CN102185636A - 利用线性调频信号调制解调声波的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用线性调频信号调制解调声波的方法及系统，该方法包括声波的调制发送和接收解调，调制发送包括将调制的线性调频信号放大后送入声波发生器，发射声波；将所述的接收解调包括将声波转换为电信，分别进行匹配滤波和包络检波后进行比较，对比较结果进行采样判决。本发明通过将线性调频信号应用于声波调制，由于线性调频信号在发射端进行了时间展宽，因此可以有效的进行长距离的传输；在接收端通过压缩滤波器处理产生窄的时间脉冲，提高了处理的准确性。

Description

利用线性调频信号调制解调声波的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种声波调制解调方法，尤其涉及一种利用线性调频信号调制解调声波的方法及系统。

背景技术

在传统的超声波发送中，普遍采用的是脉冲波形。当需要较长距离的传输时，只能依靠较大的发射脉宽，而大的发射脉宽带会来系统处理的不准确性，这时只能在距离和准确性上做一些权衡；并且由于多普勒和多径的影响，发射脉冲到达接收端时很难处理。

线性调频(Linear Frequency Modulation)信号又称为Chirp信号，其是一种扩频信号，在一个Chirp信号周期内会表现出线性调频的特性，信号频率随着时间的变化而线性变化。Chirp信号的自相关函数具有明显的主瓣和较小的旁瓣，分辨率较高，是目前应用较为成熟和广泛的一种脉冲压缩信号。

发明内容

本发明涉及一种利用线性调频信号调制解调声波的方法，解决了传统声波长距离传播时发射端需要宽脉冲调制，导致接收端解调不够准确的问题。

一种利用线性调频信号调制解调声波的方法，包括声波的调制发送和接收解调，其中，

所述的调制发送包括：

提供一组二进制序列，映射生成调制符序列，根据调制符序列通过直接数字频率合成法合成线性调频信号，将线性调频信号放大后送入声波发生器，发射声波；

所述的接收解调包括：

将声波接收后转换为电信号，电信号经放大、滤波后分成两路；对第一路电信号进行升线性调频匹配滤波、包络检波，得到第一包络信号，对第二路电信号进行降线性调频匹配滤波、包络检波，得到第二包络信号；将第一包络信号和第二包络信号合并，同步得到定时脉冲，同时将第一包络信号和第二包络信号进行比较，根据定时脉冲对比较的结果进行采样，判决。

上述生成线性调频信号包括：

线性调频信号一般可以表示为：

其中

f₀为中心频率，u为调制指数，T为扫频时间，它首先根据调制符确定线性调频信号的中心频率、调制指数和扫频时间，根据时钟生成器产生的同步时钟，计算瞬时频率，计算方法如下：

f_c＝f₀+ut， $-\frac{T}{2}\≤t\≤\frac{T}{2}$

f_c为当前的瞬时频率，t为同步时间。

接着根据时钟生成器产生的同步时钟，计算瞬时相位，计算方法如下：

是当前的瞬时相位值，

为前一时刻的相位值，Δt为同步时钟的时间间隔。

接着通过查找正余弦表得到当前的瞬时相位值，模数转换，低通滤波，输出线性调频信号，重复上述步骤，直至完成扫频时间。

本发明还提供一种利用线性调频信号调制解调声波的系统，由调制发送端和接收解调端组成，

所述的调制发送端包括：

数据源，提供二进制序列；

映射器，将二进制序列映射生成调制符序列，

线性调频信号合成器，依据调制符序列合成线性调频信号；

第一放大器，将线性调频信号放大；

声波发射器，将放大后的线性调频信号转换为声波；

所述的接收解调端包括：

声波接收器，接收声波，并转换为电信号；

第二放大器，将电信号放大；

滤波器，对放大的电信号进行滤波，并分为两路；

匹配滤波器A和包络检波器A，对第一路电信号进行升线性调频匹配滤波和包络检波，得到第一包络信号；

匹配滤波器B和包络检波器B，对第二路电信号进行升线性调频匹配滤波和包络检波，得到第二包络信号；

合路器和同步器，将第一包络信号和第二包络信号合并，同步，输出定时脉冲；

比较器，对一包络信号和第二包络信号进行比较；

判决器，根据定时脉冲采样比较器的输出，判决。

所述的线性调频信号合成器包括：

频率控制字生成器，根据输入的调制符，确定调制线性调频信号的参数，参数包括线性调频信号的中心频率、调制指数和扫频时间；

频率累加器，计算线性调频信号的瞬时频率；

相位累加器，计算线性调频信号的瞬时相位；

正余弦查表模块，依据瞬时相位，查找线性调频信号的瞬时幅度值；

数模转换器，依据输入的瞬时幅度值，输出线性调频信号；

低通滤波器，对线性调频信号进行滤波；

时钟生成器，给频率累加器，相位累加器，正余弦查表模块，数模转换器发送同步时钟信号。

本发明通过将线性调频信号应用于声波调制，由于线性调频信号在发射端进行了时间展宽，因此可以有效的进行长距离的传输；在接收端通过压缩滤波器处理产生窄的时间脉冲，提高了处理的准确性。由于线性调频信号对多普勒、多径效应不敏感，应用于声波调制有很大的发展前景；本发明的线性调频信号参数(中心频率f₀、调制指数u及扫频时间T)均灵活可调，方便使用。

附图说明

图1为本发明系统调制发送端的模块结构示意图；

图2为本发明系统频率合成器的模块结构示意图；

图3为本发明系统接收解调端的模块结构示意图；

图4为映射器的输出波形图；

图5为频率合成器的输出波形图；

图6为声波接收器的输出波形图；

图7为滤波器的输出波形图；

图8为匹配滤波器A的输出波形图；

图9为匹配滤波器B的输出波形图；

图10为包络检波器A的输出波形图；

图11为包络检波器B的输出波形图；

图12为合路器的输出波形图；

图13为判决器的输出波形图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种利用线性调频信号调制发送和接受解调声波的系统，包括发送调制端和接受解调端。发送解调端由数据源、映射器101、线性调频信号合成器102、放大器103和声波发射器104(喇叭)组成，其中线性调频信号合成器102由频率控制字生成器201、频率累加器202、相位累加器203、正余弦查找表模块204、数模转换器205、低通滤波器206以及时钟生成器207组成。

调制发送时，数据源提供一组二进制序列，该二进制序列通过映射器101映射生成调制符序列，映射关系为：二进制数字“0”映射为“-1”，二进制数字“1”映射为“+1”。如输入二进制序列“10110”，映射器输出如图4所示的波形；调制符序列输入线性调频信号合成器(直接数字频率合成)合成线性调频信号，一般可以用下式表示：

其中

u是调制指数(Hz/s)，决定扫频方向(u＞0为升线性调频信号，u＜0为降线性调频信号)，f₀是中心频率，T为扫频时间(s)，如调制符为“+1”，则合成升线性调频信号，如调制符为“-1”，则合成降线性调频信号。在本实施方式中，如调制符为“+1”，则f₀＝40.77KHz，T＝0.5ms，u＝72.2MHz/s；如调制符为“-1”，则f₀＝40.77KHz，T＝0.5ms，u＝-72.2MHz/s

具体过程如下：

当调制符输入到频率控制字生成器201，确定中心频率f₀，调制指数u和扫频时间T，然后频率累加器202根据时钟生成器207产生的同步时钟，计算当前的瞬时频率，f_c＝f₀+ut，f_c为当前的瞬时频率，t为同步时间。接着计算当前的瞬时相位，

是当前的瞬时相位值，

为前一时刻的相位值，Δt为同步时钟的时间间隔。使用正余弦查找表模块204查找当前相位的幅度值，输入数模转换器205，生成线性调频信号，低通滤波器206对其进行滤波，平滑。重复上述过程，直至完成整个扫频时间。

合成线性调频信号后输入放大器103，最后输入声波发射器104，发送声波。

如图3所示，接收解调端由声波接收器301，放大器302，滤波器303，匹配滤波器A304，包络检波器A305，匹配滤波器B306，包络检波B307，比较器308，合路器309，同步器310，判决器311组成，具体解调过程为：

声波接收器301接收声波后将其转换为电信号，本实施例采用麦克风，图6为它的输出波形，从图中可以看出麦克风收到的声波经过声波信道之后，产生了畸变。放大器302对电信号进行放大，送入滤波器303，滤除带外噪声，滤波器303为模拟带通滤波器，中心频率为f₀，带宽B＝|u|T。图7为滤波器303输出的波形。

滤波后，电信号分为两路，第一路输入匹配滤波器A304，进行升线性调频匹配滤波，第二路输入匹配滤波器B306，进行降线性调频匹配滤波。匹配滤波器A304和匹配滤波器B306的输出信号分别输入包络检波器A和包络检波器B，进行包络检波。

线性调频信号的典型特点是它的脉冲压缩特性，与其对应的匹配滤波器可以写为：

是匹配滤波器的单位增益，保证匹配输出在f₀处为单位值。

线性调频信号经过对应的匹配滤波器后，输出表达式为：

$g\left(t\right)=\sqrt{4u}\mathrm{cps}\left({2\mathrm{\πf}}_{0}t\right)\frac{\sin \left(\mathrm{\πut}(T-|t\left|\right)\right)}{2\mathrm{\πut}},-T\≤t\≤T$

由上式可以看出，线性调频信号具有恒包络特性，而其对应的匹配输出则具有和函数sinc(x)＝sin(x)/x类似的特性。宽度为T，幅度为1的输入信号经过匹配滤波后，能量基本集中在宽度2/B(B是带宽)的时间内，幅度最大值为

如图8～图11就是匹配滤波器和包络检波器输出的波形图，一个恒包络的脉冲能量几乎都被压缩在很短的时间段内。

将两个包络信号输入合路器309，合路输出，也就是将包络检波器A和包络检波器B的输出相加，图12为合路器的输出波形，同步器310根据合路器309的输出结果，输出稳定的定时脉冲。

同时将两个包络信号输入比较器308，比较包络检波器A和包络检波器B的输出大小，当包络检波器A的输出大于包络检波器B的输出，则比较器输出高电平，当包络检波器A的输出小于包络检波器B的输出，则比较器输出低电平。判决器311根据定时脉冲，对比较器的输出进行采样，判决器根据门限判决，大于门限值则判为1，小于门限值则判为0；图13为判决器输出的波形图，与数据源输入“10110”一致。

Claims (4)

1.一种利用线性调频信号调制解调声波的方法，包括声波的调制发送和接收解调，其中，

所述的调制发送包括：

提供一组二进制序列，映射生成调制符序列，根据调制符序列通过直接数字频率合成法合成线性调频信号，将线性调频信号放大后送入声波发生器，发射声波；

所述的接收解调包括：

将声波接收后转换为电信号，电信号经放大、滤波后分成两路；对第一路电信号进行升线性调频匹配滤波、包络检波，得到第一包络信号，对第二路电信号进行降线性调频匹配滤波、包络检波，得到第二包络信号；将第一包络信号和第二包络信号合并，同步得到定时脉冲，同时将第一包络信号和第二包络信号进行比较，根据定时脉冲对比较的结果进行采样，判决。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合成线性调频信号包括：

(1)根据调制符确定调制线性调频信号的参数，包括中心频率、调制指数和扫频时间；

(2)通过频率累加、相位累加并通过计算得到线性调频信号的瞬时幅度值，数模转换，低通滤波；重复步骤(2)，直至完成扫频时间。

3.一种利用线性调频信号调制解调声波的系统，由调制发送端和接收解调端组成，其特征在于，

所述的调制发送端包括：

数据源，提供二进制序列；

映射器，将二进制序列映射生成调制符序列，

线性调频信号合成器，依据调制符序列合成线性调频信号；

第一放大器，将线性调频信号放大；

声波发射器，将放大后的线性调频信号转换为声波；

所述的接收解调端包括：

声波接收器，接收声波，并转换为电信号；

第二放大器，将电信号放大；

滤波器，对放大的电信号进行滤波，并分为两路；

匹配滤波器A和包络检波器A，对第一路电信号进行升线性调频匹配滤波和包络检波，得到第一包络信号；

匹配滤波器B和包络检波器B，对第二路电信号进行升线性调频匹配滤波和包络检波，得到第二包络信号；

合路器和同步器，将第一包络信号和第二包络信号合并，同步，输出定时脉冲；

比较器，对一包络信号和第二包络信号进行比较；

判决器，根据定时脉冲采样比较器的输出，判决。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的线性调频信号合成器包括：

频率控制字生成器，根据输入的调制符，确定调制线性调频信号的参数，参数包括中心频率、调制指数和扫频时间；

频率累加器，计算线性调频信号的瞬时频率；

相位累加器，计算线性调频信号的瞬时相位；

正余弦查表模块，依据瞬时相位，查找线性调频信号的瞬时幅度值；

数模转换器，依据输入的瞬时幅度值，输出线性调频信号；

低通滤波器，对线性调频信号进行滤波；

时钟生成器，给频率累加器，相位累加器，正余弦查表模块，数模转换器发送同步时钟信号。

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