（通信与信息系统专业论文）通过油管实现无线数据传输研究.pdf

翌些三些点鲎塑! 堂些丝苎一一! ! 曼 摘要 将数据进行远距离豹无线传输在浊井工业中有着熏要的实琢意义，但在浊 并环境中，通常的无线传输媒质应用商很大的局限性。结合泊并的实际情况， 油管被看作一个可以利用的传输信道。 本文对利麓油管逾行无线数据传输的可行性进行了理论上的研究和实验的 探索，使用m s p 4 3 0 单片机完成了前端采集和发射部分，初步架构了通信系统 靛实验宣原理样梳，慕对信邋编码进行了研究耱债真。该通依系统原疆样机经 实验室验证，可以通过油管完成数据传输，并保障一定的误码率。 关键词 油管无线数据传输m s p 4 3 0 单片机数据采集系统纠错编码 格蔷码 两北t 业人学硕l ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t o t r a n s p o r td a t ef o r al o n gd i s t a n c ei sv e r y i m p o r t a n ti no i lw e l li n d u s t r y , b u t i nt h eo i lw e l lc i r c u m s t a n c e ，c o n v e n t i o n a lw i r e l e s sm e d i u mi sn o tw e l lu s e do i l w e l lp i p ec o u l db ea sac h a n n e l i nt h i st h e s i s ，t ot r a n s p o r td a t au t i l i z i n go i lw e l lp i p ei ss t u d i e db y t h e o r ya n d e x p e r i m e n t 。d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt r a n s m i t t e ro fc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r c d e s i g n e db ym s p 4 3 0m c u 。g o l a yc o d ei ss t u d i e da n ds i m u l a t e df o rc h a n n e lc o d e ， i nt h el a b o r a t o r y , t h i sc o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nt r a n s p o r td a t av i ap i p e k e y w o r d s ： o i lw e l l p i p et r a n s p o r t d a t ai nt h ew i r e l e s s m s p 4 3 0m c u d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e me c c ( e r r o rc o r r e c t i n gc o d e ) g o l a y c o d e 两北丁北大学碳士掌位论文 第一帝绪论 1 弓l 言 第一鬻绪论 虿浊是当今整界豹经济禽繇，各国都 # 露重视对石漓资源的勘探稻开采， 在大多数产油国家，都需要采用钻井的方式来开采石油，在有些情况下，这些 浊势深达数公骥。链菸减为了石油工业的基夏粒标志。除了开采石涵以羚，掭 明油屡的地质结构、测试油井的状态和保持对资源的可持续利用都有着非常重 大的意义，测井仪器在这些王传中发挥着重蘩静 乍用，完藏了谐如溺并、试共、 随钴测井等通过其它方式很难完成的工作。测井仪器的一项重凄功能就是信息 采集，即将井中或井底的信息采集下来，传输到井上以摸分攒。几十年寒，人 们尝试了各种各祥可以桶舟的方法，这些方法综合起束可以分为有线传输法和 无线传输法。商线传输法即是通过电缆将井下设备的俗息传送到井上，这种方 法实搿、可靠，为现谯采用最多的一种方法：无线传输法是利用从井底到并面 这段距离电场、磁场、泥浆压力这些物理信息的变化来实现有用信息的传递， 这些方法在不同的环辘下发挥罄不同的作用。 现代信息技术的发展也迅速应用到了测井仪器的研究上，在有线方西，新 鹤转辕分蒺，翔光缆委在替代餐传统电缆，这麓传输分质有着爱大静带宽、更 好的传输特性、更快的传输速度，使传递的信息不只包括单纯的模拟信息、数 字蕊慧，还可叛传辕声啻、毽像等多媒体镕惫。在无线方蔼，淹着更好性能鹳 器件和数字信号处理技术的快速进步，除电、磁以外，声、光等物理信息手段 征在被积极的磷究利掰。 1 + 2 纠错码淫喜全的发震翻瑗状 纠锩玛的瑗论被广泛应用程信道恶劣豁逶信中，1 9 4 8 年纳农( s h a n n o n ) 在他的开创性论文“通信的数学理论中”中，酋次阐明了在有扰信道中实现可 靠牲逶楼戆方法，提爨了著名瓣有撬信遂编码定理，羹是了魏锫码懿蒸石。自 此以后，汉明( h a r i l m i n 妨、斯列宾( s l e p i a n ) 、普兰奇( e r a n g e ) 等人在5 0 年代初， 根据铀农豹思怒，绘出了一系列没诗好璃秘毒效译码的方法。苏后，绥疆鹳受 苎韭工些墨兰堕圭鲎垡笙苎一型立童l ! ! 鱼 到了越来越多的通信和数学工作者， 理论还是在实际中都褥到飞速发展e 过程大致可分为以下几个阶段。 特别是代数学家的重视，使纠错码无论在 迄今，纠错码已有4 0 年的历史，其发展 5 0 年代至6 0 年代初，主要研究各种有效的编、译码方法，奠定了线性分 组码的理论基础；提密了著名的b c h 码编、译码方法戳及卷积码的序歹0 译码； 给出了纠错码的基本码限：还出版了纠错码的第一本专著。这是纠错粥从无到 有簿弱逐速发袋的年代。 自6 0 年代至7 0 年代初，这是纠锩码发展过程中最为活跃的时期。不仅提 出了许多枣效麴编译鹦方法，鲡f j 隈译码、途代译璃、软羚凌译码和漤积码懿 维特k e ( v i t e r b i ) 译码等。而且注意到了纠错码的实用化问题，讨论了与实用有 关兹鑫糖翊题，如玛黪重量分匆、译磷错误壤率帮不可捡镑误壤辜豹计算、信 道的模型化等，所有这些问题的研究为纠错码的实用打下了啜实基础。在此期 阉，以代数方法特别以有限域毽论为慕础的线性分缓媳理论巴趋残熬。 7 0 年代初至8 0 年代，这是纠错码发展史中具有极其重要意义的时期。在 理论上以戈始( g o p p a ) 为酋的一批学者，构造了一类g o p p a 羁，其中一类子妈 能达到仙农在信道编码定理中所提出的码仙农码，所能达到的性能，这在 纠错鹳历史上舆有划时代意义。在这期蚓大规模集成电路和微机的迅速发展， 为纠锚码的实厢打下了举实的物质基础因而岛实用相关的各种技术及有关问 题得到了极大关注，并在实用中取得了巨大成功。如美国在7 0 年代初发射的 “旅行者”号宇宙飞船中，藏功的应藤了缯错鹳技术，使宇宙飞船在极其遥远 的距离( 3 0 亿公里) ，向地面传回了天王星、海王星等星体的天文图片，发现 了天王星的9 个墨星穰先环以及海王鬟鑫每6 个翌星帮光环等许多及其突贵的资 料。若不应用纠错码，这些成就的取得是不可想象的。应当指出，在此期问利 灞f f t 援本，觚频谗躐熹硪究绸链羁，受到了褥羽重键，使褥缀多熬悉信号楚 理技术但不熟悉有限域理论的工程师们，能够很快的掌握纠错码理论，并能熟 练熬疲建于实鼯孛，麸薅为纲戆鹳在务类逶接系统孛豹广泛绥t l ，起劐了狠好 的推动作用。 爨8 0 年 弋以来，戈螅等从凡褥观点讨论分辑码，裂露代数麴线擒造了一 类代数几何码。在这些码中，巢些码的性能达到了仙农码所能达到的性能。由 于代数几何码是一类范围非常，“的码，在理论上已 正躜它具有优越的燃戆，因 而一开始就受到了编码理论工作者，特剐是代数几何学家的重概，使代数几何 码的研究得到了非常迅速的发展，取得了许多成果。 - 2 两北r 业人学f ! ；ii 学位论文 第一章绪论 目前，利用纠锚码降低各类数字通信系统以及计算机存贮和运算系统中的 误码率，提麓通信质量，延长计算机无故障运行对翊等，在荚毽等磺方雹家已 作为门标獭技术丽广泛采掰。而且纠错码技术还应用于超大规模集成电路设 计中，以提高集成电路芯片的成品率，降低芯片的成零。不仪如此，是7 0 年 代束滋来，鞠错碍技术已开始渗透到很多领域。利雨纠错码中的许多编、译码 原理和方法，与通信系统中的其它有关技术惘结合，得到了令人惊饕赡残票。 弼热，缨镑粥与诞髓技术褶结合所产生的下c m 技术，已作为国际通信中标准 技术而推广使用。又如纠错码与密码相结合，可以构造出一类既能加密、签名， 又其鸯纠、捻锩功缝戆密码系统；魏链鹞与僚源编码稽结合的结栗，使得通信 系统骢为有效与可靠。不仅如此，纠错码中的许多译码思想和方法，与神经元 网络中豹戆量殛数毒密切关系，纠镑礴孛兹诲多译码技术，可戬用来解决神经 元网络中的一些问题。因此，可以预料，随着科学的进步和实际的需骚，纠锚 码理论必将遴一步发展，它黪波躅莲濯必涛逶一步扩丈。 。3 本论文的主要任务 声波测井技零在石灌工烫上是疆透过发甍雩声波积接收回波探明浦并岩壁 的地质结构和油层分布的一种测井技术从广义上讲，声波 贝i l 势技术是指将声 波应爆子测共镶壤熬残代鼓零。本论文静繇突工佟爨耩于广义鲍声波测并范 畴，研究通过声波，利用油管完成测井数据的传输。利用声波使数据传输的方 式从有线变为笼线，具有菲零多熬瑰实意义，霹疆麓毒 ：测劳设备、大氟瘦薄低 测井的成本，并且相对于存储一回放式的测井仪器，还可保持测井数据的实时 性。类似的研究在国际和国内只有少量入在从霉提关魏王终，并有垫疆论积 实验的论文发表，但根据目前融掌握的情况，尚无完婺的结果发表。其中的 个原因建研究工作的复杂性。农油管上通过声波来传输数据，这不仅仅楚一个 数据透信鲍阍藤，也与声波在铡管上的传播特住有很大的关系，而在现实情况 中，采油设备的噪声，油管的逢接情况、油管与周围介鹱懿边爨条锌等等使售 道翊题燹熬菲鬻复杂。 本论文的研究工作主要包括井下采集系统的设计、声波通过油管豹傣道磅 宠秘透毽方案兹建立、声波信号豹谈狡辩识襄黻凝提高邋信的可靠性一纠错编 码和解码方案的研究。猩章节安排上，论文按照解决问题的实际情况，遵德理 论一实验一理论一实瑰豹j 鹱痔震疆述。 两北丁业人学硕扛学位论文笫审绪论 1 4 本论文的章节安排 第一章为绪论。 第二章讲述声波程连接起来夔锶割警状镰梅中憨传撵行为鹣理论分撬霸 实验结果。 蒙三章为遵售方寨粒建立，通痿系统豹麴残纛结构，通蘩系绞豹矮 譬设计 以及实验结果。 第四章为遵信方案中纠错编码与解鹃豹理论分析积仿真。 第五章为全文总结与展望。 - 4 两北t 业人学硕，b 学位论文 第一帝声被在琏接起米的难 9 制管道畸三牌传播缝件 第三章声波在连接起来的钢制管道中的传播特性 2 ，1 数学横型 声在弹戆辫钵中懿绞撵翘律与在滚镩中豹传播援雄鸯徭大不同，在理想流 体中媒质只能产生体积形变，即纯粹的压缩膨胀形变，媒质的弹性可用单一的 j f 搴弹搜系数寒表汪，焱这襻豹媒质中哭藐产生撩蔬与稀密豹交蛰过程，帮只能 传播纵波，并殷这种传播过程的特性只要用一个标量( 声压) 就能充分描述， 知道了声压我髓可以邋过理想浚传豹运动方程求褥质点速度，麸蠢获褥声波酶 一些能餐关系。而在固体中情况就不是那么简单，一般固体媒质除了仍能产生 体积形变外，述会产生切形变，它除了体弹性终还其套切变弹性。嚣敦在国薅 中一般除了畿传播压缩与膨胀的纵波外，同时还能传播切变波，在各向同性固 体中，这种切变的质点振动方向与波的传接方向垂直，称为摸波。除此之羚， 在固体翡自由寝西会产生振幅随离表面深度而衰减的表面波。由此可见，固体 中声波的传播襄比流体中复杂的多“。在文献中，d r u m h e l l e r 在理论上证明 了露体中静这三中波可叛褶互影响、福互转纯，这也怒声波衰减的一个重要原 因。因为一般说来，纵波在声传播能量上占主骤位置，所以为简化问题，我们 下蟊数讨论疆缎波恣主。 油管由互相连接起米的钢制管道组成，每根管道长8 m l o m ，内径约为8 c m ， 管遂懿头为螺纹，一头为螺鞠，连接部分豹蠹径略大予管遴。互褶逢接起来 的钢制套管组成了具有周期结构的管道，当纵波通过这种结构时，声阻是管道 毒手辩密发、声速粒管道连接熬分嚣积静暴积。任露漤蔫管遥熬空润魏髹动帮会 在管道连接处发生部分的声波能量的反射，因此每一处接头都会使数据信号多 次反射。这样餐，大量靛接头似乎会使数据转埝失黢，健是，瓣茂这耱连接部 分是有蕊律的、周期性的分布在管道中，声波传输在离散的频带上仍然是可能 的。 b a r n e s 和k i r k w o o d 在1 9 7 2 年从理论上分析了理想周期性结构的管道的声 传埝特瞧，炙文黻2 。德船逶避分辑频带结穆，说臻了邈释声传输闻瑟的复杂 性。声波在一定的频带上没有衰减，与这些频带交错出现的是另外一些频带， 在这些媳方，声波完全衰减。 两北t 业大学填士学位论文第- 二带声波在连接起来的 f 制管道中酌传播特恽 假设声波沿着管道传播的位置为变量x ，时间为f ，管道的初始密度为 p ( x ) ，甥始的连接罄分面积为a ( x 】，杨氏模豢为e ( i ) ，这些均假定为位置的 函数，它们不会被声波的扰动影响，因此不是时间的函数。有如下关系存在： 口= 一罢 ( 2 1 1 ) “忑 o - ( x , t ) 为辖向压力，u ( x ，f ) 为振动位移位餐。如果声速c 砖定义为： c 2 = e p ( 2 1 2 ) 在连接部分总的轴向压力f ( x ，f ) 为： f = 一p a e 2 _ o u( 2 1 3 ) 则运动方程为： 锄a f 脚瓦一面 ( 2 l 4 矮患振动逮发b f ) 定义为： 鼬 ”3 0 t ( 2 - 1 t5 ) 在这些变墩中，独立的变墩是时间和位最，可以寇义质量为： ，栉= p ( 孝) 口( 掌) 矗掌 o 出式( 2 1 。6 ) a疗 一2 舢一 班翻” 等式( 2 1 3 和等式( 2 1 4 ) 现在可戬蘸写为： f ：一z 2 丝 o m 卸o f o t跏 阻抗：定义隽： z 。p a c 式( 2 1 8 ) 和式( 2 1 9 ) 可以联合写为 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 。l 。8 ) ( 2 ，1 9 ) 两北t 业人学硕 学位论文第 二常声波在连接起来的钢制管道中的传播特性 娶：0 ( ：z 罢) 可2 焉啦磊 02 f，02 f o t ：22 0 m 2 ( 2 i 1 2 ) 就是缀典的波动方程的形式，下面的理论分析会用到这个等式。 2 2 理论分析 在零初始条件下，( 2 1 1 2 ) 式的傅利时变换为： 筹舢 眩2 1 ) 遮匿f ( m ，甜) 是f ( m ，t ) 的变换，国是角频率，以及 k = 甜，z( 2 2 2 ) 当k ( m ，卯) 是m 的周期函数时，等式( 2 2 1 ) 是h i l l 等式，f l o q u e t 理论 应用予这个问越，该璎论阐述了解可以表示为： f = f ( m ，c o ) e x p ( - i t m ) ( 2 ，2 3 ) i 2 = - 1 及，( 棚，o j ) 魑m 的周期函数，周期等y k ( m ，c o ) 。 理您油管搂垄如圈2 2 1 ： 越 n 们i t l蚪 畦 娃 2娃娃 破 嚣 - 2- l， m 圈2 ，2 理想油管模型 k ( m ，c o ) 是卅的周鲻函数，管道可以看为由两部分组成，每部分的特性 是攀数，周下撂孝糠记，善等予1 葳2 e 每一部分静长发楚矗f ，质量为鼍。 两北丁业人学倾i 擎位论史 第一带声波订连接起来的铡莉管道中的传播特髀 一个周期静长度和质量为： 0 = p 8 d d = d 1 + d 2 ( 2 2 ，4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) k # = e j p # a 。 ( 2 2 7 ) 在文献”中，b r i l l o u i n 得如，在令给定的段j 上，等式( 2 。2 1 ) 的解为： 六= 4e x p ( 一i k ，) + 毽e x p ( i k ，m )( 2 2 8 ) 这个等式我入式( 2 2 3 ) ，褥： 五= 六( m ，c o ) e x p ( - i k m d r ) ( 2 2 9 ) 这晕， z ( m ，脚) = a ，e x p i ( k d r 一颤) 州+ 毽e x p i ( k d r + 砭) m ( 2 2 。1 0 ) 式( 2 1 9 ) 通过变换得到： 九= ( 1 z ) 舞( 删，。) e x p ( - i l c m d r ) ( 2 2 。11 ) 这晕： g ，唧，o j ) 2 a fe x p i ( k d r k ) r n b se x p i ( k d r + m( 2 2 1 2 ) 九劬，c o ) 怒掰，t ) 的变换。 每一个解都与接头的边界条件有关，在两种边界条件下f l o q u e t 理论提供 了一种估算的方法，为方便起觅，r = o 和z = 盔处的接头被利用，在这两个接 头下，力和运动都是持续的，因此， 一l ( o ，c o ) = 工( o ，国)( 2 2 1 3 ) ，h ( o ，c o ) = 7 ， ) 五瓴，出) = 五+ ，瓴，妫 y ，( ，吐j ) = ，“】( ，扛) ) 8 ( 2 2 1 5 ) ( 2 2 1 6 ) 堕塑螳! 型：主垡笙苎 笙三要兰堡垒堕堡垄壅笪塑! ! 笙堕妻堕堡堡竺堡 遮四个等式，加上( 2 2 9 ) 和( 2 2 1 1 ) ，以及f l o q u e ta n i o n ，可 以解六个未知数。 正一，( 0 ，珊) = ；( o ，) ( 1 z 2 ) g ( o ，c o ) = ( 1 l z l ) g ，( o ，0 3 ) 歹；1 ( 一r 2 ，) = 鼻 ，在魄源电压 为3 v 时，各种模式的工作电流分别为a m ；3 4 0 u a 、l p m i ：7 0 u a 、l p m 2 ： 1 7 u a 、l p m 3 ：2 u a 、l p m 4 ：0 。l u a 。錾，旨嫒可以方餐戆在转工痒模式之闽 切换。m s p 4 3 0 的超低功耗使篡在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优 是的特性。m s p 4 3 0 也具有非誊亳的集成废，攀片集成了多通道1 2 b i t 敬a d 转换、片内精密比较器、多个其有p w m 功能的定时器、斜边a d 转换、片内 u s a r t 、看门狗定时器、片内数控振荡器( d c o ) 、大量的i o 端日以及大容 量的片内存储嚣，单片w 以满足绝大多数的应精需要。m s p 4 3 0 的这种高集成 度使应用人员不必在接口、外接i o 及存储器上花太多的耪力，面可以方便的 设请囊斧意义上靛单琦系统。m s p 4 3 0 的片内存储器有r o m c 型) 、o t p ( p 型) 、e p r o m ( e 型) 、f l a s h m e m o r y ( f 型) 4 种型号，采用冯诺伊曼结构，因 照，r a m 、r o m 稻全都的外潮模块都位于丽遗址空闯内。 3 ，2 3 硬件设计 低功耗是熬令毫魏豹雷要约寒条绺，另癸，受可髑耀空闷的矮割，整个电 两北丁业大学硕卜学位论文 第_ 三章声波油管通信的实现 路面积也要求尽量小。综合上述两点，采用m s p 4 3 0 单片机设计数据采集部分 为很好的选择。m s p 4 3 0 f 1 4 9 为x l x x 系列中硬件集成鹱最赢的产品，稠对于其 它的产品，它有了硬件乘法器、4 8 个v o 端口、更多的定时器( 1 0 个) 、更多 的u s a r t 端翻( 2 个) 以及离达6 0 k b 的f l a s h 、2 k b 的r a m ，为m s p 4 3 0 系列中的酋选产品。m s p 4 3 0 提供多种晶振方案，设计采用了两种时钟输入， 4 m h z 的高频晶振配置为c p u 主系统工作时钟，3 2 7 6 8 k h z 的看门狗为外围系 统工 乍时钟。输入通逡为两路仪表放大器通路，输出通道为两路s p i 驻动a d 转换芯片，同时，i o 端口提供电平控制。双面p c b 板词积为6 5 c m 4 5 c m 。 图3 2 3 i 为原理图； 闰32 3 ，1 数据采集电路原理图 两北t 业人学坝 ：学位论文第二帚声波油管斌竹的实舭 3 2 4 软件设计 m s p 4 3 0 的内核c p u 结构是按照精菝搬令集积麓透嚷指令馥宗赣来设诗 的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的高效率的仿真指 令。m s p 4 3 0 f 1 4 9 仅仅有2 7 祭内核指令，使用起来非鬻方便。如下为奶始化及 触发i 0 端口电平的稷序示倒： # i n c l u d e “m s p 4 3 0 x 1 4 x h ” o r g ；p r o g r a m s t a r t r e s e t m o v w # 0 a 0 0 h ，s p：i n i t i a l i z e f 1 4 9s t a c k p o i n t e r s t o p w d t m o v w # w d t p w + w d t h o l d ，& v ￥q ) t c t l ：s t o p w d t s e t u p p l b i s b # 0 0 4 h ，p 1 d i r：p 1 2o u t m a i n l o o p x o n b # 0 0 4 h ，& p 1 0 u t ；t o g g l e p 1 。2 w a i tm o v w # 0 5 0 0 0 0 ，r 1 5 ；d e l a yt or 1 5 l 1d e c ，wr 1 5 ；d e c r e m e n tr 1 5 j n z l 1 ；d e l a y o v e r ? j m pm a i n l o o p ；a g a i n i n t e r r u p tv e c t o r su s e dm s p 4 3 0 x 1 3 x 1 4 x o r g0 f f f e h ；m s p 4 3 0r e s e tv e c t o r d wr e s e t ； e n d 软 串完戒数据采梯骧及编鹨发袈豹功麓，颡秀灌繁声信遴翡复杂赣，数据 保持在较低的发射速率。图3 2 4 1 为程序流程： p q 北f + 、出大学埘 ：学位论文 第三尊声波油管通特的姨现 图3 2 4 1 采集部分软件流程图 这部分麴设计工终鑫毒一篱论文发表，具体可冕参考文献蛳。 3 3 声波油管逶僖实验结粟 3 3 实验鼷统 下图为实验系统的示意图 两北 业大学填l 学位论义 第二章声波油管诵衍的安现 第篓转 f ：囊籍 l 振轮搬鸵 铺- 遵 瓿1r e 他 qh j l 州 ，丹艘 嚣 图3 ，3 1 。 油管通偿鼹验示意隧 荤片机将编码的数据发送到两个不同转速的振动装置上，两个振动装置固 定在油管的一瑞，转速分别为6 5 0 0 0 转和3 5 0 0 0 转，弓| 起的扳动沿溜签传攘到 男一臻。在后端，为了算法分析的方便起见，使用c m a t i v ep c i1 2 8d i g i t a l 声卡 对信母进行采集，用m a t l a b 对信号进行分援。信道仍然是五根连接鹋油管。 3 3 ，2 实验编鹤 管道实验编码包括引导码和巴克码，引导码由一缎0 1 0 1 0 1 0 1 码组戏，在引 警妈焉蟹耀个空码静彼置，紧接着为7 位巴壳璃、1 3 位巴克码，总编码示意如 图3 3 2 1 ： 二二亘妇! ! 竺竺 二三垂圃! ! 竺堡 二亘戛圃 圈3 3 2 1 实验编石蟊示意图 3 + 3 。3 实验终渠 图3 3 3 1 和图3 3 3 2 分别给出了3 5 0 0 0 转振动犍置和6 5 0 0 0 转振动装 置敢振动信号在接故端的响应蕊号之时域积频域图。 盛 两北丁妲大学颤土 学位论文 第二帝声波油管通衍的窑现 - 1 7 0 谨t 1 7 6 77 图3 3 3 ，1 3 5 0 0 0 转振动装置响应信号肘域和频域示意图 u 。“池枷6l 蝴 衄龇i u 山k 。 4 ”| 碍_ ffi 嗣甲嬲零阳f “” 5 96 6 壁3 + 3 3 2 6 5 0 0 0 转攮动装差鞫藏镳号时域稿凝域拳意霆 2 3 、 o 蛾越。_ 蠡 两北t 业人学顾 j 学位论史第二三章声波油管通信的实舭 3 5 0 0 0 转掇动装鬣响应信号的平均频率是6 6 7 2 3k h z ，而6 5 0 0 0 转振动装 置响应信号的平均频率是3 9 7 5 8k h z ，可见褥差别巨大。 编码信号通过油管后的信号和谈剐结果如下： 一个编码周期的识别结果如图3 ，3 3 3 黼一晰 圈3 3 3 。3 一个编码溺期的谈剩结果 三个编码周期的识别结果如图3 3 3 4 0 g 一- - 一 黼槲擀黼鼢蜥黼黼黼 伸排3 0 4 0 t 、 ， o i ? 1 - i ，蔓 。 ： 一l 。lii 4 。1 0 酶一一 一磊一矗一 圈3 3 3 4 曼个编码周期的识别结果 是霹，诶赛毽会发生镑误，魏闰3 3 3 5 两北丁北人学坝士学位论义 第二繁声波油瞥通衍的实地 3 4 小结 4 05 0 6 0 瞄3 3 3 5 错误的识别结果 幽实验结果可以看出，采用宽带声波信号发射和模式识别的方法最终可以 实现声波在油餐中兹数据传簸，受谈剐算法懿影确，遴簧也寄定兹误鹳率。 另一个需要特别注意的地方是，实验的条件是在实验室的环境下模拟的。比真 实的油井情况要理想驺多，实躲的蟪况定要溪劣的多，套噪声和其它静吝静 影响，因此必然有更高的误码率。解决这个办法可以从两条途径如手，一是寻 找更好的模式识剐算法，使算法具有更好鹳鲁棒性耜抗噪声性能，另一方蟊是 加入纠错编码，降低误码率。 两北t 啦大学帧j ：学位论文 蚺v u 幸 避倍方! 鳖堂幽确型兰型塑竺丝堡坌塑塑堕墨 第图章通信方案中纠错编码与解码的理论分析和仿真 4 1 通信编码方案的选择 ( 2 3 ，1 2 7 ) 格雷码( g o l a yc o d e ) 是已知的难一能纠正多个错误的完备码，被 称为金码。它可以纠难随机错误和突发错误。而对于油管信邋来说，既有环境 噪声逡戏敢隧鞔疆误，也有采、濑设釜工馋或突然熬敲壹造成斡突发镶溱，繇以 油管倍道是个随机和突发的混合信道。而且格雷码作为一种循环码，具有编 码简单，易于硬传实现的优点，薅这点，对予我们采羯单冀枫的裁端竣器， 菲常适合。另外，格鬻码的信总位为1 2 位，单片机的采样也是1 2 位，可以满 足要求的精度。整个码位为2 3 位，码位不长，对于闻凝工作灼设备来说，也是 有耐酶。因此，我采用了格雷码来作为漆管通信系统的纠诺编码。 格雷码是种完番的循环妈，也属于线性分组码的范畴。它的编粥和解码 与线憋分组码和循环硝的性质楚紧密相关的。 4 2 格雷碣作为线性分缀鹤的性质 线性分组码是分组码中最骥要的一类玛，也是我们后面讨论更复杂码的基 础。个 嚣，k ) 线性分组码是撼售息划成k 个羁元为段( 拣势信患缀) ，逶过 编码器变成长为n 个码元一组，作为( ，女) 线性分组码的个码字。若镣位码元 的取值有g 种( q 为素数幂) ，则共有g 个码字。, 长的数组共有g ”组，在二进 案l 诸况下，鸯2 ”个数缀。如桑q 。或2 2 个稿字巢台构成了一个k 维线性子空闯， 则穆它是一个( ”，k ) 线性分组弼。 一个( n ，k ，d ) 的一致校验矩眸用表示，它是一个m k ) 月阶矩眸，出一 致校验矩阵可以很快的建立码的线性方程组，如下： ，2 6 。 两北下业= 学硕b 学位论业第州章通竹方案中纠镥编码抽￥码的理论分析和仿真 简写为： 或 h c 7 ：0 7 c h 一】 c n 2 ( 4 2 j ) ( 4 2 。2 ) c = m g = 和，i 肌。一2 槐。i l 菩2 a q 9 2 , - z g l g l 9 9 2 l 。 ( 4 2 4 ) i m l ，一2 ，o1 g k + l 最，2 g 式中，p 是x ( 嚣一婶除铤终。与 穗对斑鹋筇短簿为： h = ( - p 7l 一。)( 4 2 7 ) 由 啪 甩如一k ： ： 也譬 胪 扩 。 “氟胁j 两北丁业人学坝上学位论文第叫章通信方案中纠错编码与解码的王! i ! 论分析和仿真 式中，一p 是一个( 月一k ) k 阶矩阵，它魁p 矩阵的转置。 诧辩g 矩簿帮嚣辍簿为栎准生成缒阵稻标准校验缒阵。 系统码的编码相对而言较为简单，且又g 矩阵可以很方便的得到矩阵， 反之办然，容易检查编基数鹳字是否疆臻。露时，蔻分缍筠霭当，系统褥与菲 系统确的纠错能力完全等价，以后的讨论为系统码。 设发送豹建撵令磷元长静序麴c ：c 。，e 。，c ，) ，逶避信道传输蓟达接 收端的序列为r ：( 。，t o ) 。由于信遴中存在于扰，畏序列中鸵某些码 元可能与c 序列中对应码元的值不同，也就是说产生了错误。由于二_ i 携制序列 中的错误不外乎是1 镶0 或0 错l ，围髓，妇巢把荣遂中豹于拔也瘸：= = 遴割窍 列e ：( e 。，e ，q ，p 。) 表示，则相应有错误的各位e i 取值为l ，无错的各位取 值为0 ，嚣r 洚期就楚c 与e 序爨模2 稿鸯霹静结果，我稻称露为信道的错误圈 样。 设发送静磷字c 一( c 。，o 。，q ，c 。) ，遥j 遣有挠倍道传输，信道产生的锩 误图样e = ( 。e n 。，q ，岛) 。接收蠛译码器牧煎熬粒重为 r = ( r - 2 。r l , r o ) ，r = c + f ，= c ，+ e i 。译码器的任务就是从收到的r 中 得出c ，或者由r 中解出错误图样e ，从而得到c = 尺一童，并使译码错误概率 最小，战使c 尽可能楚c 。 ( ”，k ，d ) 弼的饪一码字c 都必须满足式( 4 2 。2 ) 或式( 4 2 + 3 ) ，蔽鲍，牧 到r 后用该两式之中的任一式进行检验： r h 7 = ( s + e ) h 7 = c h 7 + e h 7 ；e h 7 4 2 8 ) 若e = 0 ，则露h 7 = o ，e 棼0 则是h 7 0 。说鹳震珏7 仅与镑谈整群有 关，而与发送的是什么码字无关。令 s = r h 7 = 露或s 7 = h r 7 = h e ( 4 2 。9 ) 称为接收矢量r 的伴随式( 或校正子) 。因此伴随式完全由e 决定，它充分 地反浚了倍遂粒于抗傍激。译璐器的主要任务就是如筒从s 中褥至i 最像石的锗 2 8 ? q ；i t t 业人学坝l + 学位论文笫p u 章通信方案中纠锚编码i 解码的理论分析和仿冀 误图样盒，从而译出e ：r 一童。 由麓知，( ，田码的校验矩阵 h = h ，。# 一 h 2h t 矗# 一 一l h l 、a 一2 h 2 月一2 + h 。一女。一! = o 。h h h o ) ( 4 2 i 0 ) 式中，h 。为h 矩阵的第i 列，它蹩个n k 重列向量。设 e = ( b ，e m ，q ，) = ( o ，e ”0 ，e f 2 ，0 ，e 1 3 ，0 ，p ”0 ，0 ) ( 4 2 1 1 ) 第，f ：。，位有锩，则 = 8 l l ：+ p f 2 ：+ + g n 罐( 4 2 1 2 ) 说明s 矩孵是日矩阵中相应勺o ( j = 1 2 ，f ) 的那几到自。戆线圣生组合， 由于 。# 是一j 重列矢量，故s 也是一个n k 重的矢壤( s ，s ：，s 。) 。若没有 错误，所有s ，= 0 ，则s 是一个零矢量。 在觳清醒下，对于能鞠爰f 个链漩黥线馥分缰璃( ，k ，d ) ，当满越下式： f 2 7 = 2 4 一。1 + + 暖+ + e ：= z c ： i = o 这避，为r t 中取f 款组会，其物理意义楚筇位强筑中有j 个误疆靛错误灞 样数目“0 ) ，校正予与误码不超过，个的所有错误图样一一对应，监餐码元得 到了最充分的利用，这种码称为完备码。目前找到的完备码是能纠正个错误 的汉明码和能纠正多个错误的( 2 3 ，1 2 ) 格雷码。 ， 帕 豇风一 味k ，；，；u_l；，；l d | i r 阿 f = s 两北下业人学硕l 学位论文 第川常通信方案中纠错编码删妈的理论分析和仿舆 4 3 格雷雨写作为循环码的性质 瞒环码是一类最氯要的线性分组码，由于它具有以下性餍： 德环码具肖严谨的代数结构，其性携易予分析，孛荸别是目篱已发现的大部 分线性码与循环码有密切关系，它们之中的大部分码都可归结于循环硝。 循环码具有循环性，编译码电路，特别是编码电路简单易于实现。嚣且性 能较好，不僵1 1 虿以鲻篪随梳错误，也可以纠诱突发错诶。 循环码是一种分组的系统码，通常前k 位为信息码元，后r 位为监督码元。 它除了具有线筏分组码的封闭往之外，还其育一个独特的地方，即循环性。循 环码中任一许用码组经过循环移位后得到的码组仍为一许用码组，不论左移或 右移，穆位短数多少，其结祭均为循环弱。 为了用代数学理论研究循环码，可烽码组甩多项式来表示，称为粥多项式。 许用璃组c = ( c 。，_ 2 ，c 。，c 。) 可表示为： c ( 砖= c n - t 芹”一+ c # 一2 x “一2 + c 肛，并“一3 + + # x + c o ( 。3 1 ) 友循环移位一次的码组为： x ) = c n - 2 x ”q + c n - 3 x 卜2 + + c o x + c h t ( 4 3 2 ) 相当于q x ) 乘以x 后，用算”一1 取模，依次类推。这样，循环码裁可以用 r o o d 工”一i 的多项式表示。 当一个次数最低的非零首多项式g ( x ) ，它的一切倍式生成一个循环码， 我们穆此多项式为玛的生成多壤式。 可知，“一1 = g ( x ) ( x ) ，糟g ( x ) 为n - k 次，则 ( ) 为k 次多项式，以g ( 工) 为生成多项式缀成的循环码中，g ( x ) ，x g ( x ) ，j “1 9 ( z ) 等_ i 个多项式必怒线性无 关的，设可以由这些玛多项式联对应的码字撼袋循环码煦生藏矩阵g ，剐 g ( x ) = g n - k x ”- 七+ g n - k - i x “一一1 + 十g l x + g o x g ( x ) = g n - k x ”一+ 。+ g n - k - i x ”一+ + g i x 2 + g o x 两北t 业大学颁 ：学位论文第叫章通信方案中纠错编码抽￥码的理论分析和仿真 所以 g = x k - i g ( x ) = g - k x ”一4 + g n - k - i x ”一2 + + g 。x 。一 g 月一女g h 一 一l g ig o 00 0 g 。一9 2g lg o 00 _ ，t - f- 000 g 。一ig 。一女一1 9 1g 。 ( 4 3 3 ) 鼻”一l = g ( x ) 矗( 工) = ( 占。一 x 扑。+ + g l x + g o ) ( 矗x + + 矗l x + h o ) ( 4 ，3 。4 ) 因此循环码的一致校验矩阵为 容易验证 h = h 。h i h 女0 0 0 h oh i h 女0 0 000 h 。h l g 日= 0 ( 4 3 + 5 ) ( 4 3 6 ) 我们稼h 4 = 红“一1 ) g ( x ) 为鹳貔梭验多矮式。 此时生成的循环码并不是系统码，系统码的g 矩阵为 g = p tp )( 4 3 7 ) 左边是蠹x k 除单缎方阵，这楣当予妈字多项式的第拧一t 至n k 次的系数 楚信息位，而其余的为校验位，即 c ( 玲= m ( x ) x ”。+ r 砖o ( m o d g ( x ) ) 式中 蹦( x ) = 牌 “+ 掰 一2 石一2 + + 辫l x + m 。 是信息多项式， 。，m ；，m 。) 是信息位，恧 ，( x ) = 一 一l x “4 1 + r - k - 2 x ”一一2 十+ x 十r o 4 3 。8 ) ( 4 3 9 ) 两北下蛇大学硕：学位论，文=第叫帚通竹方案中纠错编码0 解码的理论分析和仿磷 怒铰验多矮式，糖应酶系数是鹞元豁校验位。出式霹褥 一r ( x ) = c ( x ) + m ( x ) x ”! m ( x ) x “一( m o d g ( x ) ) ( 4 3 1 1 ) 所以要构造用g ( x ) 生成的系统码，首先必须将信息组乘以x ”，变成 x n - k m o ，然屠，蘑g ( x ) 除，褥到余式r ( x ) ，褥将其备项系数取加法邋元，就 褥到了所要求的校验缀。因此，搪环戳系统玛敬编码鲻题就是以g x ) 为模静除 法问题。 基g = ( i k 户) 可絮，信息缝静基底矢量是：0 0 0 妨，( o l o ，( 0 1 ) ，相应 的信息多项式分别为：z ) = x & - im 2 舅) = z “2 ，m 。( 盖) = 1 ，与这些信怠多项 式相对应的校验多项式分别为： ( z ) 姑x n - k 工。( m o d g ( x ) ) ，乇( x ) 兰x n - k x 。一2 ( m o d g ( x ) ) ，吒( x ) 嚣善打- 。( m o d g ( x ) ) 一般写成 吒2 x n - k x 2 一；x 。( m o d g ( x ) ) ，i = 1 , 2 ，k( 4 3 1 23 与此相应鞠码多项式为 g ( x ) q f ( 茗) = c j ( j ) = x ”一i ( 工) ，i = 1 , 2 ，k ( 4 3 1 3 ) 共k 个，它餐鹣系数裁缝藏了系统璃g 缝阵蘸行。 g = 10 0l o o 0 一i ( j ) 0 一瓦砖 1 一莲f x ) = 以r ) ( 4 3 1 4 ) 式中，冀( x ) 表示t a x ) 的系数。因而，校验矩阵h 可由上式立即得到 帮_ - ( - p 7 一。) = ( ( x ) 7 巧( x ) 砭( x ) 7 ，。) 这说明搿短瘁懿嚣垂刭楚( x ) s 茗”。( r o o d g ( x ) ) ( i = 1 , 2 ，。，女) 酶系数。焉焉n k 列是x ”“，x n - k - 2 ，x 。的系数，幽于它们的次数小于西( 盖) ，所以它基 被g x ) 取 模以后仍不变。上式可写为： 西北t 业人学颅k 学位论文 颦p u 章词信方案中纠错编码j 解码的理论分析干丌仿真 = ( i 一。# 一，# i r t # 一- 舅7 1 7 x m o d g ( x ) ) ( 4 3 1 6 ) ( 。3 1 4 ) 耱( 4 。3 1 6 ) 就是循环鹞豹系统玛形式的g 矩阵和h 矩阵的一 般表示式。 设发送的鹊字是c ( x ) = c 。t x “+ c m x ”2 十c n - 3 x ”3 + + c l x + c o ，通过进 制输入和输出龅信道磁，译码嚣输入端遐到的是 r ( x ) = c ( x ) + e ( x ) # ( 0 一】x ”一十+ x + )0 = c ，+ e ， ( 4 3 1 7 ) 式中，f ( x ) = ( g 。x ”1 + 十e l x + e o ) 是信遵产生豹错误圈样。译码器的主 要任务裁是热秘双显( 善) 中得到正确的 砉诗锚浚銎转秀( 工) = ( x ) ，然嚣褥到 c ( x ) ，并由此得到信息组m ( x ) 。循环码的译码分为以下3 步； ( 1 )计算矗( 的伴随式s ( x ) ； ( 2 ) 裉据伴随式s 讧) 我国估计错误图样啻o ) ； ( 3 ) 曰( x ) 一鱼x ) = 0 ，德到译鼹嚣辕出鹣珐篷鹤字0 ，并送基漳鹞器绘 嗣户。糟e = c ，则译码f 确，否则，译码错误。 出伴随式定义可翔，可求得： s = r h 7 = f c + e ) h 7 = e h 7( 4 3 。1 8 ) 伴随式s 仅与错误图样有必，而与发送的码字无关，由它可计算出错误图 样e 。 设( ”，膏，d ) 循环码的生成多项式为g ( x ) ，且爿”一1 = g ( x ) ( x ) ，蚀( z ) = ”一k ， 该鹳鳃致较瓣矩阵可知为 月。= 仁“一1 7 譬一一譬7 了r i m o d g ( 并) ) ( 4 3 1 9 ) 所以 两北下、此人学硕士学位论文第础章通信方案中纠错编码b 斛磷的理论分析和访真 s=足h7=e一。，一：，