穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法技术方案

本发明专利技术提供一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，所述方法包括：首先，设计新的训练序列结构来提高算法的定时估计性能，设计的新的训练序列结构中引入了符号差别和共轭关系，增强了训练序列的自相关性；其次，针对本发明专利技术设计的训练序列结构提出了新的定时测度计算方法，解决了传统同步定时算法的缺陷，提升了定时同步的准确率；最后，本发明专利技术方法还引入基于实时信号功率值的自适应门限技术，在穿钢信号传输系统中出现信噪比较低的情况下使符号定时同步效果得到改善。本发明专利技术能够提升符号定时同步的准确率，进而改善穿钢数能同传系统的整体性能。

Symbol timing synchronization method for data transmission link in steel number to energy simultaneous transmission system

The invention provides a method for symbol timing synchronization of data transmission links in a steel number and energy transmission system. The method comprises the following steps: first, a new training sequence structure is designed to improve the timing estimation performance of the algorithm; the symbol difference and conjugation relation are introduced into the new training sequence structure, thereby enhancing the autocorrelation of the training sequence; secondly, training for the design of the invention. A new timing measurement calculation method is proposed for the sequence structure, which solves the defects of the traditional timing synchronization algorithm and improves the accuracy of timing synchronization. Finally, the method of the invention also introduces the adaptive threshold technology based on the real-time signal power value, which improves the symbol timing synchronization effect under the condition of low signal-to-noise ratio in the steel piercing signal transmission system. The invention can improve the accuracy of symbol timing synchronization, and further improve the overall performance of the simultaneous interpreting system.

【技术实现步骤摘要】
穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法
本专利技术涉及超声波通信
，特别涉及一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法。
技术介绍
在工业领域经常需要对密闭容器进行通信和监测，比如潜水艇舱体内外信息传递、管道压力监测等，因此需要有可靠稳定的通信要求。根据现有的通信方式，若使用有线传输技术需要在容器壁或舱壁上穿孔，该方法除费用高昂以外，还会破坏容器或舱壁的完整结构。另外，由于金属密闭容器具有电磁屏蔽效应，电磁波无法穿透金属壁进行有效的信号传输。超声波因其方向性好、穿透力强的特性，在金属中传输时具备衰减小、速度快的特点。因此可以用超声波作为信息传输的载体，金属信道作为信息传输的媒介，实现金属容器内外数据的传输。穿钢信号传输系统是针对传统通信方式无法在金属厚壁中传输的问题而建立的系统，突破了有线传输通信和传统射频通信的瓶颈，能够广泛应用于工业领域。如图1所示为超声波穿金属板通信示意图，此系统包括：发射换能器1、耦合剂2、金属壁3、接收换能器4。金属壁3左侧的发射换能器1将电信号转换为超声波信号，超声波信号穿过金属壁3到达接收端的接收换能器4，接收换能器4将超声波信号还原为电信号。发射换能器1与接收换能器4对称放置在金属壁3的两侧，换能器与金属壁3之间通过耦合剂2相连。如图2所示为OFDM系统基本架构示意图。发送端的DSP模块包含了符号调制、傅里叶反变换、插入循环前缀、上变频过程。输入信号经过发送端DSP后经过DAC模块得到模拟信号，模拟信号通过发射换能器转换为超声波信号穿过金属壁。接收端的DSP模块包含了符号解调、傅里叶变换、去除循环前缀、下变频和信号同步过程。穿过金属壁后的超声波信号经过另一侧的接收换能器重新转换为电信号，电信号经过峰均功率比抑制模块之后通过低噪声放大器，再经由接收端DSP得到输出信号。OFDM具有频谱利用率高、实现简单以及有效抵抗信号传输过程中的频率选择性衰落和多径效应等优点。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，提高了频带利用率。OFDM系统中正交的子载波可以利用快速傅利叶变换实现调制和解调。在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的符号间干扰。其方法是在OFDM符号保护间隔内填入循环前缀，这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生符号间干扰。在穿钢数能同传系统中，不同同步方式对系统的影响不尽相同，本专利技术主要解决符号定时偏差问题。多径效应导致信号在金属壁中传输的距离不同，接收端需要准确地判断信号的起始时刻来解调信号。依据OFDM符号首部起点预测位置的不同，符号定时偏差对系统性能的影响则不尽相同。如图3所示为OFDM定时同步结果的3种情形示意图，展示了符号定时偏差可能出现的几种情况。情形1：定时准确，此情况下预测的OFDM符号起始点和精确位置一致。可以完全恢复OFDM符号且不会引入干扰。情形2：定时超前，此情况下预测的OFDM符号起始点比精确位置略早。由于循环前缀是由同步符号末尾部分复制而来，因此，FFT窗口仍然可以包含完整的符号信息。情形3：定时滞后，此情况下预测的OFDM符号起始点比精确位置略晚。接收端FFT窗口将会覆盖当前OFDM符号数据的一部分以及下一个OFDM符号循环前缀或数据的一部分。这时，数据信息的一部分就会丢失，最为严重的是子载波间的正交性遭到破坏，进而在系统中引入符号间干扰和载波间干扰。由上述分析可知，在穿钢数能同传系统数据链路中对符号定时同步进行研究具有重要意义，其直接决定着整个系统的数据传输性能。如图4所示为传统符号定时同步Schmidl&D.Cox算法度量函数曲线示意图。1997年，Schmidl与D.Cox等设计了一种前半部分和后半部分完全相同的训练序列，结合相关运算完成OFDM的符号同步。Schmidl&D.Cox算法的序列结构为：SSC＝[AA]Schmidl&D.Cox算法的定时度量函数为：上述式中，d为滑动窗口对应的第一个时间样值，训练序列的总长度为N，序列符号的长度L均为N/2，接收信号为r(d)，r*(d)和r(d)互为共轭，Psc(d)为相关求和公式，Rsc(d)为后半部分序列的能量值。对Schmidl&D.Cox算法进行仿真，仿真结果如图4所示，相关参数如下：子载波数为256；信噪比SNR＝10dB；所述信道为高斯信道。Schmidl&D.Cox算法存在“峰值平台”的问题，具有定时估计模糊的缺陷。如图5所示为另一传统符号定时同步Minn算法度量函数曲线示意图。2000年，Minn等人针对Schmidl&D.Cox算法中存在的“峰值平台”问题，改进了训练序列的结构。Minn算法的序列结构为：Sm＝[BB-B-B]Minn算法的定时度量函数为：上述式中，d为滑动窗口对应的第一个时间样值，训练序列的总长度为N，序列符号的长度L均为N/4，-B为B的负值结构。Pm(d)为序列符号中相关项的值，当k＝0时，计算前两段序列的相关性，当k＝1时，计算后两段序列的相关性，Rm(d)为训练序列的能量值，用于对符号定时度量的归一化。对Minn算法进行仿真，仿真结果如图5所示，相关参数如下：子载波个数为256；信噪比SNR＝10dB；所述信道为高斯信道。然而，Minn算法的多峰现象造成定时同步准确率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，主要是解决符号定时问题，从而提升穿钢数能同传系统的整体性能。为解决上述技术问题，本专利技术的实施例提供一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，包括以下步骤：生成训练序列，所述训练序列的结构中包括符号差别和共轭关系；根据所述训练序列进行定时测度计算。优选地，所述训练序列的结构为：Sg＝[A-B-AB]其中，所述训练序列的总长度为N，每个序列符号的长度L均为N/4，B与A共轭，-A和-B分别为A和B的负值结构。优选地，通过以下公式进行定时测度计算：其中，d为滑动窗口对应的第一个时间样值，r*(d)和r(d)互为共轭，Pg(d)为序列符号中相关项的值，Rg(d)为所述训练序列的能量值。优选地，所述方法还包括：当系统的信噪比低于预设值时，利用基于实时信号功率值的自适应门限进行边界判决。优选地，进行边界判决的步骤包括：计算相关度量值M和自适应阈值V，其中V＝αP+β，α为缩放系数，β为固定门限阈值，P为接收信号的平均功率；判断是否检测到峰值点，若M＞V，则认为检测到峰值点，进入下一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n生成训练序列，所述训练序列的结构中包括符号差别和共轭关系；/n根据所述训练序列进行定时测度计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，其特征在于，包括以下步骤：
生成训练序列，所述训练序列的结构中包括符号差别和共轭关系；
根据所述训练序列进行定时测度计算。


2.根据权利要求1所述的穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，其特征在于，所述训练序列的结构为：
Sg＝[A-B-AB]
其中，所述训练序列的总长度为N，每个序列符号的长度L均为N/4，B与A共轭，-A和-B分别为A和B的负值结构。


3.根据权利要求2所述的穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，其特征在于，通过以下公式进行定时测度计算：






其中，d为滑动窗口对应的第一个时间样值，r*(d)和r(d)互为共轭，Pg(d)为序列符号中相关项的值，Rg(d)为所述训练序列的能量值。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的穿钢数能同传系统中数据传输链路符号定时同步的方法，其特征在于，所述方法还包括：
当系统的信噪...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，李长林，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11