本發(fā)明屬于信號處理領域，具體涉及一種信號傳輸失真的修復方法。

背景技術：

海洋資源豐富，經濟利益和權益保障成為世界各國普遍關注的熱點。針對海洋勘探、氣象監(jiān)測、船舶導航、水面乃至水下航行器的任務保障等各方面事業(yè)的發(fā)展，迫切需要加強對海洋相關區(qū)域進行長期、精確、及時的參數(shù)測量，進而獲得水文、水聲等物理環(huán)境參數(shù)，為各類導航、探測等設備的使用提供技術參數(shù)。獲取溫深剖面數(shù)據(jù)可以通過專門的儀器定點測量，也可以使用“拋棄式溫深探測系統(tǒng)xbt”來測量，該系統(tǒng)的探頭為一次性使用設備，可在船舶走航的條件下使用，可以節(jié)省船時；其既可以在正規(guī)海洋調查船上使用，也可以在隨機商船上使用，具有很高的靈活性，并獲得最大的經濟利益。由于成本低、使用靈活，可以在諸多海域使用，因此它也是對浮標、潛標、uuv、auv等水下探測手段的一種重要補充。

現(xiàn)有裝置存在的問題是數(shù)據(jù)的在高頻傳輸時誤碼率較高，導致實時傳輸速率低下。由于使用細長導線進行數(shù)據(jù)傳輸，信號傳導的阻抗復雜，主要體現(xiàn)在導線串聯(lián)電阻大，導線間并聯(lián)電容大，同時還具有一定的串聯(lián)電感。最終，導致傳輸信號的高頻響應低，在高頻傳輸時無法提高數(shù)據(jù)傳輸速率，無法實時傳輸豐富的海洋溫深剖面數(shù)據(jù)。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明公開了一種細長導線中信號傳輸失真修復方法，該方法通過學習碼獲取細長導線的電路參數(shù)，使用這些電路參數(shù)對接收端的接收信號進行修復，可以得到與發(fā)射信號接近的波形，從而完整恢復出發(fā)射端發(fā)送的高頻數(shù)字信號。

技術方案：本發(fā)明采用如下技術方案：一種細長導線中信號傳輸失真修復方法，包括如下步驟：

(1)構建傳輸導線的電路模型，模型參數(shù)包括：串聯(lián)電阻r，串聯(lián)電感l(wèi)和并聯(lián)電容c；

(2)發(fā)送端發(fā)射信號，所述發(fā)射信號由碼元長度為n的學習碼us和需要發(fā)送的信息碼組成，所述學習碼的碼元已知；

(3)接收端對接收到的信號uo(t)截取長度為n的學習碼失真信號uo；

(4)建立修復方程：

其中u′o和u″o分別是uo的一階導數(shù)和二階導數(shù)；

求解修復方程，得到傳輸導線電路模型中的參數(shù)lc和rc；

(5)修復后的接收信號u′o(t)為：

其中δt表示接收端數(shù)字采樣時間間隔。

發(fā)送端在學習碼前增加幀同步碼；所述幀同步碼為連續(xù)多個高電平對應的碼元；接收端檢測到連續(xù)多個高電平信號則得到幀信號的到達時刻。

為了去除接收信號中夾雜的高頻噪聲干擾，接收端對接收到的信號做低通濾波后得到信號uo(t)；所述低通濾波使用的低通濾波器截止頻率為fs/m；其中fs為信號采樣率，m為每個碼元的采樣點數(shù)。

步驟(4)中采用最小二乘法求解修復方程，得到傳輸導線電路模型中的參數(shù)lc和rc：

其中為矩陣的轉置陣；(us-uo)′為向量(us-uo)的轉置。

學習碼長度n大于6，以保證修復方程求解的精度。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開的細長導線中信號傳輸失真修復方法具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明可以有效對接收信號進行修復，從而完整恢復出數(shù)字信號，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_率；2、使用最小二乘方法計算修復參數(shù)，最小二乘方法有明確的計算表達式，可使用矩陣進行運算，便于使用dsp、fpga等硬件實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明公開的修復方法的流程圖；

圖2為細長導線的實物圖；

圖3為細長導線的示意圖；

圖4為細長導線的等效電路圖；

圖5發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字信號ui波形圖；

圖6接收端接收的畸變信號uo波形圖；

圖7接收端接收的學習碼信號和修復后的學習碼波形圖；

圖8修復結果與原始信號ui的對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

如圖2所示為細長導線的實物圖；如圖3所示，在導線的一端輸入發(fā)射信號ui，測量接收端的接收信號uo，理想情況下uo與ui波形一致，信號可以得到無失真?zhèn)鬏?；但由于導線中存在著較大的阻抗，導致接收信號與發(fā)射信號相比出現(xiàn)了失真等畸變。對細長導線的分布參數(shù)進行分析，建立其電路模型如圖4所示，則接收信號uo與發(fā)射信號ui關系如下：

令s＝jω，上式變?yōu)?imgfile="bda0001333213250000032.gif"wi="571"he="111"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>由此得到傳輸導線的信道傳遞函數(shù)

為了能夠讓信號得到無失真的修復，需要構造一個補償系統(tǒng)hb(s)，使得整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)滿足公式hc·hb＝1。由此得到，hb(s)＝lc·s²+rc·s+1。在信號與系統(tǒng)中，sⁿ可以等效為對信號做導數(shù)n階導數(shù)；若使用hb(s)對接收信號uo進行補償，那么得出的修復后的接收信號為：

由導數(shù)的泰勒展開式可知：

進一步可得到和

最終可得到修復后的接收信號u′o的差分近似表達式：

其中δt表示接收端數(shù)字采樣時間間隔。

由此公式可以對經過細長導線的失真信號進行修復。然而，細長導線中的參數(shù)r、l和c是未知的，通常也是變動的，隨環(huán)境、導線的卷曲和伸展狀態(tài)變動。因此需要參照學習碼對參數(shù)lc和rc進行求解。對信號uo進行數(shù)字采樣，并將其向量化，得到向量uo。由uo可得到其一階導數(shù)u′o和二階導數(shù)u″o。令發(fā)射的學習碼向量為us，則有公式us＝lc·u″o+rc·u′o+uo成立。式中，us、uo、u′o、u″o均為長度為n的一維向量。將此公式寫成矩陣的形式，得到進一步整理得到修復方程：

修復方程中僅有l(wèi)c和rc兩項未知參數(shù)，n遠大于2。使用最小二乘法估計參數(shù)lc和rc：

其中為矩陣的轉置陣；(us-uo)′為向量(us-uo)的轉置；

將參數(shù)lc和rc帶入修復公式(3)即可得出修復后的輸出信號u′o。

實施例：本實施例發(fā)射的信號為二進制數(shù)字信號，數(shù)字信號的波形如圖5所示，采樣率fs為25khz。每個碼元占用10個采樣點。其中前2個碼元為幀同步碼‘11’，接下來8個碼元‘01100111’為學習碼，其余的碼元為信息碼。

接收端對接收到的信號做低通濾波，以去除高頻噪聲的干擾。所使用的低通濾波器截止頻率為fs/m＝2.5khz。通過幀同步碼元的門限判斷幀信號的到達時刻，按照固定長度截取完整的幀信號，如圖6所示。通過圖6可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號經過傳輸信道后失真嚴重，難以直觀觀察出所發(fā)射的信號。截取接收信號中的學習碼，使用最小二乘法的公式求解參數(shù)lc和rc。如圖7所示，(a)為接收到的失真的學習碼波形；(b)中的虛線為修復后學習碼波形。

將求解出的參數(shù)lc和rc帶入修復公式，得出信息碼最終的修復波形，如圖8中虛線所示。將修復和波形與實際發(fā)射的波形進行對比可以發(fā)現(xiàn)它們具有很強的相似性。若設定一中間的固定門限，便可將數(shù)字信號完整恢復。

以上對本發(fā)明所提供的細長導線信號傳輸失真修復方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。