity-Tempfratun;-Depthprofilerundertheconditionofensuringtheaccuracywiththeincreaseofbandwidthutilizationbyincreasingthenumberofcarriers.WedesignedthesimulationsystemofOFDMalgorithmbase

6、dontheSIMULINKsimulationplatform.StartingwiththeXCTDchannelmodel,accordingtodifferenttransmissionfrequency,investigationdepthandnoiselevel,thepaperanalyzedOFDMalgorithmandthesingle-carriertransmissionmodeofASK,DPSK.thesimulationresultsthatOFDMalgorithmiscomparedwiththeexistingsingle-carriertransmiss

7、ionmodeshowthatOFDMalgorithmhashighfeasibilityandeffectivenessforimprovingsignaltransmissionrateofXCTD.Itprovidesanewmethodfortheresearchofimprovingthetransmissionrateofdeep-seaunderwayexpendableprofiler.KEYWORDS:Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing(OFDM);Expendableconductivity-temperature-depthp

8、rofiler(XCTD);BandwidthutilizationTransmissionrate1引言深海走航投棄式剖面儀是國外研制成功并得到快速發展的一種先進剖面探測設備，其具有走航、實時、大面積、低基金項目：天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(I4JCYBJC16300)；國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510058035)收稿日期：2016-10-17修回H期：2016-11-10成本和高精度測量的特點，其主要的產品類型為溫度剖面儀(XBT)、溫鹽剖面儀(XCTD)、聲速剖面儀(XSV)和海流剖面儀(XCP)等，其中XCTD是典型應用之一,近幾年一直受到海洋學家及研究學者的高度

9、重視IX)o日本的鶴見精機有限公司(TSK)以及美國的洛克希德馬丁斯皮坎公司(LockheedMartinSippican)在XCTD技術上一直處于也界領先水平，它們所生產的產品基本上壟斷了全球的市場，然而其核心技術卻對非盟友國家實行封鎖。國外海洋儀器研發機構出于商業考慮，未對這類問題的研究成果進行過公開。近年來我國在研究XBT基礎上加快了XCTD的研究步伐。2009年9月，陳雷等S研究XCTD數據傳輸導線材質的特殊性和導線長度的時變性，研制了基于ASK調制的數據傳輸系統2010年6月，賈志成等提出了基于曼徹斯特編碼的單載波基帶數據傳輸技術,但仍然無法解決單載波傳輸方式下,XCTD信道傳輸速率

10、低下的問題。目前XCTD信道主要采用單載波ASK、DPSK傳輸方式，但單載波傳輸方式下提高信道的傳輸速率，信號的幅值將大大減小。本文針對單載波傳輸方式下信號速率受限的難題，提出了可以對抗信道衰落和窄帶干擾的OFDM技術，其在水聲、深空、光通信領域具有重要的應用價值8-，,o本文搭建了基于SIMULINK平臺的OFDM算法仿真系統，從信號的不同傳輸速率、探測深度及信噪比等角度進行仿真分析，驗證了OFDM算法對于提高深海走航投奔式剖面儀的傳輸速率的可行性和有效性。本文基于XCTD信道模型的OFDM算法仿真系統對XCTD傳輸速率的研究具有重要的參考價值。2XCTD信道的傳遞函數建立XCTD類儀器傳輸

11、信道具有相同的特點，考慮到儀器成本、重量以及特殊的工作環境等原因,XCTD類儀器信道傳輸線采用了直徑約為0.1mm的單根雙股漆包線。傳輸線以螺旋電感的形式纏繞成兩個線軸分別安裝在水下探頭和船上發射裝置內部，在探頭下降過程中，水上和水下線軸在運動過程中同時不斷釋放線纜,水中展開線纜長度不斷增加，兩個線軸上的線纜長度不斷減少。根據放線過程中各參數的變化規律，對課題組之前的電路模型【進行優化設計，如圖1所示。XCTD的信道由水下線軸、展開傳輸線和水上線軸三部分組成，因而建立的信道電路模型由三個子模塊組成。其中L1、R1是水下線軸的電路參數,R3、R4為放出的平行導線的電阻,C3為放出的平行線的分布電

12、容,L2、R2為水上線軸的電路參數，負載端選用1MQ的電阻R0。由于XCTD信道傳輸線為平行雙股漆包線，纏繞方式、工作環境等影響因素完全相同,所以電路模型具有上下對稱且對稱參數數值相等的特點。圖1XCTD信道的電路模型優化設計根據XCTD信道的電路優化模型及傳遞函數的計算方法,XCTD信道的傳遞函數如式(1)所示。"(Z)=(I-Z七蒞)(S|f)(S|,+(1)(1-S2)(S2-S3)如也(1-)(sts2-S$3-+«32)3其中參數的表達式如式(2)所示，電容電感電阻等參數的作用見圖1所示。bl+b2b=1r+363o-t9加了=_6：(氣l).季(3屈.3)186

13、,2aT6-M招_3代b,(Ai+i)b2+6M廠一團.3壓+3)-呻=+少(氣D.6b188；。+礦粉。.矗-費+哉by=4L)LjCyb2=2CJL1(/e0+2R2)+4(2&+2R)b】=2C3(«,+«)(«o+2R,)+2(4+右)bo=R。+2R+2R2+2RR=R3=Rt(2)結合XCTD信道的傳遞函數，對XCTD信道在2000m深度范圍內進行多次測量,其電感、電容、電阻值的變化趨勢如圖2所示。線軸在水下放線過程中，線圈纏繞電感值L1J2的變化區間為1.734H10.150,7,分布電容值C3的變化區間為0.10958/zF2.19160“

14、FWm,在XCTD信道測俄中電感的變化量與放線長度成反比，而電容的變化鼠則與放線長度成正比。電阻只與傳輸線的長度和材質相關，在整個工作過程中為恒定值，其中展開線的電阻值R3、A4的變化區間為4529040,線圈中電阻值R1、R2的變化區間為4294。0/20通過對XCTD信道的阻抗參數的變化趨勢分析以及本課題組之前的研究報道3叫.XCTD信道的特點如下:高階線性時變性;低通窄帶衰落特性;傳輸信號信噪比低。基于XCTD信道的特點，單載波傳輸方式下，信號的幅值隨傳輸頻率和測量深度增大而變化的特性曲線如圖3所示。在同一探測深度下,信號的幅值隨著傳輸頻率的增大而劇烈衰減;在一定的傳輸頻率下，隨著探測深

15、度的增大，信號的幅值衰減越大;在保持相同的幅值條件下，隨著探測深度的增大，信號傳輸的帶寬大大降低。因此在單載波傳輸方式下,XCTD信道衰落特性嚴重影響了XCTD信號傳輸速率的提高。25-probingdepth/m圖2XCTD信道的電感、電容和電阻參數的變化趨勢圖制,然后將N個已調的子載波信號合并.構成-個OFDM符號為N.1=£&尸4,0，W7；(3)A(>將OFDM符號用離散化的方法表示.設抽樣周期為7定義R=n*(l/T5)=n/NT,對SgN)進行采樣，在一個符號周期Ts內的第n個抽樣值可表示為v-ixS“g(kT)=£尤廣置/=(4)0對式(4)的快

16、速離散傅里葉變換"77算法如式(5)所示V-ISg(k)=土£&叩了，&=1(5)JN其中X600&株率/Hz4MOOHz飛.M-200m*®-1000«:-200>一.Ii圖3信號的幅值隨傳輸頻率和測量深度增大而變化的特性曲線-1000aZOOHz0f-1200Hz-2001*>(“|/旦I*1S-iooofH知0008；1sK-IS0O2000OSi(05幅值/V-!tOOfttK-IIOOmOFDM是多載波調制的一種典型應用f圈，其可以有效對抗信道衰落及窄帶干擾。通過OFDM技術可以充分利用XCTI)的有限帶寬，

17、以降低單個子載波傳輸速率的方式來獲得更高的信噪比增益，以增大子載波的數雖來提高信道帶寬利用率，在保證準確性的同時提高XCTI)信道數據傳輸的速率。3基于XCTD信道的OFDM傳輸系統設計3.1OFDM基本原理解析OFDM的基本思想是在頻域內將XCTL)信道分成若干正交子信道,在每個子信道上進行獨立的子栽波調制，各子載波均為并行窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相干帶寬，因此可以大大消除符號間干擾。水F探頭內置的傳感器采集到的數據經AD轉換后傳入XCTD信道的輸入的信息序列為如，然后將比特碼組映射為星座中的某個星座點。如果XCTD子信道個數為N,符號周期為Ts匕為第個子載波的載波頻率,5頑為第個子載波

18、的星座映射點，則N個子載波在每個符號周期孔內會形成由So，Sl'，Sz復數構成的N個星座映射點，分別對N個復數了載波叫。2矽G,expQ2矽.,叫。2心_/)進行調炊=性(6)在接收端，為了恢復出子載波的星座映射點S'.,對S"k)進行FFT變換如式(7)所示I偵S=tfEsmWm=0,1,1(7)JN&o星座映射點Sn經過星座圖解映射得到輸出信息序列6；,比較信源序列如與輸出序列的誤碼率情況.進而通過調整相關參數來修正系統，同時從式(7)可以看出，OFDM信號相鄰子載波間的間隔滿足0=】/八時.正交關系如式(8)所示%*伊仇5出=1，；=七,k=0,1,.1

19、(8)so*0,j9k式(8)說明只要使各個子載波之間的間隔為Ts的倒數的整數倍時就保證了各個子載波之間的正交性，這種正交性使頻譜相互重疊的各個子載波信號在接收端能被正確地分離出來.使得OFDM技術H有較高的頻譜利用率。3.2OFDM傳輸系統設計根據XCTD信道的窄帶特點，符號周期、保護間隔、延時以及子載波數量的設計為OFDM算法在XCTD信道中應用的關鍵，該參數的大小取決于XCTD信道的調制方式、每幀數據此以及信號的傳輸速率。為了更好地分析不同深度下XCTI)信道的特性，本文選取了不同深度和不同信號速率進行分析。由于XCTD國內最大測量深度為1000m,傳輸速率為800bps,因此本文選用其

20、作為OFDM算法的對比技術指標；由于IF"運算的數據長度為2的整數次幕，所以每幀數據長度應選為2的整數次果;在探測深度為1000m時，若以信號的最小分辨率ImV為基準,則信道帶寬為10kHz,由于XCTD信道帶寬有限，為了最大程度地利用信道資源,經多次信道測試選擇16作為每幀數據的長度。考慮到目前XCTD單載波方式F調制方式、時變信道特點及海洋環境噪聲的復雜性，本文選用低階的QPSK調制方式;經星座圖映射，數據長度變為原來的一半，故子裁波個數為原來幀長度的一半。符號周期為傳輸-幀數據所用的時間，同時為保證各子載波間正變性，相鄰子載波間的頻率間隔不能小于符號周期的倒數，旦只能取其整數倍

21、，因此經多次測試選擇子載波間隔為1kHz。在OFDM應用中，循環前綴保護間隔K度一般為符號周期長度的1/8-1/4,由于在OFDM符號之間插入了循環前綴保護間隔，因此OFDM符號定時同步的起始時刻可以在保護間隔內變化，因而可以有效避免XCTD的線性時變特性所產生的ISI和ICI對子載波之間的正交性的影響.保證了基于XCTD信道的OFDM系統的數據傳輸的準確性。OFDM算法的參數設置見表1。表1OFDM算法參數設置參數設置每幀數據昆N16符號周期Ts/ms20子載波數量N8子載波間隔"kHz1信道帶寬B/kHz10由于XCTD信道是電阻電感電容組成的物理信道.多徑衰落和多普勒頻移對其數

22、據傳輸的影響極小，因此本課題組未采用傳統的信道估計和均衡技術來增強系統，根據OFDM算法的設計原理和表1的參數設置，本文設計并搭建了基于XCTD信道的OFDM傳輸系統，如圖4所示，該傳輸系統由信源、延時模塊、QPSK調制映射和解調逆映射模塊.OFDM發送和接收模塊.XCTD信道、噪聲模塊、誤碼率計算模塊組成c«aMwi|)|l2圖4基于XCTD物理信道的OFDM傳輸系統4傳統單載波調制方式與OFDM算法仿真結果的對比分析4.1傳統ASK頻帶傳輸方式下的誤碼率分析目前ASK是國產XCTD通信系統中常用技術之一，本文者重分析了隨機噪聲、信號傳輸速率和探測深度對ASK頻帶傳輸的影響，根據A

23、SK在實際通信系統中的應用情況，本文選取了300bps.1200bps為信號傳輸速率,分別測出了兩種速率下探測深度和隨機噪聲對ASK解調影響的誤碼率分析圖(如圖5所示)。由于海水為弱導體，可視作地線處理,水下噪聲源在海水中傳播時通過海水的地線作用其能量會大大減弱.因而隨機噪聲的雖級較小，但XCTD信號上傳到海面后，會受到船體設備工頻噪聲等形成的突發噪聲的影響，噪聲址級會大大提高，將淹沒有效信號。為了保證模擬噪聲的有效性，根據國家海洋技術中心的海洋噪聲研究工作者的建議，本文選用-6()dB、-20dB兩個噪聲量級來模擬信道噪聲的缺級，其中信號的歸一化功率量級為OdB。圖5探測深度、信號傳輸頻率、

24、嗅聲級對ASK頻帶傳輸誤碼率影響的柱形圖信號傳輸速率為300bps時探測深度和隨機噪聲對ASK解調影響的誤碼率分析圖如圖5(A)所示。在探測深度為200m,隨機噪聲為-60dB時，經過ASK解調后信號誤碼率為0.1509,由圖5(A)_a可知在小深度低頻小噪聲環境下，解調信號存在一定失真；固定探測深度不變，將隨機噪聲增加到-20dB時,對比圖5(A)-b與圖5(A)-a可知，ASK解調信號的誤碼率增加到0.3672,信號傳輸準確性大大降低；固定隨機噪聲為-60dB,探測深度由200m增加到1800m時，信道中的容性參數逐漸增加而感性參數卻逐漸減小，信道時變特性明顯，對比圖5(A)-c與圖5(A

25、)-a可知,ASK解調信號的誤碼率降為0.0003，同時對比圖5(A)-c與圖5(A)-b可知在增加探測深度的同時減小隨機噪聲，誤碼率降低99.92%；固定探測深度為1800m,隨機噪聲增加為-20dB時,對比圖5(A)-d與圖5(A)-c可知誤碼率增加到0.4399,對比圖5(A)-d與圖5(A)-b可知在低頻大噪聲傳輸中增加探測深度誤碼率增加16.53%,對比圖5(A)-d與圖5(A)-a可知在低頻傳輸中同時增加隨機噪聲與探測深度誤碼率增加65.70%o信號傳輸速率為1200bps時探測深度和隨機噪聲對ASK解調影響的誤碼率分析圖如圖5(B)所示。在探測深度為200m,隨機噪聲為-60dB

26、時，解調信號誤碼率為0.1512,如圖5(B)-a所示；保持探測深度不變，隨機噪聲增加為-20dB時,對比圖5(B)-b與圖5(B)-a可知解調信號誤碼率增加到0.4630；隨機噪聲為-60dB,探測深度增加到1800m時,對比圖5(B)-c與圖5(B)a可知解調信號誤碼率降為0.0002；保持探測深度不變，隨機噪聲增加到-20dB時，對比圖5(B)-d與圖5(B)-c訶知解調信號誤碼率增加為0.4662,對比圖5(B)-d與圖5(B)-b可知在高頻大噪聲傳輸中增加探測深度誤碼率增加了0.69%,對比圖5(B)-d與圖5(B)-a可知在高頻傳輸中同時增加隨機噪聲與探測深度誤碼率增加了67.58

27、%。通過圖5(A)和(B)的對比分析可知，在整個探測過程中,隨機噪聲、信號傳輸速率是影響ASK傳輸的準確性的主要因素，其中在相同信號傳輸速率下，噪聲是影響ASK傳輸準確性的最主要的因素；在同一噪聲環境下，隨著信號傳輸速率的增大,信號傳輸準確性大大降低。因此ASK單載波傳輸方式下，為保證一定的信號傳輸準確性,XCTD信號的傳輸速率受到了極大的限制。圖5(A)選用的傳輸速率為300bps,圖5(B)選用的傳輸速率為1200bps,橫坐標中a表示探測深度200m,隨機噪聲-60dB；b表示探測深度200m,隨機噪聲-20dB；c表示探測深度1800m,隨機噪聲-60dB；d表示探測深度1800m,隨

28、機噪聲-20dBo4.2傳統DPSK頻帶傳輸方式下的誤碼率分析目前DPSK是國產XCTD通信系統中另外一種最常用技術之一，本文對隨機噪聲、信號傳輸速率和探測深度對DPSK頻帶傳輸性能的影響進行了分析，由于傳輸信道阻抗的時變性，傳輸信號經過信道后頻率和相位會發生偏移，根據之前的研究，相位偏移在大深度測量時趨于穩定，且采用差分相位方式，因此相位干擾可以忽略，信號的頻率偏移成為主要問題.如果采用與調制信號相同的載波數值,這樣會帶來頻率偏差，尤其對于低頻信號，這種誤差的影響會更大，因此本文認為接收信號頻率不變，用載波的偏移量來模擬信號的頻偏,重點討論了信號傳輸速率為1200bps時,調制載波頻率為60

29、00Hz時，探測深度、隨機噪聲和載波頻偏量對DPSK解調影響的誤碼率分析圖，如圖6所示。信號源速率為1200bps,調制載波頻率為6000Hz時，具體分析解調過程中載波頻偏產生誤碼率的大小以及在增加探測深度與隨機噪聲后對DPSK解調的影響，如圖6所示。圖6(a)固定隨機噪聲的量:級為-60dB,解調過程中載波頻率為60(X)Hz,當載波頻率穩定在6000Hz時，誤碼率為0.00008,載波頻率在±30Hz的范圍內波動時，誤碼率的變化值在2%8%范圍內，在探測深度為1600m后誤碼率在3%5%范圍內變化。圖6(b)固定隨機噪聲的量級為-20dB,解調過程中載波頻率為6000Hz,當載波

30、頻率穩定在6000Hz時,誤碼率為0.000080載波頻率在±30Hz的范圍內波動時，誤碼率的變化值在2%8%范圍內，在探測深度為1600m后誤碼率也在3%5%范圍內變化，而在實際的XCTD信號傳輸過程中，隨著傳輸頻率的增大，10Hz載波頻偏的誤差即是很難控制的，同時幅值的抑制更嚴重。因此DPSK傳輸方式雖然優于ASK傳輸方式，但DPSK單載波傳輸方式下，信號誤碼率會隨著信號傳輸速率的增大而進一步增大，這極大影響了XCTI)信號傳輸速率的提高。4.3墓于OFDM算法方式下的誤碼率分析本文提出的基fOFDM算法的XCTD時變信道誤碼率分析如圖7所示。圖6信號源傳輸速率為1200bps的

31、DPSK頻帶傳輸誤碼率分析圖圖7(A)為噪聲為0的情況下對本測試系統的誤碼率分析圖，在信號傳輸速率較低時,誤碼率出現了一定幅度的波動，其中傳輸速率為1000bps時誤碼率出現折點，且隨著傳輸速率增大，誤碼率呈緩慢上升的趨勢，在18002000m時，信道待性趨于穩定的狀態，在傳輸速率為10kbps時誤碼率穩定在2%以內。圖7(B)為噪聲量級為-60dB時.基于OFDM算法的誤碼率分析圖，在低頻時，誤碼率出現一定幅度的波動,其中傳輸速率為1000bps時出現折點，隨傳輸頻率的提高，在傳輸速率為10kbps時誤碼率穩定在2%以內.相對于傳統的DPSK單載波傳輸方式,信號傳輸速率和準確性都有了明顯的提

32、高。圖7(C)為噪聲成級為-20dB時，基于OFDM算法的誤碼率分析圖.隨著傳輸速率的增加，誤碼率呈現較為明顯的緩慢上升趨勢，其中傳輸速率在8001200bps范圍變化時,誤碼率在0.9%9%范圍內變化，進一步增大傳輸速率至2kbps時，誤碼率在0.9%10%范圍內變化，誤碼率隨傳輸速率變化的幅度較小，旦在探測深度達到1800m時，誤碼率仍可在0.9%-4%范圖內變化。相對于傳統的DPSK單載波傳輸方式，誤碼率較為接近的同時提高了XCTD的數據傳輸速率。尤其隨著探測深度的增加，表現出更強的適應性，在較低的誤碼率情況下提高了信號的傳輸速率,對深海環境的勘探有著重要的意義。5結論現有單載波傳輸方式

33、下，深海走航投棄式剖面儀的信號幅值會隨信號速率增大而劇烈衰減，從而使得信號傳輸準確性降低，嚴重影響了信號傳輸速率的提高，本文針對此難題提出了可以對抗信道衰落和窄帶干擾的OFDM技術。從XCTD優化信道模型入手，設計了基于SIMULINK平臺的OEDM算法仿茸系統，在不同的傳輸頻率、探測深度和噪聲量級下，通過OFDM算法與單載波ASK.DPSK傳輸方式下對比的仿真結果表明，OFDM算法在保證信號傳輸準確性的同時大大提高了XCTD信號的傳輸速率,驗證了OFDM算法對于提高XCTD信號傳輸速率的可行性和有效性，對提高深海走航投奔式削面儀的信號傳輸速率的研究提供了個新的O0.0713006-c0.05

34、50.04-G0.03/z0.02左ooi000.0.075 0.06.g0.05.u0.G420.03.6 0.02.Uo.oi00.00-400040001200trMimmionrate/bpi-i-*Depth*300mDeptb*800m-Depth"1000m-f-Depth*1300mDepch-1500m->-pcp»»l>00ai圖7基于OFDM算法的XCTD信道誤碼率分析思路。如何在現有的OFDM傳輸系統基礎上通過添加編碼、過采樣等技術提高系統的抗噪聲性能及穩定性，在保證更低誤碼率的同時進一步提高XCTD數據傳輸速率是今后進一步研究

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