Page 153 - 《应用声学》2020年第5期

第 39 卷 第 5 期 赵傲耸等： 周期性管柱信道的声波通信技术研究综述 795

1.0 移键控 (BPSK)、正交振幅调制 (QAM) 等) 的基础
ॆʷӑηՂࣨए 0.5 0 上引入多子带并行传输的通信策略。Gao 等 [24] 首

先提出将离散多音频 (Discrete multi-tone, DMT)
-0.5
-1.0 技术用于钻杆通信，并从理论上计算了 BER=10 −3
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 时 的 传 输 速 率， 证 明 声 波 具 有 远 超 泥 浆 脉 冲
௑ᫎ/s [16]
的传输潜力。2007 年，Memarzadeh 将正交频
图 5 五十节管柱信道的冲激响应 分复用 (Orthogonal frequency division multiplex-
Fig. 5 Impulse response of 50-section channels
ing, OFDM) 和联合信源信道编码 (Joint source-
2.2 声信号调制技术 channel coding, JSCC) 应 用 到 井 下 通 信 系 统，
为了充分利用管柱信道有限的带宽资源，对抗 图 6 [16] 展示了 OFDM 的发射/接收原理图和测试
ISI 和频率选择性衰落，在常规调制方法 (二进制相 信号传输频谱。

x k֒ 1800
X k֒ F s/L⊳T
s  ↼t↽ ADC 1
X k֒ x k֒ x↼t↽ 1600
s  ↼t↽ ADC 2 JSCC L¹point P/S DAC
... ... encoder ... IFFT ... 1400
s M↼t↽ X k֒N
ᮠဋ/Hz 1000
ADC M x k֒L 1200
y k֒
F s /L⊳T
Y k֒ 800
s  ↼t↽ y k֒
⌣
JSCC Y k֒ y↼t↽
⌣ s  ↼t↽ Decoder L¹point S/P ADC 600
... ... FFT ...
400
s M ↼t↽ Y k֒N y k֒L 0 10 20 30 40 50
⌣
௑ᫎ/s
(a) ԧ࠱ˁଌஆԔေڏ (b) ηՂ͜ᣥᮠ៨ڏ
图 6 声波 OFDM 工作原理示例
Fig. 6 Sample acoustic OFDM system
OFDM 是一种把信道频谱划分为多个正交子 信道的时变非常缓慢，且增加管段也不会对通带产
带，再将数据分布到各个子带上并行传输的多载 生明显的影响，初步试验甚至可以忽略其时变特性
波通信方案。子带带宽 ∆f 与符号周期 T 成反比 以降低系统的复杂度 (如减少均衡器的使用)。近几
(T = 1/∆f)，好的设计能保证符号周期 T 比信道脉 年，多位研究者将改进的OFDM技术应用到井下通
冲响应长得多，配合循环前缀，使ISI的影响最小化； 信系统，理论传输性能均有一定程度的提升 [25−27] 。
在频域上允许各子带的自适应调制以灵活应对各
种不平坦与多变的信道条件；借助快速傅里叶变换 2.3 信号接收与噪声抑制
2
(Fast Fourier transform, FFT) 技术高效地完成庞 假设地面和井下分别有 |A s (f)| 和 |A d (f)| 的
2
杂的并行处理。不同于常见的移动无线通信，管柱 噪声衰减因子，代入公式(3)得到：

∫ [ ]
P S (f)
C up = log 1 + df bit/s. (4)
2 2 −2 −2
P N d (f) + |A s (f)| |A d (f)| |H(f)| P N s (f)
如前文所述，信道容量是 SNR 的直接函数，在声信 除此之外，还提出在接收机和地面设备 (发射机和
号发射功率难以进一步提高的情况下，通过直接或 钻头) 之间加装物理结构的声衰减器，两种方法均
间接的方式抑制噪声是提高接收SNR的唯一途径。 能为信道容量带来数量级的提升。后续的研究多围
2006 年，Sinanovic [28] 提出双传感器接收方案， 绕以上两方面展开，包括隔声体 (Acoustic isolator
其基本思想是通过阵列信号处理实现定向滤波，从 tool, AIT) 设计、多阵列接收模型的训练、弱信号检
而抑制管段中与声信号传输方向相反的地面噪声； 测与提取等 [29−30] 。