CN102571677A - 基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调方法与装置，所述调制解调方法利用了独立的辅助导频作多普勒频移估算，只需通过判断导频的频率即可得出多普勒因子，比传统方法更为准确，同时省去了帧首尾的识别信息，使传输效率最大化。所述调制解调装置包括发射装置和接收装置，发射装置包括编码映射单元、串并转换单元、载波相加单元、多声纳发生器、若干载波发生器和若干载波调制单元；接收装置包括声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元；该装置结构简单，只需简单的电路和算法就可实现，部分电路可采用传统调制方法的电路，成本低，具有速率高、多普勒抗性强的特点。

Description

基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调方法与装置

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种抗多普勒频移的多子带频率调制解调方法。

背景技术

在无线通信系统中，当发送者或接收者在运动中通信时，接收者接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。

多普勒频移严重影响着通信的质量。信号在传输的过程中发生多普勒频偏，在频域上就会产生显著的频移扩散，从而在时域上引起信号时间选择性衰落，造成接收和解调的错误。同时对于多载波系统来说，时间选择性衰落容易破坏子载波间的正交性，从而引起子载波间干扰和在信道跟踪时造成不准确。

多普勒频移是无线通信系统中普遍存在但又难以解决的问题，在水声通信中，同样存在着多普勒频偏，而且更为严重。表1是浅海水声信道和陆地GSM无线电信号的特性比较：

表1

参数	GSM900信道	浅海水声信道
			载波频率	900MHz	5KHz-50KHz
信道带宽	200KHz	10KHz
			波速	3×10-8m/s	1500m/s
发射、接收端相对移动速度	50km/h	10km/h
			多普勒因子	4.6×10-8	1.85×10-3

从上表看出，水声信道的带宽比无线电信道的带宽小得多，同时由于水声信道载波的速度远小于陆地无线电信道的电磁波速度，导致水声通信的多径时延和多普勒因子都与陆地无线电信道相差了多个数量级。另外水底环境的复杂性也加大了多普勒频偏问题。为了解决带宽问题，需要研究一种高效的通信模式，例如陆上的正交频分复用技术(OFDM)，但由于水声信道中的多普勒频偏问题更为严重，所以不能把陆上成熟的通信模式原封不动的移至水声通信中，必须加以改进或者提出更适合水声通信的方法。

目前来说，水声通信很大一部分是采用改进的OFDM通信模式。OFDM作为一种高效的多载波通信模式，能很好的解决水声信道带宽资源紧缺的问题，但在水声信道中应用多载波系统，就必须解决多普勒频偏问题。最常用的改进方法就是进行多普勒频移补偿：通过在每帧信号的始端和末端添加识别信息，在接收端就可以估计出接收信号的长度，而发射时一帧信号的长度是已知的，通过二者的对比可以得到该帧伸缩/扩展的情况，即其多普勒系数，最后通过时域插值对帧信号中每个子载波进行多普勒补偿。这种方法易于实现，结构简单，但对识别信息的要求较高。为了能准确的辨识出帧长度，识别信号必须满足大的时宽带宽乘积(简称BT)，而且必须采用对多普勒频移不敏感的信号(如线性调频信号)。但BT取得越大，也就意味着辨识信号的长度越长，必然会降低数据的传输效率。这两个因素相互制约，选择较好的多普勒补偿，就必然会牺牲传输的效率。本发明提出的调制方法能很好的解决这个问题，采用辅助导频的方法，既能提高多普勒系数估算的精度，又不会降低信号的传输速率。

发明内容

本发明的目的是客服现有技术存在的上述不足，提出基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法与装置，具有速率高、多普勒抗性强的特点。由于本发明利用了独立的辅助导频作多普勒频移估算，只需通过判断导频的频率即可得出多普勒因子，比传统方法更为准确，同时省去了帧首尾的识别信息，使传输效率最大化。本发明通过以下技术方案实现。

一种基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，包括如下步骤：

步骤1、将可利用的带宽非均匀或均匀的分成N个子载波，每个子载波的频率记为f_k，k＝0，1，2…N-1即k为0～N-1中的整数；且按0至k的次序，f₀＜f₁＜...＜f_k，f₀作为导频载波，对应的接收端接收到的子载波频率分别为f_R0，f_R1，...，f_Rk；

步骤2、把要调制的比特数据按照采用的调制方式进行调制映射，将调制后的数据分成x组，每组包含N-1个比特，每一组数据记为符号D_xn，其中x代表符号数，n＝1，2，…N-1即n为1～N-1中的整数，n代表每个符号内的比特信息；

步骤3、把一个符号内的数据分别调制到除导频载波外的子载波f₁～f_k上，从f₁到f_k共有N-1个载波，恰好对应一个符号的比特数，即D_x1调制到f₁，D_x2调制到f₂，依次类推，D_x(N-1)调制到f_N-1，由于子载波是并行存在的，所以此时有N-1个同步的载波调制系统，最后把调制后的N-1个载波相加，得到符号载波S(t)；

步骤4、将导频载波与符号载波同时发送，并且在整个通信过程中保持导频载波的持续发送。

上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，所述符号载波S(t)表达式为：

$S\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}F\right[d_i.\mathrm{Rect}(t-T_s-\frac{T}{2})]e^{j2\mathrm{\π}{f}_i(t-T_s)}+e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(t-T_s)}\}---\left(1\right),$

其中T_s＜t＜T_s+T，T_S为符号的开始时间，T为一个符号的时长，

表示要发送的数据，当d_i＝1时表示时长等于T的矩形信号，d_i＝0则表示幅度为0的矩形波，F[□]表示调制映射方式，

表示频率为f_i的子载波，

则表示导频载波，从式中得出，一个调制符号是N-1个信息调制载波和导频载波组成。

上述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法中，接收端接收到的每一个符号信号都含有导频载波；接收到的所有载波中导频载波的频率是最低的，在调制过程中，导频载波的发射维持在整个通信的过程，即导频载波的时长为整个通信时间。

上述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法中，导频载波频率的选定由载波可用频率范围B和信道的最大多普勒因子确定，多普勒因子定义为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{f_R-f_S}{f_S}---\left(2\right),$

其中f_R是发射频率f_S经过多普勒频移后的接收频率，多普勒因子也与收发端的相对运动速度V有关：

其中V_声是声波在传输介质中的速度，因此信道的最大多普勒因子与收发端的最大相对速度|Vmax|的关系为：

对B划分后的所有子载波f₀＜f₁＜...f_k，由于导频载波与其它调制载波同步传输，所以它们经历的多普勒效应是一样的，也即导频f₀受到的多普勒因子与符号载波f₁□f_k受到的多普勒因子相同；为保证频移后的载波频率仍在频率范围B内，应满足：

f₀(1-Δ_max)＞f_L，f_N-1(1+Δ_max)＜f_H    (5)，

同时由于规定了初始条件f_k＞f₀，所以经过任意多普勒因子Δ＜1时，f_k(1-Δ)＞f₀(1-Δ)都成立，这样就保证了接收端接收到的频率最低的载波总是导频载波；在实际应用中，收发端的相对运动速度V总是小于声波的传输速度V_声，因此可以认为Δ＜1恒成立，估算出收发端的最大相对运动速度V_max后，就可以得到Δ_max，进而进一步的划分出导频载波与其它子载波。

上述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，步骤2中若采用的调制方式为幅度调制，则将数据映射为幅度调制的星座图；若采用的调制方式为相位调制，则要调制成相位调制的星座图。

与上述调制方法相对应的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，包括如下步骤：

步骤一、寻找导频，由于符号载波总是与导频载波同时存在，所以它们受到的多普勒效应是一致的，而在发射端导频载波的频率小于每个符号载波中的子载波频率，所以在接收端接收到的所有载波中，导频载波的频率仍保持最低，导频载波即为所有接收到的载波中频率最低的那个载波；

步骤二、计算多普勒因子Δ₀，得到的导频载波频率为f_R0，发送的导频载波频率为f₀，则多普勒因子Δ₀由下式得到：

$\frac{f_{R0}-f_0}{f_0}={\mathrm{\Δ}}_0---\left(6\right);$

步骤三、分离各子载波，对各子载波分别进行去多普勒处理，通过扫描接收信号中包含的所有载波的频率，并利用滤波器对各载波进行滤波，得到若干个子载波信号f_Rm(m＜N-1)；由于各个子载波受到的多普勒因子都等于导频载波受到的多普勒因子Δ₀，因而能对符号载波进行多普勒补偿还原原载波频率，对分离得到的所有子载波f_Rm进行去多普勒计算：

$\frac{f_{\mathrm{Rm}}}{1+{\mathrm{\Δ}}_0}={f_m}^{\′},$ m＝1，2，...    (7)，

得到对应的消除了多普勒频移的m个子载波f_m′；

步骤四、与发射载波配对，辨别出各子载波，步骤三中得到的各载波f_m′并不能与相应的原载波对应上，这是因为在实际中，Δ₀的估算不可能完全准确，因此去多普勒计算后得到的各个载波频率存在着误差；但由于Δ₀的估算误差相对载波间的频率间隔是非常小的，所以我们可以通过查找原载波中与估算结果最接近的那个频率，然后将两者配对，如式(8)，

f_dm＝min{f′_i，f_j}，i＝1，2，...m，j＝1，2，...N-1    (8)，

式中f′_i为去多普勒后得到的子载波，f_j为原发射的各个子载波，f_dm是配对后的载波，对每一个去多普勒后的载波f′_i，分别与原来的每个子载波f_k的频率进行比较，查找与之频率最接近的那个子载波，当找到频率最接近的f′_i和f_k时，就将这两个频率配对，认为f′_i是发射f_k时收到的载波，通过这种方法将去多普勒后的载波与相应的原载波配对，还原出发射载波；

步骤五、对配对后的各子载波进行与编码端相对应的映射解调，即反编码映射，得到原始信息。

上述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，步骤4中还原出发射载波后，根据调制方式进行逆调制，即解调，解调的方法由调制方法确定；步骤五中反编码映射也是编码映射的逆过程，最后得到的数据流就是发送的信息。

上述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，步骤一中，寻找导频的方法包括：

a、硬件方法，通过扫频电路，对频率范围[f₀(1-Δ_max)f₀(1+Δ_max)]进行扫频，找出最低频率的载波，即为导频载波，f₀(1-Δ_max)和f₀(1+Δ_max)是导频载波频率经过多普勒频移后可以达到的最小值和最大值；

b、软件方法，利用频率范围为[f₀(1-Δ_max)f₀(1+Δ_max)]的滤波器对接收到的信号进行滤波，然后通过频谱图在滤波后的信号中找出最低频率的载波，即为导频载波。

本发明还提供基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，包括发射装置和接收装置，发射装置包括：编码映射单元、串并转换单元、载波相加单元、多声纳发生器、若干载波发生器和若干载波调制单元；原始比特数据流直接输入编码映射单元，得到编码映射后的星座图，由编码映射单元输出到串并转换单元，串并转换单元将串行数据流转换为N-1个并行的数据流；串并转换单元与载波调制单元相连，将N-1个数据分别调制到N-1个子载波上，然后通过载波相加单元将N-1个子载波相加，组成一个符号载波，载波相加单元最后连接多声纳发生器，将信号转换为声波发出，同时另一个载波发生器也连接多声纳发生器，产生导频声波；

接收装置包括：声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元，声纳接收装置同时接收所有子载波和导频信号，并转换为电信号，与频率测量器连接；频率测量器检测出频率最低的载波，并测量其频率；重采样单元与频率测量器连接，并将频率测量器得到的数据转化为多普勒因子，对接收信号进行重采样；频率配对单元将重采样后的信号作频率配对后，输出到载波解调单元进行解调，得到N-1个并行数据流；接着将结果输入并串转换单元和编码解码单元，得到发送信息。

由上述的技术方案及原理可以总结出本发明的优势在于：

1、抗多普勒能力强、适用性广。本发明核心步骤是通过对导频载波的频率变化估算出多普勒因子，由于导频载波不携带任何信息，不易受其它载波干扰，能最直接的反应出信道中的多普勒频偏，适用于多种信道。

2、实现方法的多样性。由于导频与其它负责传输信号的子载波相互独立，所以子载波的调制方式并不影响导频信号对多普勒因子的估算。也就是说，只要不对导频信号造成干扰，子载波的调制方式可以是多样的，这也是本发明设计的精妙之处。

3、成本低，容易实现。基于辅助频率的水声抗多普勒调制解调装置结构简单，只需简单的电路和算法就可实现，部分电路可采用传统调制方法的电路，成本低。

附图说明

图1为发射端原理图。

图2为接收端原理图。

图3为发射端的载波频率图。

图4为接收端的载波频率图。

图5为收发端的硬件装置图。

图6为发射端的结构框图。

图7为接收端的结构框图。

图8为发射调制流程图。

图9为接收解调流程图。

具体实施方式

以上内容已经对本发明作了充分的说明，下面再结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本装置发射原理如图1所示，Rd为要发送的信息。将Rd串并变化并编码映射后，分别调制到除导频f₀外的所有子载波f₁□f_n上，组成符号信号S(t)与S_d(t)(即导频f₀)同时发射。

图3为发射端的载波频率图。由于此时未受到多普勒频移的影响，所以各符号中的子载波f₁□f_n频率保持一致，且各符号发送时导频载波f₀也一样。

本装置接收原理如图2所示。S′_d(t)与S′(t)分别为接收端接收到的符号信号和导频信号，即多普勒频移后的符号信号与多普勒频移后的导频信号。根据S′_d(t)估算出多普勒因子Δ，然后根据Δ对S′(t)进行去多普勒频移(多普勒补偿)，并与发射端已知的子载波频率进行匹对，还原出未受多普勒频移时的符号信号。最后对符号信号进行反调制，得出发射端发送信息Rd。

图4为接收端接收到的载波频率图。不同时刻载波在信道中受到的多普勒频移也不同，所以图中各符号信号中的子载波f₁□f_n的频率是变化的，但各子载波与导频f₀间的相对位置保持不变，即f₀频率始终低于f₁□f_n频率。

本实施方式中的发射装置结构框图如图6所示，包括：编码映射单元601，串并转换单元602，若干载波调制单元603，载波相加单元604，若干载波发生器605，多声纳发生器606。

发射过程如下：原始比特数据流直接输入编码映射单元601，得到编码映射后的星座图，由编码映射单元601输出到串并转换单元602，602单元将串行数据流转换为N-1个并行的数据流。接着串并转换单元602与载波调制单元603相连，将N-1个数据分别调制到N-1个子载波上，然后通过载波相加单元604将N-1个子载波相加，组成一个符号载波。最后连接多声纳发生器606，将信号转换为声波发出，同时另一个载波发生器605也连接多声纳发生器606，产生导频声波。

接收装置框图如图7所示，包括：声纳接收装置701，频率测量器702，重采样单元703，频率配对单元704，载波解调单元705，并串转换单元706，编码解码单元707。

接收过程如下：声纳接收装置701同时接收所有子载波和导频信号，并转换为电信号，与频率测量器702连接。频率测量器检测出频率最低的载波，并测量其频率。重采样单元703与频率测量器702连接，并将702得到的数据转化为多普勒因子，对接收信号进行重采样。频率配对单元704将重采样后的信号作频率配对后，输出到载波解调单元705进行解调，得到N-1个并行数据流。接着将结果输入并串转换单元706和编码解码单元707，得到发送信息。

如图5所示，本发明装置包括控制处理单元、相加器、模数转化器(A/D)和数模转换器(D/A)，双向换能器组成。控制处理单元负责整个系统的信号处理，同时协调其它单元之间的工作，可选用快速的高性能芯片，如TI的DSP芯片TMS320C2812、三星的ARM9芯片S3C2440或者FPGA芯片。相加器选用载波相加电路完成，同时包括载波的同步和放大。A/D和D/A模块选用一般的ADC芯片即可，但要求转换速度大于100KHz。

调制步骤：

步骤一，如图8流程所示，将通信载波划分成若干个子载波。划分方式和子载波的数量需结合信道的最大多普勒因子和采用的调制方式作综合考虑。例如在中心频率为40KHz，带宽为5K的频带下，采用幅度调制方式调制数据流(s₁s₂...s₈)，就可分成5个子载波(f₀f₁...f₄)，其中f₁□f₄这4个载波为符号子载波，f₀为导频载波。载波频率满足f₀＜f₁＜...＜f₄，各载波之间的频率间隔取600Hz，最低频率f₀与最高频率f₄与频带的边缘间隔1KHz。保留1KHz是为了使各载波频率满足式(5)，实际中应根据估算到的信道最大多普勒因子为Δ作相应调整。

步骤二，将数据流进行调制映射，得到星座图。不同的调制方式映射方法不同，得到的星座图也不一样。例如幅度调制把比特1映射为1，比特0映射为0。映射后的数据根据子载波的划分情况，把数据分成N个符号，每个符号包含的比特数与符号子载波数相同。如步骤一中，将(s₁s₂...s₈)作幅度映射后有8个符号，要调制到f₁□f₄这4个载波上，则需要分成两个符号。

步骤三，把一个符号内的数据同时调制到各自的符号载波上。例如进行幅度调制时，当分配到某一子载波上的数据为1，子载波幅度保持不变发送；数据为0时，则子载波幅度调制为0，即不发送该子载波。所有子载波同时调制完成后，由控制处理单元将各子载波和导频载波一同送到相加器，将所有子载波组成符号载波，最后换能器同时发送符号载波和导频载波。至此调制完成。

解调步骤：

步骤一、接收端步骤如图9所示。换能器负责接收声波信号，当有载波到达时，换能器讲接收信息传输到控制处理单元，开始检测载波中频率最低的子载波，并估算其频率。由于导频载波没有携带调制信息，通过简单的滤波处理可快速实现导频载波的分离和频率估算。

步骤二、估算出接收导频的频率后，就可以计算出符号载波的多普勒因子，然后对各子载波进行分离，最后进行去多普勒计算。如对步骤一中的信息(s₁s₂...s₈)，由于幅度调制时比特0并不发送载波，所以分离得到的子载波未必都有4个，所以需要后面的配对步骤。先对分离后的所有载波进行去多普勒计算，接着把每个结果配对到原子载波频率中与之频率最接近的那个载波。例如f_rx是接收到的某一载波去多普勒后的频率，由于误差的存在，我们无法在原发射子载波中找到频率为f_rx的载波，但我们可以找到与f_rx最接近的子载波f_x，此时系统就会认为f_x与f_rx是同一个载波，把f_rx与f_x配对。

步骤三、当完成所有结果的配对后，控制处理单元就会根据配对后的结果对子载波进行常规解调。例如幅度调制的符号载波，在完成配对后就可以得到若干子载波，将这些子载波与原发射的子载波比较，就可以知道哪些载波有发送，哪些载波没有发送。当载波有发送时，就意味在这载波上调制了信号1，没有发送的载波其对应信号为0。将得到储存并输出，至此解调过程完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将可利用的带宽非均匀或均匀的分成N个子载波，每个子载波的频率记为f_k，k＝0，1，2…N-1即k为0～N-1中的整数；且按0至k的次序，f₀＜f₁＜...＜f_k，f₀作为导频载波，对应的接收端接收到的子载波频率分别为f_R0，f_R1，...，f_Rk；

步骤2、把要调制的比特数据按照采用的调制方式进行调制映射，将调制后的数据分成x组，每组包含N-1个比特，每一组数据记为符号D_xn，其中x代表符号数，n＝1，2，…N-1即n为1～N-1中的整数，n代表每个符号内的比特信息；

步骤3、把一个符号内的数据分别调制到除导频载波外的子载波f₁～f_k上，从f₁到f_k共有N-1个载波，恰好对应一个符号的比特数，即D_x1调制到f₁，D_x2调制到f₂，依次类推，D_x(N-1)调制到f_N-1，由于子载波是并行存在的，所以此时有N-1个同步的载波调制系统，最后把调制后的N-1个载波相加，得到符号载波S(t)；

步骤4、将导频载波与符号载波同时发送，并且在整个通信过程中保持导频载波的持续发送。

2.根据权利要求1所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，其特征在于符号载波S(t)表达式为：

$S\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}F\right[d_i.\mathrm{Rect}(t-T_s-\frac{T}{2})]e^{j2\mathrm{\π}{f}_i(t-T_s)}+e^{j2\mathrm{\π}{f}_0(t-T_s)}\}---\left(1\right),$

其中T_s＜t＜T_s+T，T_S为符号的开始时间，T为一个符号的时长，

表示要发送的数据，当d_i＝1时表示时长等于T的矩形信号，d_i＝0则表示幅度为0的矩形波，F[□]表示调制映射方式，

表示频率为f_i的子载波，则表示导频载波，从式中得出，一个调制符号是N-1个信息调制载波和导频载波组成。

3.根据权利要求1所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，其特征在于接收端接收到的每一个符号信号都含有导频载波；接收到的所有载波中导频载波的频率是最低的，在调制过程中，导频载波的发射维持在整个通信的过程，即导频载波的时长为整个通信时间。

4.根据权利要求3所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，其特征在于导频载波频率的选定由载波可用频率范围B和信道的最大多普勒因子确定，多普勒因子定义为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{f_R-f_S}{f_S}---\left(2\right),$

其中f_R是发射频率f_S经过多普勒频移后的接收频率，多普勒因子也与收发端的相对运动速度V有关：

其中V_声是声波在传输介质中的速度，因此信道的最大多普勒因子与收发端的最大相对速度|Vmax|的关系为：

对B划分后的所有子载波f₀＜f₁＜...f_k，由于导频载波与其它调制载波同步传输，所以它们经历的多普勒效应是一样的，也即导频f₀受到的多普勒因子与符号载波f₁□f_k受到的多普勒因子相同；为保证频移后的载波频率仍在频率范围B内，应满足：

f₀(1-Δ_max)＞f_L，f_N-1(1+Δ_max)＜f_H    (5)，

同时由于规定了初始条件f_k＞f₀，所以经过任意多普勒因子Δ＜1时，f_k(1-Δ)＞f₀(1-Δ)都成立，这样就保证了接收端接收到的频率最低的载波总是导频载波；在实际应用中，收发端的相对运动速度V总是小于声波的传输速度V_声，因此可以认为Δ＜1恒成立，估算出收发端的最大相对运动速度Vmax后，就可以得到Δ_max，进而进一步的划分出导频载波与其它子载波。

5.根据权利要求3所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制方法，其特征在于步骤2中，若采用的调制方式为幅度调制，则将数据映射为幅度调制的星座图；若采用的调制方式为相位调制，则要调制成相位调制的星座图。

6.一种基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、寻找导频，在接收端接收到的所有载波中，导频载波的频率仍保持最低，导频载波即为所有接收到的载波中频率最低的那个载波；

步骤二、计算多普勒因子Δ₀，得到的导频载波频率为f_R0，发送的导频载波频率为f₀，则多普勒因子Δ₀由下式得到：

$\frac{f_{R0}-f_0}{f_0}={\mathrm{\Δ}}_0---\left(6\right);$

步骤三、分离各子载波，对各子载波分别进行去多普勒处理，通过扫描接收信号中包含的所有载波的频率，并利用滤波器对各载波进行滤波，得到若干个子载波信号f_Rm(m＜N-1)；由于各个子载波受到的多普勒因子都等于导频载波受到的多普勒因子Δ₀，因而能对符号载波进行多普勒补偿还原原载波频率，对分离得到的所有子载波f_Rm进行去多普勒计算：

$\frac{f_{\mathrm{Rm}}}{1+{\mathrm{\Δ}}_0}={f_m}^{\′},$ m＝1，2，...    (7)，

得到对应的消除了多普勒频移的m个子载波f_m′；

步骤四、与发射载波配对，辨别出各子载波，步骤三中得到的各载波f_m′并不能与相应的原载波对应上，这是因为在实际中，Δ₀的估算不可能完全准确，因此去多普勒计算后得到的各个载波频率存在着误差；通过查找原载波中与估算结果最接近的那个频率，然后将两者配对，如式(8)，

f_dm＝min{f′_i，f_j}，i＝1，2，...m，j＝1，2，...N-1    (8)，式中f′_i为去多普勒后得到的子载波，f_j为原发射的各个子载波，f_dm是配对后的载波，对每一个去多普勒后的载波f′_i，分别与原来的每个子载波f_k的频率进行比较，查找与之频率最接近的那个子载波，当找到频率最接近的f′_i和f_k时，就将这两个频率配对，认为f′_i是发射f_k时收到的载波，通过这种方法将去多普勒后的载波与相应的原载波配对，还原出发射载波；

步骤五、对配对后的各子载波进行与编码端相对应的映射解调，即反编码映射，得到原始信息。

7.根据权利要求6所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，其特征在于步骤4中还原出发射载波后，根据调制方式进行逆调制，即解调，解调的方法由调制方法确定；步骤五中反编码映射也是编码映射的逆过程，最后得到的数据流就是发送的信息。

8.根据权利要求6所述的基于辅助导频的多子带水声抗多普勒解调方法，其特征在于步骤一中，寻找导频的方法包括：

a、硬件方法，通过扫频电路，对频率范围[f₀(1-Δ_max)f₀(1+Δ_max)]进行扫频，找出最低频率的载波，即为导频载波，f₀(1-Δ_max)和f₀(1+Δ_max)是导频载波频率经过多普勒频移后可以达到的最小值和最大值；

b、软件方法，利用频率范围为[f₀(1-Δ_max)f₀(1+Δ_max)]的滤波器对接收到的信号进行滤波，然后通过频谱图在滤波后的信号中找出最低频率的载波，即为导频载波。

9.基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，其特征在于包括发射装置和接收装置，发射装置包括：编码映射单元、串并转换单元、载波相加单元、多声纳发生器、若干载波发生器和若干载波调制单元；原始比特数据流直接输入编码映射单元，得到编码映射后的星座图，由编码映射单元输出到串并转换单元，串并转换单元将串行数据流转换为N-1个并行的数据流；串并转换单元与载波调制单元相连，将N-1个数据分别调制到N-1个子载波上，然后通过载波相加单元将N-1个子载波相加，组成一个符号载波，载波相加单元最后连接多声纳发生器，将信号转换为声波发出，同时另一个载波发生器也连接多声纳发生器，产生导频声波；

接收装置包括：声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元，声纳接收装置同时接收所有子载波和导频信号，并转换为电信号，与频率测量器连接；频率测量器检测出频率最低的载波，并测量其频率；重采样单元与频率测量器连接，并将频率测量器得到的数据转化为多普勒因子，对接收信号进行重采样；频率配对单元将重采样后的信号作频率配对后，输出到载波解调单元进行解调，得到N-1个并行数据流；接着将结果输入并串转换单元和编码解码单元，得到发送信息。

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