專利名稱：多頻帶ds-mfsk調(diào)制解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是水聲通信領(lǐng)域，更確切地說，涉及一種基于多頻帶DS-MFSK的水聲通信調(diào)制解調(diào)器，適用于通信速率較高、穩(wěn)健性較強(qiáng)的水聲通信環(huán)境中。
背景技術(shù)：
近年來隨著人類海洋活動(dòng)的增加，海洋資源勘探、水下作業(yè)、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域均對數(shù)據(jù)傳輸與通信有著很強(qiáng)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(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。在不同的應(yīng)用場合，研究人員提出了各種各樣的通信技術(shù)。多載波頻移鍵控(MFSK)是一種非相干調(diào)制技術(shù)，其將并行信息調(diào)制在不同載波后并行進(jìn)行傳輸，可有效提高系統(tǒng)的通信速率。相比于相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)，MFSK調(diào)制解調(diào) 器在接收端不需要進(jìn)行載波同步，在時(shí)變性較強(qiáng)的水聲信道中通信時(shí)，可避免載波同步困難的難題。同時(shí)MFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)屬于寬帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在頻域?yàn)槭釥顬V波器的水聲多途信道中進(jìn)行傳輸時(shí)，可以從頻域抵抗多途效應(yīng)。采用MFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)可以大大簡化通信接收機(jī)的復(fù)雜度。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)序列的相關(guān)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(kuò)頻通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在低信噪比下穩(wěn)健工作。另外基于偽隨機(jī)序列可實(shí)現(xiàn)碼分多址，在無線電通信中具有廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明基于MFSK調(diào)制技術(shù)結(jié)合直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將二者有機(jī)結(jié)合提出了一種可低成本方便實(shí)現(xiàn)的多頻帶DS-MFSK水聲通信調(diào)制解調(diào)器。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，本發(fā)明公開了一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其中調(diào)制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉(zhuǎn)換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器
(106)、信號(hào)幀成型器(108)和發(fā)射電路(109)組成，同時(shí)碼元成型器(106)還與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)相連；解調(diào)器由依次相連的信號(hào)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(diào)器(115)、并串轉(zhuǎn)換器(116)、信道解碼器(117)組成。本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器其調(diào)制器的工作過程為信源發(fā)送的串行信息通過信道編碼器(101)進(jìn)行編碼后再由串并轉(zhuǎn)換器(102)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)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(nèi)的不同載波上，并將不同頻帶載波并行疊加，從而實(shí)現(xiàn)多頻帶的MFSK調(diào)制后，并將調(diào)制后的信號(hào)送入碼元成型器(106)。碼元成型器(106)將多個(gè)子頻帶相加后的調(diào)制信息與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2乘操作形成碼元信息，以實(shí)現(xiàn)多用戶通信。完成碼元成型的信號(hào)被送入信號(hào)幀成型器(108)以形成最終用于發(fā)送的信號(hào)幀，信號(hào)幀成型器(108)所形成的信號(hào)幀(401)之間由一定時(shí)長保護(hù)間隔(402)相隔，每個(gè)信號(hào)幀(401)由同步信號(hào)(403)、幀內(nèi)保護(hù)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(hào)的多頻帶調(diào)制信號(hào)(406)和保護(hù)冗余(407)組成。最終信號(hào)幀通過發(fā)射電路(109)和聲學(xué)換能器發(fā)送到水中。本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器其解調(diào)器的工作過程為調(diào)制器發(fā)送的聲波信號(hào)通過換能器和接收電路(110)進(jìn)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(guān)器或匹配濾波器結(jié)構(gòu)對接收到的信號(hào)幀中的同步信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)處理，并檢測其相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻。碼元截取器(112)根據(jù)幀同步器(111)提供的時(shí)間基準(zhǔn)依次截取信息碼信號(hào)，并利用PN碼解擾與判決器(113)對截取信號(hào)做解擾處理，若解擾后的結(jié)果為有效輸出則被送入下一級進(jìn)行處理，否則重新進(jìn)行同步信號(hào)的確定操作。解擾后的有效信號(hào)被送入FFT變換器(114)，F(xiàn)FT變換器(114)對解擾后的有效信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并由頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)對FFT變換器(114)運(yùn)算結(jié)果分頻帶依次由低向高頻帶進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)，解調(diào)后的信息通過并串轉(zhuǎn)換器(116)和信道解碼器(117)后，恢復(fù)出發(fā)送端信息。本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器具有實(shí)現(xiàn)簡單、穩(wěn)健性高，可實(shí)現(xiàn)較 高速水聲通信以及多用戶通信的優(yōu)點(diǎn)，具體來說第一，本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用查表法進(jìn)行多頻帶頻率映射，簡單有效地實(shí)現(xiàn)了信息調(diào)制。第二，本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用FFT算法以及分頻帶軟判決，可快速實(shí)現(xiàn)多頻帶MFSK解調(diào)。第三，本發(fā)明所公開的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用偽隨機(jī)序列相關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)多用戶通信功能。由此可見，本發(fā)明設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)含量高、易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，非常適合于海洋資源勘探、水下作業(yè)、海洋環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。


為了使本發(fā)明的內(nèi)容更利于相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員理解，下面對附圖進(jìn)行簡單說明。圖I為本發(fā)明所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器的信息幀結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的多頻帶DS MFSK調(diào)制解調(diào)器的一種實(shí)現(xiàn)方案框圖。圖4為本發(fā)明所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器發(fā)射功放電路原理圖。圖5為本發(fā)明所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器幀同步拷貝相關(guān)器輸出結(jié)果。圖6為本發(fā)明所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器軟判決頻譜窗。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖和本發(fā)明一種較佳的具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。作為本發(fā)明的一種較佳施例，選擇系統(tǒng)的工作頻帶為20 40KHz，將整個(gè)系統(tǒng)帶寬分為4頻帶，每個(gè)頻帶采用4FSK調(diào)制方式，則相鄰載波之間的頻點(diǎn)間隔為1250Hz，符號(hào)持續(xù)時(shí)間保證FFT測頻精度為頻點(diǎn)間隔的O. 5倍，此時(shí)有1/T = 625Hz，對應(yīng)的T = L 6ms。作為本發(fā)明的一種較佳施例，同步信號(hào)采用水聲通信中經(jīng)常使用的線性調(diào)頻信號(hào)LFM, LFM信號(hào)的時(shí)間分辨率力0. 88/B,為盡可能提高該信號(hào)的時(shí)間分辨率，信號(hào)帶寬B取20-40kHz共20kHz，此時(shí)時(shí)間分辨力為O. 044ms。時(shí)間帶寬積BT代表了寬帶信號(hào)的處理增益，為了滿足時(shí)間帶寬積BT遠(yuǎn)大于100的要求，在此實(shí)施例中選取T為20ms，此時(shí)時(shí)間帶寬積BT = 400,能夠滿足處理要求。作為本發(fā)明的一種較佳施例，在實(shí)際通信接收機(jī)處，由于同步誤差等因素的存在，在進(jìn)行碼元截取時(shí)，碼元窗不可能完全對應(yīng)地將相應(yīng)碼元截取，因此在分頻帶頻率映射完成并經(jīng)過偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻處理后加入了碼元成型環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)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(fā)明的一種較佳施例，由于系統(tǒng)采用幀結(jié)構(gòu)的形式，每幀信號(hào)先發(fā)送同步碼，之后預(yù)留一段空白冗余作為同步信號(hào)與后續(xù)信息碼元的保護(hù)間隔，然后發(fā)送預(yù)定數(shù)量的信息碼元。在此主要考慮每幀信號(hào)的保護(hù)間隔長度，對于淺海多途信道最大時(shí)延擴(kuò)展一般在數(shù)十毫秒的量級，因此擬定幀保護(hù)間隔為50ms。作為本發(fā)明的一種較佳施例，在實(shí)際應(yīng)用中，每幀信號(hào)攜帶的符號(hào)數(shù)根據(jù)信道實(shí)際情況適時(shí)的調(diào)整，一般淺海信道的相干時(shí)間為ls，擬定幀長度在Is以內(nèi)。每個(gè)碼元的持 續(xù)時(shí)間為符號(hào)持續(xù)時(shí)間加上O. 4ms的空白冗余約為2ms。以幀長度為Is計(jì)算，每幀同步信號(hào)20ms，保護(hù)間隔50ms，相鄰幀之間的保護(hù)間隔為50ms，則信息碼元持續(xù)時(shí)間為880ms，攜帶的碼元數(shù)量為880/2 = 440。按照上述設(shè)計(jì)的完整信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。作為本發(fā)明的一種較佳施例，在接收端，首先利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)檢測同步信號(hào)，主要是利用同步信號(hào)的優(yōu)良的自相關(guān)性檢測其相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻，如圖5所示為拷貝相關(guān)器輸出的結(jié)果。作為本發(fā)明的一種較佳施例，由信號(hào)起始時(shí)刻依次截取信息碼元，首先對截取的碼元進(jìn)行解擴(kuò)處理，對解擴(kuò)后的信號(hào)做FFT運(yùn)算，得到如圖6所示的頻譜窗。從頻譜窗可以看出，各個(gè)頻帶的各個(gè)頻點(diǎn)峰值明顯,可以從低頻帶開始向高頻帶 逐個(gè)頻帶、逐個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息的快速解調(diào)。最后將解調(diào)的信息經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換以及信道解碼送至信宿完成通信任務(wù)。作為本發(fā)明的一種較佳施例，如圖3所示，給出了整個(gè)多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。下面詳細(xì)說明該結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式。作為本發(fā)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(diào)制信息或輸出解調(diào)后的信息給信宿。微控制器(302)與接口模塊(301)相連，完成調(diào)制器中信道編碼和串并轉(zhuǎn)換操作和解調(diào)器的信道解碼和并串轉(zhuǎn)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(diào)制器中的子頻帶頻率映射器(103、103、105)、碼元成型器(106)、信號(hào)幀成型器(108)以及解調(diào)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(diào)器(115)都由與微控制器相連的FPGA(303)來實(shí)現(xiàn)，調(diào)制器發(fā)射電路(109)由驅(qū)動(dòng)電路(304)和功放電路(305)組成，本實(shí)施例中將功放電路設(shè)計(jì)成如圖4所示的D類功放。解調(diào)器的接收電路
(110)由放大濾波電路(308)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(309)組成，數(shù)模轉(zhuǎn)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(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路(306)與聲學(xué)換能器(307)相連，從而完成上述的調(diào)制解調(diào)功能。以上所述僅為本發(fā)明的一種較佳可行施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在發(fā)明的保護(hù)范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于調(diào)制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉(zhuǎn)換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器(106)、信號(hào)幀成型器(108)和發(fā)射電路(109)組成，同時(shí)碼元成型器(106)還與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)相連；解調(diào)器由依次相連的信號(hào)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(diào)器(115)、并串轉(zhuǎn)換器(116)、信道解碼器(117)組成。
2.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于調(diào)制器將通信帶寬劃分為多個(gè)子頻帶，并由子頻帶頻率映射器(103、104、105)實(shí)現(xiàn)子頻帶內(nèi)的MFSK調(diào)制后，將多個(gè)子頻帶的調(diào)制信息相加后送入碼元成型器(106)。
3.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于碼元成型器(106)將多個(gè)子頻帶相加后的調(diào)制信號(hào)與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2乘操作形成碼元信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)多用戶通信。
4.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)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(jīng)過信源信道編碼的信息映射到子頻帶內(nèi)的不同載波上，并將不同頻帶載波并行疊加。
5.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于信號(hào)幀成型器(108)所形成的信號(hào)幀(201)之間由一定時(shí)長保護(hù)間隔(202)相隔，每個(gè)信號(hào)幀(201)由同步信號(hào)(203)、幀內(nèi)保護(hù)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(hào)的多頻帶調(diào)制信號(hào)(206)和保護(hù)冗余(207)組成。
6.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于幀同步器(111)采用拷貝相關(guān)器或匹配濾波器結(jié)構(gòu)，對經(jīng)由接收電路(110)進(jìn)行放大、濾采樣后的同步信號(hào)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理，并檢測其相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻。
7.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于碼元截取器(112)根據(jù)幀同步器(111)提供的時(shí)間基準(zhǔn)依次截取信息碼信號(hào)，并利用PN碼解擾與判決器(113)對截取信號(hào)做解擾處理。
8.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于FFT變換器(114)對解擾后的有效信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并由頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)對FFT變換器(114)運(yùn)算結(jié)果分頻帶依次由低向高頻帶進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域。具體來說該結(jié)構(gòu)是基于MFSK調(diào)制解調(diào)提出一種采用直接序列擴(kuò)頻加擾實(shí)現(xiàn)多用戶通信的水聲通信調(diào)制解調(diào)器。其特征在于調(diào)制端將系統(tǒng)頻帶分為若干子頻帶，并對每個(gè)子頻帶采用MFSK調(diào)制后利用不同偽隨機(jī)序列對通信信號(hào)進(jìn)行加擾發(fā)送以實(shí)現(xiàn)多用戶分址，解調(diào)端實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步后利用自身偽隨機(jī)序列碼進(jìn)行解擾，再利用FFT方法實(shí)現(xiàn)信息的快速解調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的有效性與穩(wěn)健型，同時(shí)從實(shí)現(xiàn)難度、成本等方面考慮，該結(jié)構(gòu)可有效的應(yīng)用于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04B1/7073GK102832964SQ20121032973
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者張曉 , 么彬 申請人:北京引創(chuàng)科技有限責(zé)任公司