本论文分为两部分： 第一部分是频率编码数字遥控系统的研制。该系统发射部分采用四个频率编码设计了6个遥控指令，为提高抗干扰能力而以移频键控数字调制方式调制发射信号，通过8031单片机控制给可预置分频器置数产生信号。接收部分以8031单片机为核心，采用测周期的方法测量信号的频率，根据频率的先后组合而解码。通过重复发射，累加定时判断，辅以严密的解码逻辑提高系统的检测概率，降低虚警概率。特别在信号处理中提出实现了一种阻塞的方法，使多途、噪声在一定时间内不能进入测频部分，以最大可能的降低多途、噪声对系统的干扰，使系统具有较好的抗多途、抗噪声能力。理论分析与实验表明该系统的检测概率较高，虚警概率非常低，...学位：理学硕士院系专业：海洋与环境学院_海洋物理学号：19962700

吕连港

Simplified Chinese

Xiamen University Institutional Repository

学校编号： 10384 分类号___________密级学 号： 9627001 UDC _ _ _ _ _学 位 论 文频率编码水声数字遥控系统与 海床基海洋环境监测系统水下状态监测仪发射机的研制一 • 吕 连 港指 导 教 师 粘 宝 卿 副 教 授  厦门大学海洋学系 申请学位级别厘土  专业 名 称 海洋物理学论 文 提 交 日 期 1999年 7 月 论 文 答 辩 日 期 1999年 7 月 学位授予单位和日期厦 门 大 学 1999年答 辩 委 员 会主 席 __________评 阅 人 _ _ _ _1999年 7 月厦门大学博硕士论文摘要库本论文分为两部分 :第一部分是频率编码数字遥控系统的研制。该系统发射部分采用 四个频率编码设计了 6 个遥控指令，为提高抗干扰能力而以移频键控 数字调制方式调制发射信号，通过 8031单片机控制给可预置分频器置 数产生信母。接收部分以8031单片机为核心，采用测周期的方法测量 信号的频率，根据频率的先后组合而解码。通过重复发射，累加定时 判断，辅以严密的解码逻辑提高系统的检测概率，降低虚警概率。特 別在信号处理中捉出实现了一种阻塞的方法，使多途、噪声在一定时 间内不能进入测频部分，以最大可能的降低多途、噪声对系统的干扰， 使系统具有较好的抗多途、抗噪声能力。理论分析与实验表明该系统 的检测概率较高，虚警概率非常低，工作可靠稳定。第二部分是海床莶海洋环境监测系统水下状态监测仪发射机的研 制。发射机以 8031单片机为核心，控制驱动方位传感器，将要监测的 方向、倾 角 （X轴和 Y轴 ）三个物理量A/D转换，采用移频键控数字 调制方式调制发射信号。多次实验室以及海上实验表明其工作可靠稳 定，达到要求。关键词：移 频 键 控 水 声 遥 控 水 声 遥 测3 7 U厦门大学博硕士论文摘要库目 录引 言 ............................................................................................... ( 1 )一 水 声 遥 测 遥 控 技 术 动 态 …••…:............................................( 3 )二 水 声 遥 控 发 射 部 分 ............................................................... ( 6 )1 遥 控 指 令 编 码   ...........................................................  ( 6 )2 遥 控 指 令 实 现 ................................................................. ( 7 )三 水 声 遥 控 接 收 部 分 ................................................. ........... ( 10 )1 前置放大 ...................................................................... ( 10 )2 带通滤波 ...................................................................... ( 12 )3 频率测量 ...................................................................... ( 13 )4 解码逻辑 ...................................................................... ( 18 )5 累加定时判断 .................................................................... ( 20 )四 实 验 研 究  ................. .....................................................  ( 24 )1单片机频率测量 ............................................................... （24 )2 阻塞对检测的影响 .......................... ...................................（ 26 )3 标志脉冲的检测 .............................................................. ( 28 )4 包络线检出对信号检测的影响 ......................................... ( 29 )5 增益对信号检测的影响 ..................................................... ( 29 )6 不同占空比信号的比较 ..................................................... ( 30 )7 实 验 结 果 ••••..................................................................  ( 30 )五海床基海洋环境监测系统水下状态监测仪的发射部分 ••… ( 31 )1 传感器 ...................................................................... ( 32 )2 A/D 转换 ...................................................................... （33 )厦门大学博硕士论文摘要库3 数据发射 ...................................................................... ( 35 )4 实验结果 ...................................................................... ( 35 )六 系 统 完 善 设 想  ............................................................( 37 )致谢 .......................................................................................... （38 )参考文献 .............................................................................. ( 39 )厦门大学博硕士论文摘要库—■弓丨言海洋覆盖了地球表面的71% ，是全球生命支持系统的一个基本组 成部分，也是资源的宝库，环境的重要调节器。人类社会的发展必然 会越来越多地依赖海洋。即将到来的2 1世纪是人类幵发利用海洋的新 世纪。中国作为一个发展中的海洋大国，国民经济要持续发展，必须 把海洋的幵发和保护作为一项长期的战略任务。水声遥测遥控技术广泛应用于控制各种水下仪器设备、传输水下 仪器设备的状态参数、获取各种海洋信息等许多方面。因此水声遥测 遥控技术是人类合理开发利用海洋资源，切实保护海洋生态环境，实 现海洋资源、环境的可持续利用的重要基础。我国顺应幵发利用海洋 的世界潮流，提出了中国海洋事业可持续发展的战略，要从一个海洋 大国发展成为海洋强国，这势必进一步促进水声遥测遥控技术的发 展。海洋高技术已列为我国高技术研究发展（863 ) 计划的第八个领 域。本文是海洋监测技术（818 ) 主题中的子课题“海床基海洋环境 监测系统水下状态监测仪（818 -  11 -  26 ) 阶段研究的结果。水声信道是一种十分复杂的随机时- 空 - 频变参信道。海水介质 的随机变化和不均匀性所产生的声速场的变化，传播过程中海水介质 对声能的吸收和波阵面扩展所导致的能量衰减，海底和海面对声波的 散射和反射，以及海水介质中常出现的自然和人为的随机干扰使水声 信道具有强多途、强噪声、频带窄的特点。在这样的信道中实现可靠 的遥测遥控就比较困难，特别是多途效应严重干扰信号的正常检测。 多途效应使接收信号产生时域上的扩展，还会引起信号畸变、起伏、去t相关，以及码间干扰。具体的说，如果多途的时延小于码元脉冲宽度，厦门大学博硕士论文摘要库在反相叠加的情况下会使此脉冲幅度过小而漏检；如果多途的时延大 -F码元脉冲宽度，则可能将这个多途脉冲当作后续直达脉冲而产生误 判；如果当前脉冲的多途叠加于后续脉冲也会使信号检测产生错误。 另外，水声信道中各种噪声干扰降低了接收端的信噪比，使系统的误 码率提高，从而影响系统的可靠性，而水声遥测遥控系统对可靠性的 要求比较高，特别是水声遥控系统，其可靠性是至关重要的技术指标。本文在分析借鉴国内外研究的基础上提出一种新的抗多途抗噪声 的方法 - 阻塞法，即在一个直达声脉冲检测完毕与下一个直达声脉冲 到来之前施以阻塞，使这个期间的多途与噪声干扰无法进入接收系统 的测频部分，从而消除多途和噪声的干扰。并实现了基于此方法的频 率编码水声数字遥控系统。该系统将用于海床基海洋环境监测系统水 下状态监测仪中，控制起动、停止监测系统水下状态参数的测量和测 量数据的发射。厦门大学博硕士论文摘要库水声遥测遥控技术动态近年来，随着人类对海洋研究幵发利用的深入，以及通信技术、 数字信号处理技术的发展，水声遥测遥控技术的研究大体上有这样几 个特点。1 数字化趋势数字化不仅仅指在遥测系统中，被测物理量经传感器转化出的模 拟信号的数字化，更主要的是指数字化的调制方式。在水声遥测遥控 领域被采用过的调制方式有好几种[14]115[，而数字调制方式因其抗干扰 能力强而被普遍采用nH13]。数字调制是指用载波振荡的有无，载波频率的离散变化，载波相 位的离散变化等离散状态来表征所传递的信息，所以数字调制信号又 称键控信号[16】。在数字调制方式中，移频键控 （FSK )是利用载波的 频率变化来传递信息，具有调制解调方便、适用于衰落信道、精度高、 可靠性高的特点，而在水声遥测遥控中得以广泛应用UH5]，取得较好 的信息传递效果。2 编码复杂化近来水声遥测遥控系统中的各种编码趋于复杂化，编码复杂化 -  般有以下目的：1 ) 实现多个遥控指令；2 ) 提高系统的保密性；、3 ) 提高所传递信息的准确性，降低误码率，使系统工作在比较 可靠的状态。在文献[2]中用了 9 个频率进行移频编码，根据一系列编码规则，3厦门大学博硕士论文摘要库构成多个遥控指令，并可实现后6 位对前 3 位的校验。在文献[1]中对 于需要传递的11位信号,采用线性循环编码和交错编码相结合的编码 方式，形成能纠多位错误的4 9位纠错编码。文献[10]将利用循环码元 波形参数进行多维信道编码技术和利用信号码元时延进行线性编码技 术融于信号码元的设计中，获得较强的抗多途时延扩展能力。编码的 复杂化对于系统信号处理器提出了更高的要求，高速的信号处理芯片 在一些系统中得以应用3 信道匹配研究水声信道是一种随机时- 空 - 频变的信道，信号经这种信道传送 后，由于信道传播函数的加权，信号在时域和频域都有弥散现象，信 号展宽、畸变，使信号检测产生困难。水声信道匹配如同电波通讯信道的均衡，要了解信道对传输信号 的加权，建立信道模型，据此运用相应的处理方法消除这种信道加权 影响，从而提高水声设备的性能。这不仅对较低速率的水声遥测遥控 有重要意义，同时对高速率声信息传输也产生很大影响。国内外对水声信道匹配都有研究[I8H22】，文献[18]采用自适应滤波 的方法求信道的响应函数，用所求得的响应函数进行信道匹配，取得 明显效果。文献[19]研究了浅海声信道的匹配方法，并设计了实现匹 配的信号处理系统，该系统具有较好的匹配能力。由于水声信道的复杂性，目前没有单一的信道模型适合于任何水 声信道但是水声信道匹配的重要意义将会使这方面的研究越来越 受到重视。4 统计特性研究水声信道中信号、多途以及噪声统计特性的研究是重要的基础研 究。厦门大学海洋学系海物教研室对此做了大量工作[7H9][17】[24H26】，4厦门大学博硕士论文摘要库得 出 •些很抟参考价值的结论：1 ) 浅海声信道中脉间相关性很强，相反，典型的海洋噪声的相 关性很弱：2 ) 直达声脉冲振幅的 ro F  —般遵从广义瑞利分布，近距离接近 高斯分布，远距离接近瑞利分布。海洋背景噪声振幅一般遵从瑞利分 布，但对于包括有规分量的船舶噪声遵从于广义瑞利分布；3 ) 声脉冲重复周期的PDF遵从高斯分布，并且起伏率很小；4 ) 由于声传输的扩展效应，直达信号脉宽依距离近于线性增加；5 ) 多途相关性弱于直达信号，但仍然很强，随距离增加，相关 系数有下降的趋势；6 ) 多途振幅PDF遵从广义瑞利分布，近距和较远处趋于瑞利分布；7 ) 多途周期起伏率很小，但大于直达波的周期起伏率；8 ) 多途振幅起伏率大于直达波，合成振幅起伏率小于多途起伏 率，但迭加后重复周期起伏率加大；9 ) 波浪愈高，信号振幅起伏愈明显；10 ) 时间扩展的均值，方差与海况，波浪有密切关系；11 ) 随机时变声信道的响应在海况1 一  3 级，距离 600〜1000m, 其平稳时间大于2min。这些研究结论为水声技术的发展奠定了基础，本论文的一些信号设计和处理方案也是基于上述的某些结论。厦门大学博硕士论文摘要库二水声遥控发射部分1 遥控指令编码遥控指令采用脉冲频率编码，即由若干个不同频率的声脉冲组合 成多个遥控指令，这样不但增加指令容量而且有一定的保密性，同时 也具有较强的抗干扰能力。频率采用的越多上述优点越明显，然而水 声信道的带宽较窄，不同的频率其衰减差异较大，频率釆用的越多则 检测越困难。综合考虑采用了四个频率，即每一个遥控指令由四个不 同频率的声脉冲组成，根据要求可设计6 个遥控指令。码 1 : fl f2 f3 f4 码 2 : f l f 2 f4 f3码 3 : fl  f3 f l  f4 码 4 : fl f3 f4 f2码 5 : fi U  h  f3 码 6 : fl f4 f3 f2其中第一个声脉冲的频率总是f l，视其为标志脉冲（显然检测到 f i脉冲是非常重要的）。频率分配如图2 -  1 所示，即 f! < f2 < f3 < f4。fl fl f3 f4L 4卜  500Hz —k Ak A----------- ►IIflT 2fl f4 fi4---- —  T  ----------- -----------^图 2 - 】 频 率 分 配 及 遥 控 指 令 组 成频率选择时考虑了以下因素:6厦门大学博硕士论文摘要库( 1 ) 水声信道中频率越高衰减越快，所以不宜采用太高的频率。( 2 ) 海洋噪声级在 lOKHz到 lOOKHz之间较低[141。因此采用 ]0KHz至 20KHz间的频率，同时考虑所购换能器的频 率特性，最后频率定为 fK 3 .5 K H z,  >2=14.0KHz, f3=14.5KHz , f；r l5 .0 K H z。每一个遥控指令的长度为T , 码元宽度为L  , 如图 2 - 1 所示。2 遥控指令实现遥控指令主要由8031单片机控制实现。晶振产生稳定的频率输人 可预置分频器。通过 8031给分频器预置不同的数从而得到不同的调制频率U7H3j，预置数为0 则无信号输出。调制脉冲码元宽度乃及间隔时 间丁2都是由 8031单片机控制，图 2 -  2 是发射部分原理框图。图 2 - 2 指令发射系统原理框图幵机后有键按下时发射相应的遥控指令，如发射码1即^ f2 f3 f4，按 键晶振7厦门大学博硕士论文摘要库8 0 3 !通过 P〗丨〗给可预置分频器置数，产生调制频率 f , , 延时T| ,给 分频器置数0 ，延时 T2，接着依次产生其它三个频率的调制脉冲，这 样遥控指令 1 发射完一次，重复以上置数即可实现多次发射。重复发 射完毕则返回等待按键。发射程序流程图如图2 -  4 所示。二分频的目的在于获得占空比 50 %的方波，用 D 触发器 7474实现。其接法和时序如图2 -  3 所示。 7474的逻辑功能表 如表 2 -  1 所示。当给可预置分 频器置数 0 ，其输出为低电平， 在置数 0 这一时刻之前，无论二 分频的输出是低电平还是高电 平，置数 0 后将保持不变。如果 在 置 数 0 前二分频的输出为高Sdck - D -Q图 2 -  3 二分频接法与时序电平，则置数 0 后将一直为高电平。但是按照设计要求置数0 后二分 频的输出应该是低电平，因此要对R d 端进行控制，即给可预置分频 器置数 0 时，也使 R d端为 0 , 这样二分频的输出就为低电平。本系 统中产生四个不同频率的四个置数  表 2 -  1 7474逻辑功能表值的最高位都是 “ 1 ”，因此可用 此位来控制 7474的 R d端，置数产 生信号频率时， R d端 为 “ 1 ”，正 常实现二分频，置 数 0 时 R d端为 “ 0 ” ，二分频输出为低电平。这 样既实现了信号的正常产生，也节 省了 8031接口的使用。Rd Sd D ck QnM0 1 X X 01 0 X X 11 1 0 c— 01 1 1 r 18厦门大学博硕士论文摘要库图 2 -  4 发射程序流程图9厦门大学博硕士论文摘要库三水声遥控接收部分接收部分由接收换能器、前置放大、带通滤波、限幅整形、频率 测量、解码、显示组成。1 前置放大前置放大用来放大接收换能器输出的微弱信号。其输出噪声将被 后续部分逐级放大而成为本机噪声的主要构成部分。因此前置放大器 应该是低噪声的，从而保证整个系统的低噪声性能。为此，一方面使 用低噪声的集成运算放大器，例如 5534 ,另一方面可以采用多个放大 器并联的方法[35]。将 N 个相同的放大器（噪声特性相同，放大倍数一 致 ）输入端、输出端各自并联，由于各个放大器的噪声是独立的，不 相关的，因此，在同一时刻的噪声值，其大小正负会有所不同，把它 们加在一起就会抵消一部分，如图 3 -  1 所示的q 、 t2、 t3时刻。如 果单个放大器的噪声为V ，那么理论上认为N 个放大器并联后的噪声Vo = i 351。Vn接收部分前置放大的第一级采用2 个放大器并联，见图 3 -  2 。 实验测试表明，第一级采用单个放 大器，图 2 _ 3 中运算放大器A6 输出噪声为7 .2m v，采用 2 个放大 器并联其输出噪声为5 .2m v，与上 试蕋本符合。该方法可以有效降低 本机噪声，从而提高系统的信号检L V]t2 h-V s“ v2A _ /\ A ►： X: 、  丨^ 4 ^测性能。 图 3 -  1 不相关噪声叠加厦门大学博硕士论文摘要库3742R3 R6图 3 -  2 接收系统部分电路图厦门大学博硕士论文摘要库2 带通滤波前置放大、带通滤波、限幅整形的电路图如图3 -  2 所示。带通 滤波器由两个二阶带通滤波器A 3、A 4与反相输入模拟加法器A 5构 成。二阶带通滤波器采用压控电压源电路，其中运算放大器为同相输 入接法，因此滤波器输入阻抗很高，输出阻抗很低[29]。本设计中的滤波器首先要有一定带宽，可以使遥控指令四个频率 码元通过；同时为了有效抑制信号频带外的频率成份，要求通频带之 外幅度下降尽量快；另外，滤波器通频带响应要尽可能平坦，使遥控 指令四个频率的增益差别尽量小，以避免加剧信号起伏，从而有利于 信号检测。而单个二阶带通滤波器的中心频率固定后，通频带宽度BW图 3 -  3 带通滤波器幅频特性和 Q 的乘积固定[3()]， B W 越大则Q 越小，即通频带外幅度下降缓慢， 难以兼顾以上三个要求，因此用两个中心频率不同，增益接近的二阶 带通滤波器与加法器合成一个滤波器[28】。该滤波器幅频特性如图3 -3 所示# 其带宽 2 .3 K H z ;通频带外衰减速率高频端38.8dB/10倍频，厦门大学博硕士论文摘要库Degree papers are in the “Xiamen University Electronic Theses and Dissertations Database”. Fulltexts are available in the following ways: 1. If your library is a CALIS member libraries, please log on http://etd.calis.edu.cn/ and submitrequests online, or consult the interlibrary loan department in your library. 2. For users of non-CALIS member libraries, please mail to etd@xmu.edu.cn for delivery details.厦门大学博硕士论文摘要库

频率编码水声数字遥控系统与海床基海洋环境监测系统水下状态监测仪发射机的研制

https://dspace.xmu.edu.cn/bitstream/handle/2288/168695/%e9%a2%91%e7%8e%87%e7%bc%96%e7%a0%81%e6%b0%b4%e5%a3%b0%e6%95%b0%e5%ad%97%e9%81%a5%e6%8e%a7%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e4%b8%8e%e6%b5%b7%e5%ba%8a%e5%9f%ba%e6%b5%b7%e6%b4%8b%e7%8e%af%e5%a2%83%e7%9b%91%e6%b5%8b%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e6%b0%b4%e4%b8%8b%e7%8a%b6%e6%80%81%e7%9b%91%e6%b5%8b%e4%bb%aa%e5%8f%91%e5%b0%84%e6%9c%ba%e7%9a%84%e7%a0%94%e5%88%b6.pdf?sequence=1&isAllowed=y

频率编码水声数字遥控系统与海床基海洋环境监测系统水下状态监测仪发射机的研制

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Xiamen University Institutional Repository