CN102832964A - 多频带ds-mfsk调制解调器 - Google Patents

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本发明公开一种多频带DS-MFSK调制解调器，属于水声通信技术领域。具体来说该结构是基于MFSK调制解调提出一种采用直接序列扩频加扰实现多用户通信的水声通信调制解调器。其特征在于调制端将系统频带分为若干子频带，并对每个子频带采用MFSK调制后利用不同伪随机序列对通信信号进行加扰发送以实现多用户分址，解调端实现信号同步后利用自身伪随机序列码进行解扰，再利用FFT方法实现信息的快速解调。通过实验数据处理验证该结构的有效性与稳健型，同时从实现难度、成本等方面考虑，该结构可有效的应用于工程实现。

Description

多频带DS-MFSK调制解调器
技术领域
本发明涉及的是水声通信领域，更确切地说，涉及一种基于多频带DS-MFSK的水声通信调制解调器，适用于通信速率较高、稳健性较强的水声通信环境中。
背景技术
近年来随着人类海洋活动的增加，海洋资源勘探、水下作业、海洋环境监测等领域均对数据传输与通信有着很强的需求，而水下无缆信息交互是依靠水声通信的，所以水声通信技术逐渐成为了研究热点。在不同的应用场合，研究人员提出了各种各样的通信技术。
多载波频移键控(MFSK)是一种非相干调制技术，其将并行信息调制在不同载波后并行进行传输，可有效提高系统的通信速率。相比于相干调制解调技术，MFSK调制解调器在接收端不需要进行载波同步，在时变性较强的水声信道中通信时，可避免载波同步困难的难题。同时MFSK调制解调技术属于宽带调制解调技术，在频域为梳状滤波器的水声多途信道中进行传输时，可以从频域抵抗多途效应。采用MFSK调制解调技术可以大大简化通信接收机的复杂度。
直接序列扩频技术利用伪随机序列的相关特性，可有效降低噪声影响以及其他用户干扰，因此直接序列扩频通信系统具有较强的抗干扰能力，可以在低信噪比下稳健工作。另外基于伪随机序列可实现码分多址，在无线电通信中具有广泛的应用。
本发明基于MFSK调制技术结合直接序列扩频技术，将二者有机结合提出了一种可低成本方便实现的多频带DS-MFSK水声通信调制解调器。
发明内容
鉴于此，本发明公开了一种多频带DS-MFSK调制解调器，其中调制器由依次相连的信道编码器(101)、串并转换器(102)、子频带频率映射器(103、104、105)、码元成型器(106)、信号帧成型器(108)和发射电路(109)组成，同时码元成型器(106)还与伪随机序列发生器(107)相连；解调器由依次相连的信号接收电路(110)、帧同步器(111)、码元截取器(112)、PN码解扰与判决器(113)、FFT变换器(114)、频谱软判决信息解调器(115)、并串转换器(116)、信道解码器(117)组成。
本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器其调制器的工作过程为：信源发送的串行信息通过信道编码器(101)进行编码后再由串并转换器(102)进行串并转换，并由子频带频率映射器(103、104、105)采用查表映射法将信息映射到子频带内的不同载波上，并将不同频带载波并行叠加，从而实现多频带的MFSK调制后，并将调制后的信号送入码元成型器(106)。码元成型器(106)将多个子频带相加后的调制信息与伪随机序列发生器(107)产生的伪随机码进行模2乘操作形成码元信息，以实现多用户通信。完成码元成型的信号被送入信号帧成型器(108)以形成最终用于发送的信号帧，信号帧成型器(108)所形成的信号帧(401)之间由一定时长保护间隔(402)相隔，每个信号帧(401)由同步信号(403)、帧内保护间隔(404)和一系列信息码元(405)组成，其中信息码元(405)由叠加了加扰信号的多频带调制信号(406)和保护冗余(407)组成。最终信号帧通过发射电路(109)和声学换能器发送到水中。
本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器其解调器的工作过程为：调制器发送的声波信号通过换能器和接收电路(110)进行放大、滤波采样后被送入帧同步器(111)，帧同步器(111)采用拷贝相关器或匹配滤波器结构对接收到的信号帧中的同步信号进行自相关处理，并检测其相关峰判决信号到来的时刻。码元截取器(112)根据帧同步器(111)提供的时间基准依次截取信息码信号，并利用PN码解扰与判决器(113)对截取信号做解扰处理，若解扰后的结果为有效输出则被送入下一级进行处理，否则重新进行同步信号的确定操作。解扰后的有效信号被送入FFT变换器(114)，FFT变换器(114)对解扰后的有效信号进行FFT变换，并由频谱软判决信息解调器(115)对FFT变换器(114)运算结果分频带依次由低向高频带进行软判决，实现信息解调，解调后的信息通过并串转换器(116)和信道解码器(117)后，恢复出发送端信息。
本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器具有实现简单、稳健性高，可实现较高速水声通信以及多用户通信的优点，具体来说：
第一，本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器利用查表法进行多频带频率映射，简单有效地实现了信息调制。
第二，本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器利用FFT算法以及分频带软判决，可快速实现多频带MFSK解调。
第三，本发明所公开的多频带DS-MFSK调制解调器利用伪随机序列相关特性，实现多用户通信功能。
由此可见，本发明设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，非常适合于海洋资源勘探、水下作业、海洋环境监测等领域的工程应用。
附图说明
为了使本发明的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。
图1为本发明所述的多频带DS-MFSK调制解调器结构框图。
图2为本发明所述的多频带DS-MFSK调制解调器的信息帧结构示意图。
图3为本发明所述的多频带DS MFSK调制解调器的一种实现方案框图。
图4为本发明所述的多频带DS-MFSK调制解调器发射功放电路原理图。
图5为本发明所述的多频带DS-MFSK调制解调器帧同步拷贝相关器输出结果。
图6为本发明所述的多频带DS-MFSK调制解调器软判决频谱窗。
具体实施方案
下面结合附图和本发明一种较佳的具体实施例对本发明作进一步说明。
作为本发明的一种较佳施例，选择系统的工作频带为20～40KHz，将整个系统带宽分为4频带，每个频带采用4FSK调制方式，则相邻载波之间的频点间隔为1250Hz，符号持续时间保证FFT测频精度为频点间隔的0.5倍，此时有1/T＝625Hz，对应的T＝1.6ms。
作为本发明的一种较佳施例，同步信号采用水声通信中经常使用的线性调频信号LFM，LFM信号的时间分辨率力：0.88/B，为尽可能提高该信号的时间分辨率，信号带宽B取20-40kHz共20kHz，此时时间分辨力为0.044ms。时间带宽积BT代表了宽带信号的处理增益，为了满足时间带宽积BT远大于100的要求，在此实施例中选取T为20ms，此时时间带宽积BT＝400，能够满足处理要求。
作为本发明的一种较佳施例，在实际通信接收机处，由于同步误差等因素的存在，在进行码元截取时，码元窗不可能完全对应地将相应码元截取，因此在分频带频率映射完成并经过伪随机序列扩频处理后加入了码元成型环节，该环节将完成映射并叠加后的信息码加上一段空白冗余来抵消码元截取的误差。在此拟定空白冗余为0.4ms。
作为本发明的一种较佳施例，由于系统采用帧结构的形式，每帧信号先发送同步码，之后预留一段空白冗余作为同步信号与后续信息码元的保护间隔，然后发送预定数量的信息码元。在此主要考虑每帧信号的保护间隔长度，对于浅海多途信道最大时延扩展一般在数十毫秒的量级，因此拟定帧保护间隔为50ms。
作为本发明的一种较佳施例，在实际应用中，每帧信号携带的符号数根据信道实际情况适时的调整，一般浅海信道的相干时间为1s，拟定帧长度在1s以内。每个码元的持续时间为符号持续时间加上0.4ms的空白冗余约为2ms。以帧长度为1s计算，每帧同步信号20ms，保护间隔50ms，相邻帧之间的保护间隔为50ms，则信息码元持续时间为880ms，携带的码元数量为880/2＝440。按照上述设计的完整信号帧的结构示意图如图2所示。
作为本发明的一种较佳施例，在接收端，首先利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测同步信号，主要是利用同步信号的优良的自相关性检测其相关峰判决信号到来的时刻，如图5所示为拷贝相关器输出的结果。
作为本发明的一种较佳施例，由信号起始时刻依次截取信息码元，首先对截取的码元进行解扩处理，对解扩后的信号做FFT运算，得到如图6所示的频谱窗。
从频谱窗可以看出，各个频带的各个频点峰值明显，可以从低频带开始向高频带逐个频带、逐个频点进行软判决，实现信息的快速解调。最后将解调的信息经过并串转换以及信道解码送至信宿完成通信任务。
作为本发明的一种较佳施例，如图3所示，给出了整个多频带DS-MFSK调制解调器硬件实现结构框图。下面详细说明该结构的具体实现方式。
作为本发明的一种较佳施例，接口模块(301)用于连接信源或信宿，即接收信源待调制信息或输出解调后的信息给信宿。微控制器(302)与接口模块(301)相连，完成调制器中信道编码和串并转换操作和解调器的信道解码和并串转换操作，考虑到成本和功耗要求，微控制器选择MSP430系列或STM32系列。调制器中的子频带频率映射器(103、103、105)、码元成型器(106)、信号帧成型器(108)以及解调器中的帧同步器(111)、码元截取器(112)、PN码解扰与判决器(113)、FFT变换器(114)、频谱软判决信息解调器(115)都由与微控制器相连的FPGA(303)来实现，调制器发射电路(109)由驱动电路(304)和功放电路(305)组成，本实施例中将功放电路设计成如图4所示的D类功放。解调器的接收电路(110)由放大滤波电路(308)和模数转换器(309)组成，数模转换器(309)与FPGA(303)相连，功放电路(305)与放大滤波电路(308)通过一个收发转换电路(306)与声学换能器(307)相连，从而完成上述的调制解调功能。
以上所述仅为本发明的一种较佳可行施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于调制器由依次相连的信道编码器(101)、串并转换器(102)、子频带频率映射器(103、104、105)、码元成型器(106)、信号帧成型器(108)和发射电路(109)组成，同时码元成型器(106)还与伪随机序列发生器(107)相连；解调器由依次相连的信号接收电路(110)、帧同步器(111)、码元截取器(112)、PN码解扰与判决器(113)、FFT变换器(114)、频谱软判决信息解调器(115)、并串转换器(116)、信道解码器(117)组成。
2.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于调制器将通信带宽划分为多个子频带，并由子频带频率映射器(103、104、105)实现子频带内的MFSK调制后，将多个子频带的调制信息相加后送入码元成型器(106)。
3.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于码元成型器(106)将多个子频带相加后的调制信号与伪随机序列发生器(107)产生的伪随机码进行模2乘操作形成码元信号，以实现多用户通信。
4.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于子频带频率映射器(103、104、105)采用查表映射法将经过信源信道编码的信息映射到子频带内的不同载波上，并将不同频带载波并行叠加。
5.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于信号帧成型器(108)所形成的信号帧(201)之间由一定时长保护间隔(202)相隔，每个信号帧(201)由同步信号(203)、帧内保护间隔(204)和一系列信息码元(205)组成，其中信息码元(205)由叠加了加扰信号的多频带调制信号(206)和保护冗余(207)组成。
6.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于帧同步器(111)采用拷贝相关器或匹配滤波器结构，对经由接收电路(110)进行放大、滤采样后的同步信号进行拷贝相关处理，并检测其相关峰判决信号到来的时刻。
7.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于码元截取器(112)根据帧同步器(111)提供的时间基准依次截取信息码信号，并利用PN码解扰与判决器(113)对截取信号做解扰处理。
8.如权利要求1所述的多频带DS-MFSK调制解调器，其特征在于FFT变换器(114)对解扰后的有效信号进行FFT变换，并由频谱软判决信息解调器(115)对FFT变换器(114)运算结果分频带依次由低向高频带进行软判决，实现信息解调。
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