專利名稱：多頻帶ds-mfsk調制解調器的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是水聲通信領域，更確切地說，涉及一種基于多頻帶DS-MFSK的水聲通信調制解調器，適用于通信速率較高、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)是一種非相干調制技術，其將并行信息調制在不同載波后并行進行傳輸，可有效提高系統的通信速率。相比于相干調制解調技術，MFSK調制解調 器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調制解調技術屬于寬帶調制解調技術，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。采用MFSK調制解調技術可以大大簡化通信接收機的復雜度。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干擾，因此直接序列擴頻通信系統具有較強的抗干擾能力，可以在低信噪比下穩健工作。另外基于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。本發明基于MFSK調制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水聲通信調制解調器。
發明內容
鑒于此，本發明公開了一種多頻帶DS-MFSK調制解調器，其中調制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉換器(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)、并串轉換器(116)、信道解碼器(117)組成。本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器其調制器的工作過程為信源發送的串行信息通過信道編碼器(101)進行編碼后再由串并轉換器(102)進行串并轉換，并由子頻帶頻率映射器(103、104、105)采用查表映射法將信息映射到子頻帶內的不同載波上，并將不同頻帶載波并行疊加，從而實現多頻帶的MFSK調制后，并將調制后的信號送入碼元成型器(106)。碼元成型器(106)將多個子頻帶相加后的調制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)以形成最終用于發送的信號幀，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制信號(406)和保護冗余(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。本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器其解調器的工作過程為調制器發送的聲波信號通過換能器和接收電路(110)進行放大、濾波采樣后被送入幀同步器(111)，幀同步器(111)采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，并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，并利用PN碼解擾與判決器(113)對截取信號做解擾處理，若解擾后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。解擾后的有效信號被送入FFT變換器(114)，FFT變換器(114)對解擾后的有效信號進行FFT變換，并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，解調后的信息通過并串轉換器(116)和信道解碼器(117)后，恢復出發送端信息。本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器具有實現簡單、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，本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器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制。第二，本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器利用FFT算法以及分頻帶軟判決，可快速實現多頻帶MFSK解調。第三，本發明所公開的多頻帶DS-MFSK調制解調器利用偽隨機序列相關特性，實現多用戶通信功能。由此可見，本發明設計新穎、技術含量高、易于實現且成本較低，非常適合于海洋資源勘探、水下作業、海洋環境監測等領域的工程應用。
為了使本發明的內容更利于相關專業技術人員理解，下面對附圖進行簡單說明。圖I為本發明所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器結構框圖。圖2為本發明所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器的信息幀結構示意圖。圖3為本發明所述的多頻帶DS MFSK調制解調器的一種實現方案框圖。圖4為本發明所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器發射功放電路原理圖。圖5為本發明所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器幀同步拷貝相關器輸出結果。圖6為本發明所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器軟判決頻譜窗。
具體實施方案下面結合附圖和本發明一種較佳的具體實施例對本發明作進一步說明。作為本發明的一種較佳施例，選擇系統的工作頻帶為20 40KHz，將整個系統帶寬分為4頻帶，每個頻帶采用4FSK調制方式，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O. 5倍，此時有1/T = 625Hz，對應的T = L 6ms。作為本發明的一種較佳施例，同步信號采用水聲通信中經常使用的線性調頻信號LFM, LFM信號的時間分辨率力0. 88/B,為盡可能提高該信號的時間分辨率，信號帶寬B取20-40kHz共20kHz，此時時間分辨力為O. 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遠大于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。作為本發明的一種較佳施例，在實際通信接收機處，由于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并經過偽隨機序列擴頻處理后加入了碼元成型環節，該環節將完成映射并疊加后的信息碼加上一段空白冗余來抵消碼元截取的誤差。在此擬定空白冗余為O. 4ms。作為本發明的一種較佳施例，由于系統采用幀結構的形式，每幀信號先發送同步碼，之后預留一段空白冗余作為同步信號與后續信息碼元的保護間隔，然后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，對于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。作為本發明的一種較佳施例，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O. 4ms的空白冗余約為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。作為本發明的一種較佳施例，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刻，如圖5所示為拷貝相關器輸出的結果。作為本發明的一種較佳施例，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，對解擴后的信號做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。最后將解調的信息經過并串轉換以及信道解碼送至信宿完成通信任務。作為本發明的一種較佳施例，如圖3所示，給出了整個多頻帶DS-MFSK調制解調器硬件實現結構框圖。下面詳細說明該結構的具體實現方式。作為本發明的一種較佳施例，接口模塊(301)用于連接信源或信宿，即接收信源待調制信息或輸出解調后的信息給信宿。微控制器(302)與接口模塊(301)相連，完成調制器中信道編碼和串并轉換操作和解調器的信道解碼和并串轉換操作，考慮到成本和功耗要求，微控制器選擇MSP430系列或STM32系列。調制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，調制器發射電路(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，從而完成上述的調制解調功能。以上所述僅為本發明的一種較佳可行施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所做的等同結構變化，同理均應包含在發明的保護范圍 內。
權利要求
1.一種多頻帶DS-MFSK調制解調器，其特征在于調制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉換器(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)、并串轉換器(116)、信道解碼器(117)組成。
2.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器，其特征在于調制器將通信帶寬劃分為多個子頻帶，并由子頻帶頻率映射器(103、104、105)實現子頻帶內的MFSK調制后，將多個子頻帶的調制信息相加后送入碼元成型器(106)。
3.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器，其特征在于碼元成型器(106)將多個子頻帶相加后的調制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調制解調器，其特征在于子頻帶頻率映射器(103、104、105)采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，并將不同頻帶載波并行疊加。
5.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器，其特征在于信號幀成型器(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制信號(206)和保護冗余(207)組成。
6.如權利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調制解調器，其特征在于幀同步器(111)采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、濾采樣后的同步信號進行拷貝相關處理，并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調制解調器，其特征在于碼元截取器(112)根據幀同步器(111)提供的時間基準依次截取信息碼信號，并利用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調制解調器，其特征在于FFT變換器(114)對解擾后的有效信號進行FFT變換，并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。
全文摘要
本發明公開一種多頻帶DS-MFSK調制解調器，屬于水聲通信技術領域。具體來說該結構是基于MFSK調制解調提出一種采用直接序列擴頻加擾實現多用戶通信的水聲通信調制解調器。其特征在于調制端將系統頻帶分為若干子頻帶，并對每個子頻帶采用MFSK調制后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后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于工程實現。
文檔編號H04B1/7073GK102832964SQ20121032973
公開日2012年12月19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 , 么彬 申請人:北京引創科技有限責任公司