多頻帶ds-mfsk數據機的製作方法

2023-05-10 23:28:46 1

專利名稱：多頻帶ds-mfsk數據機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是水聲通信領域，更確切地說，涉及一種基於多頻帶DS-MFSK的水聲通信數據機，適用於通信速率較高、穩健性較強的水聲通信環境中。
背景技術：
近年來隨著人類海洋活動的增加，海洋資源勘探、水下作業、海洋環境監測等領域均對數據傳輸與通信有著很強的需求，而水下無纜信息交互是依靠水聲通信的，所以水聲通信技術逐漸成為了研究熱點。在不同的應用場合，研究人員提出了各種各樣的通信技術。 多載波頻移鍵控(MFSK)是一種非相干調製技術，其將並行信息調製在不同載波後並行進行傳輸，可有效提高系統的通信速率。相比於相干調製解調技術，MFSK數據機在接收端不需要進行載波同步，在時變性較強的水聲信道中通信時，可避免載波同步困難的難題。同時MFSK調製解調技術屬於寬帶調製解調技術，在頻域為梳狀濾波器的水聲多途信道中進行傳輸時，可以從頻域抵抗多途效應。採用MFSK調製解調技術可以大大簡化通信接收機的複雜度。直接序列擴頻技術利用偽隨機序列的相關特性，可有效降低噪聲影響以及其他用戶幹擾，因此直接序列擴頻通信系統具有較強的抗幹擾能力，可以在低信噪比下穩健工作。另外基於偽隨機序列可實現碼分多址，在無線電通信中具有廣泛的應用。本實用新型基於MFSK調製技術結合直接序列擴頻技術，將二者有機結合提出了一種可低成本方便實現的多頻帶DS MFSK水聲通信數據機。
發明內容鑑於此，本實用新型公開了一種多頻帶DS-MFSK數據機，其中調製器由依次相連的信道編碼器(101)、串並轉換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器(106)、信號幀成型器(108)和發射電路(109)組成，同時碼元成型器(106)還與偽隨機序列發生器(107)相連；解調器由依次相連的信號接收電路(110)、幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調器(115)、並串轉換器(116)、信道解碼器(117)組成。本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機其調製器的工作過程為信源發送的串行信息通過信道編碼器(101)進行編碼後再由串並轉換器(102)進行串並轉換，並由子頻帶頻率映射器(103、104、105)採用查表映射法將信息映射到子頻帶內的不同載波上，並將不同頻帶載波並行疊加，從而實現多頻帶的MFSK調製後，並將調製後的信號送入碼元成型器(106)。碼元成型器(106)將多個子頻帶相加後的調製信息與偽隨機序列發生器(107)產生的偽隨機碼進行模2乘操作形成碼元信息，以實現多用戶通信。完成碼元成型的信號被送入信號幀成型器(108)以形成最終用於發送的信號幀，信號幀成型器(108)所形成的信號幀(401)之間由一定時長保護間隔(402)相隔，每個信號幀(401)由同步信號(403)、幀內保護間隔(404)和一系列信息碼元(405)組成，其中信息碼元(405)由疊加了加擾信號的多頻帶調製信號(406)和保護冗餘(407)組成。最終信號幀通過發射電路(109)和聲學換能器發送到水中。本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機其解調器的工作過程為調製器發送的聲波信號通過換能器和接收電路(110)進行放大、濾波採樣後被送入幀同步器(111)，幀同步器(111)採用拷貝相關器或匹配濾波器結構對接收到的信號幀中的同步信號進行自相關處理，並檢測其相關峰判決信號到來的時刻。碼元截取器(112)根據幀同步器(111)提供的時間基準依次截取信息碼信號，並利用PN碼解擾與判決器(113)對截取信號做解擾處理，若解擾後的結果為有效輸出則被送入下一級進行處理，否則重新進行同步信號的確定操作。解擾後的有效信號被送入FFT變換器(I 14)，FFT變換器(114)對解擾後 的有效信號進行FFT變換，並由頻譜軟判決信息解調器(115)對FFT變換器(114)運算結果分頻帶依次由低向高頻帶進行軟判決，實現信息解調，解調後的信息通過並串轉換器(116)和信道解碼器(117)後，恢復出發送端信息。本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機具有實現簡單、穩健性高，可實現較高速水聲通信以及多用戶通信的優點，具體來說第一，本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機利用查表法進行多頻帶頻率映射，簡單有效地實現了信息調製。第二，本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機利用FFT算法以及分頻帶軟判決，可快速實現多頻帶MFSK解調。第三，本實用新型所公開的多頻帶DS-MFSK數據機利用偽隨機序列相關特性，實現多用戶通信功能。由此可見，本實用新型設計新穎、技術含量高、易於實現且成本較低，非常適合於海洋資源勘探、水下作業、海洋環境監測等領域的工程應用。

為了使本實用新型的內容更利於相關專業技術人員理解，下面對附圖進行簡單說明。圖I為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機結構框圖。圖2為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機的信息幀結構示意圖。圖3為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機的一種實現方案框圖。圖4為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機發射功放電路原理圖。圖5為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機幀同步拷貝相關器輸出結果。圖6為本實用新型所述的多頻帶DS-MFSK數據機軟判決頻譜窗。
具體實施方案
以下結合附圖和本實用新型一種較佳的具體實施例對本實用新型作進一步說明。作為本實用新型的一種較佳施例，選擇系統的工作頻帶為20 40KHz，將整個系統帶寬分為4頻帶，每個頻帶採用4FSK調製方式，則相鄰載波之間的頻點間隔為1250Hz，符號持續時間保證FFT測頻精度為頻點間隔的0. 5倍，此時有1/T = 625Hz，對應的T =I.6ms。[0023]作為本實用新型的一種較佳施例，同步信號採用水聲通信中經常使用的線性調頻信號LFM，LFM信號的時間解析度力0. 88/B,為儘可能提高該信號的時間解析度，信號帶寬B取20-40kHz共20kHz，此時時間分辨力為0. 044ms。時間帶寬積BT代表了寬帶信號的處理增益，為了滿足時間帶寬積BT遠大於100的要求，在此實施例中選取T為20ms，此時時間帶寬積BT = 400，能夠滿足處理要求。作為本實用新型的一種較佳施例，在實際通信接收機處，由於同步誤差等因素的存在，在進行碼元截取時，碼元窗不可能完全對應地將相應碼元截取，因此在分頻帶頻率映射完成並經過偽隨機序列擴頻處理後加入了碼元成型環節，該環節將完成映射併疊加後的信息碼加上一段空白冗餘來抵消碼元截取的誤差。在此擬定空白冗餘為0. 4ms。作為本實用新型的一種較佳施例，由於系統採用幀結構的形式，每幀信號先發送同步碼，之後預留一段空白冗餘作為同步信號與後續信息碼元的保護間隔，然後發送預定數量的信息碼元。在此主要考慮每幀信號的保護間隔長度，對於淺海多途信道最大時延擴 展一般在數十毫秒的量級，因此擬定幀保護間隔為50ms。作為本實用新型的一種較佳施例，在實際應用中，每幀信號攜帶的符號數根據信道實際情況適時的調整，一般淺海信道的相干時間為ls，擬定幀長度在Is以內。每個碼元的持續時間為符號持續時間加上0. 4ms的空白冗餘約為2ms。以幀長度為Is計算，每幀同步信號20ms，保護間隔50ms，相鄰幀之間的保護間隔為50ms，則信息碼元持續時間為880ms，攜帶的碼元數量為880/2 = 440。按照上述設計的完整信號幀的結構示意圖如圖2所示。作為本實用新型的一種較佳施例，在接收端，首先利用拷貝相關器(匹配濾波器)檢測同步信號，主要是利用同步信號的優良的自相關性檢測其相關峰判決信號到來的時亥IJ，如圖5所示為拷貝相關器輸出的結果。作為本實用新型的一種較佳施例，由信號起始時刻依次截取信息碼元，首先對截取的碼元進行解擴處理，對解擴後的信號做FFT運算，得到如圖6所示的頻譜窗。從頻譜窗可以看出，各個頻帶的各個頻點峰值明顯,可以從低頻帶開始向高頻帶逐個頻帶、逐個頻點進行軟判決，實現信息的快速解調。最後將解調的信息經過並串轉換以及信道解碼送至信宿完成通信任務。作為本實用新型的一種較佳施例，如圖3所示，給出了整個多頻帶DS-MFSK數據機硬體實現結構框圖。下面詳細說明該結構的具體實現方式。作為本實用新型的一種較佳施例，接口模塊(301)用於連接信源或信宿，即接收信源待調製信息或輸出解調後的信息給信宿。微控制器(302)與接口模塊(301)相連，完成調製器中信道編碼和串並轉換操作和解調器的信道解碼和並串轉換操作，考慮到成本和功耗要求，微控制器選擇MSP430系列或STM32系列。調製器中的子頻帶頻率映射器(103、103、105)、碼元成型器(106)、信號幀成型器(108)以及解調器中的幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調器(115)都由與微控制器相連的FPGA(303)來實現，調製器發射電路(109)由驅動電路(304)和功放電路(305)組成，本實施例中將功放電路設計成如圖4所示的D類功放。解調器的接收電路(110)由放大濾波電路(308)和模數轉換器(309)組成，數模轉換器(309)與FPGA(303)相連，功放電路(305)與放大濾波電路(308)通過一個收發轉換電路(306)與聲學換能器(307)相連，從而完成上述的調製解調功能。[0031] 以上所述僅為本實用 新型的一種較佳可行施例，所述實施例並非用以限制本實用新型的專利保護範圍，因此凡是運用本實用新型的說明書及附圖內容所做的等同結構變化，同理均應包含在實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於調製器由依次相連的信道編碼器(101)、串並轉換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器(106)、信號幀成型器(108)和發射電路(109)組成，同時碼元成型器(106)還與偽隨機序列發生器(107)相連；解調器由依次相連的信號接收電路(110)、幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調器(115)、並串轉換器(116)、信道解碼器(117)組成。
2.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於調製器將通信帶寬劃分為多個子頻帶，並由子頻帶頻率映射器(103、104、105)實現子頻帶內的MFSK調製後，將多個子頻帶的調製信息相加後送入碼元成型器(106)。
3.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於碼元成型器(106)將多個子頻帶相加後的調製信號與偽隨機序列發生器(107)產生的偽隨機碼進行模2乘操作形成碼元信號，以實現多用戶通信。
4.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於子頻帶頻率映射器(103、104、105)採用查表映射法將經過信源信道編碼的信息映射到子頻帶內的不同載波上，並將不同頻帶載波並行疊加。
5.如權利要求I所述的多頻帶DSMFSK數據機，其特徵在於信號幀成型器(108)所形成的信號幀(201)之間由一定時長保護間隔(202)相隔，每個信號幀(201)由同步信號(203)、幀內保護間隔(204)和一系列信息碼元(205)組成，其中信息碼元(205)由疊加了加擾信號的多頻帶調製信號(206)和保護冗餘(207)組成。
6.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於幀同步器(111)採用拷貝相關器或匹配濾波器結構，對經由接收電路(110)進行放大、濾採樣後的同步信號進行拷貝相關處理，並檢測其相關峰判決信號到來的時刻。
7.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於碼元截取器(112)根據幀同步器(111)提供的時間基準依次截取信息碼信號，並利用PN碼解擾與判決器(113)對截取信號做解擾處理。
8.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK數據機，其特徵在於FFT變換器(114)對解擾後的有效信號進行FFT變換，並由頻譜軟判決信息解調器(115)對FFT變換器(114)運算結果分頻帶依次由低向高頻帶進行軟判決，實現信息解調。
專利摘要本實用新型公開一種多頻帶DS-MFSK數據機，屬於水聲通信技術領域。具體來說該結構是基於MFSK調製解調提出一種採用直接序列擴頻加擾實現多用戶通信的水聲通信數據機。其特徵在於調製端將系統頻帶分為若干子頻帶，並對每個子頻帶採用MFSK調製後利用不同偽隨機序列對通信信號進行加擾發送以實現多用戶分址，解調端實現信號同步後利用自身偽隨機序列碼進行解擾，再利用FFT方法實現信息的快速解調。通過實驗數據處理驗證該結構的有效性與穩健型，同時從實現難度、成本等方面考慮，該結構可有效的應用於工程實現。
文檔編號H04B1/7073GK202772879SQ201220455280
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者張曉 , 麼彬 申請人:北京引創科技有限責任公司