CN108462538B - 一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法，该系统包括发射系统：数据基带编码输入模块、可变时隙编码处理模块、激光器驱动模块及激光器，还包括接收系统：水声采集器、水声信号放大整形模块、可变时隙信号解码处理模块，发射系统及接收系统配合在大气信道和水下信道下实现数字通信功能。该方法包括步骤：（1）对待传信息进行信息分帧编码；（2）输出具有导行码的可变长数据帧编码，输出间隔不同的脉冲激光，获得可变时隙激光输出信号；（3）将激光能量信号转换为水下声波信号；（4）声波信号转为电信号，放大后整形输出到数字解调模块；（5）数字解调模块进行信号解码后输出显示。本发明利于信号的灵活发送、接收及安全可靠通信。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域和水声通信领域，具体涉及一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统与方法。
背景技术
随着人们海洋活动的日益频繁，水声通信已不再局限于军事领域，而是广泛扩展到民用领域，通信的海洋应用拓展使水下通信的需求大为增加，同时也对通信技术有着越来越高的要求。在浩瀚的海域中，光波和电磁波在其中的传播衰减都非常大，传输距离十分有限，远不能满足人类日益活跃的海洋活动对通信的需要；利用蓝绿激光实现的海洋通信要求通信双方在视距下进行，同时传输光路复杂，接收对准技术要求高；利用电磁波实现的海洋通信要求水下目标定期浮到天线露出水面的深度，导致其通信目标的隐蔽性降低，因而也限制了这类海洋通信的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是克服传统蓝绿激光和海洋水声通迅不足，提供一种安全性好、移动组网灵活、通信链路简单的数字通信系统及方法
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统，包括发射系统及接收系统，所述发射系统包括依次连接的数据基带编码输入模块、可变时隙编码处理模块、激光器驱动模块及激光器，所述接收系统包括依次连接的水声采集器、水声信号放大整形模块、可变时隙信号解码处理模块；
所述数据基带编码输入模块实现数据或语音信息的字节编码和电平转换；
所述可变时隙编码处理模块完成接收基带编码信号的时隙编码处理、导行码分配和时隙帧组合，即在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光；
所述激光器驱动模块提高激光器驱动能力，完成激光器调制时隙码输出；
所述激光器受控于时隙编码信号，实现激光信号发送；
所述水声采集器完成激光声信号采集；
所述水声信号放大整形模块对水声采集器采集信号进行放大整形处理；
所述可变时隙信号解码处理模块完成不同时隙帧信息解码还原处理；
所述发射系统及接收系统相互配合在大气通信信道和水下声通信信道下实现数字通信功能。
本发明工作原理：发射系统，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光，利用纳秒级的窄脉冲激光器，配合脉冲位置调制方式，可具有瞬时大功率、窄脉冲、宽频带、高峰值能量，有利于提高光声转换效率和接收信噪比，保证一定的激光脉冲能量，在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧；接收系统通过导行码判断当前接收到的数据时隙类型，再根据时隙位置状态判断后面的脉冲代表的实际数据，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。
上述方案中，所述可变时隙编码处理模块以单片机为核心，用于完成时隙编码处理、导行码分配、时隙帧组合和调制脉冲归零码生成。
采用本发明的技术方案有益效果：
（1）激光器输出随机变化的脉冲位置调制信号，且信号呈现无规律状态，能够有效降低截获被破译的概率，减少数据丢失比率，更有利于安全可靠通信；
（2）在大气信道利用激光作为载波，可实现机载或星载平台进行远程可控向确定水域发射激光，然后转换为声波信号在水下传输，利用纳秒级的窄脉冲激光器和脉冲位置调制方式，具有瞬时大功率、窄脉冲、宽频带、高峰值能量，有利于提高光声转换效率和接收信噪比；
（3）在水下信道中，水声传感器可放置于水下一定深度设定距离范围内的任何位置，克服激光视距传输问题，并可以多点放置，无需将声波接收天线浮出水面。
本发明还提供了一种跳时隙的激光水下致声数字通信方法，包括如下步骤：
（1）可变时隙数字调制电路通过串口获取PC端待传数据信息，采用可变时隙方式对待传信息进行信息分帧编码，通过每帧设定的2位导行码及可变间隔，确定每帧时隙类型和长度；
（2）由可变时隙数字调制电路输出具有导行码的可变长数据帧编码经驱动电路加载于调Q脉冲激光器驱动模块，控制激光器输出间隔不同的脉冲激光，获得可变时隙激光输出信号，优选地激光器输出激光波长为1.06μm；
（3）激光经大气信道传输到水面，与水介质发生光声效应，将激光能量信号转换为水下声波信号；
（4）声波信号经水声信道传输，由水声采集器接收转为电信号，电信号经过放大电路放大后经整形输出到数字解调模块；
（5）数字解调模块通过检测每帧前2位导行码脉冲间隔确定时隙类型和码元脉冲位置，从而获得每帧码元信息，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。
在步骤（1）、（2）中，具体分步骤如下：
1）数据基带编码输入模块将输入信息进行字节编码及电平转换，得到基带编码信号；
2）可变时隙编码处理模块定义多时隙类型库，定义导行码脉冲间隔与多时隙类型的函数关系；
3）可变时隙编码处理模块进行时隙编码处理，包括生成导行码，根据导行码的函数关系在多时隙类型库中选定对应的时隙类型，根据时隙类型及基带编码信号进行字节分组，得到时隙组合码，依次将导行码与时隙连接成不同帧结构的调制脉冲，调制脉冲为TTL数据脉冲；
4）将调制脉冲发送给激光器驱动模块，驱动激光器发出激光信号；
5）可变时隙编码处理模块生成导行码，重复分步骤3、分步骤4，直至调制结束。
所述导行码的多时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义2个脉冲导行码的间隔时间为
，
与多时隙类型的关系组成一个函数库；定义多多时隙类型库的规则为在PPM调制方式中选择至少一个，数据对应一个字节为8bit；
对应地，以1个字节8bit为单位组帧。4PPM调制则每次发送时隙对应2bit数据，16PPM调制则每次发送4bit数据，256PPM调制则每次发送8bit数据。
在步骤（4）、（5）中，声波信号接收及解码，采用计时方式判断，假设时隙脉冲宽度和数据时隙脉冲间隔时间长度均大于规定导行码脉冲间隔固定时间，若已知脉冲时隙宽度为
，两两脉冲出现时间间隔为
，那么，接收及解码分步骤如下：
1）光电探测、放大整形模块对水声信号进行处理后，由计时器对脉冲时隙间隔进行采样计数；
2）由解码处理模块检测到两脉冲间隔
为60ms、70ms、80ms则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行数据脉冲间间隔进行位置判断；
3）依据分步骤2）对每种PPM调制类型从导行码第二个脉冲开始到第一个数据时隙脉冲出现之间重新计数，以及之后两两时隙脉冲间隔均为
，依据各时隙类型的字节比特脉冲组合，数据时隙脉冲位置判断按照编码顺序应满足以下条
，值此每帧数据信息即可实现解码还原；
4）重复分步骤2）和分步骤3），直到PPM时隙帧脉冲接收处理完毕。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明方法流程图；
图3（a）为同一个0x01变时隙脉冲位置发射调制波形；
图3（b）为同一个0x01变时隙脉冲位置接收解码波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统，包括发射系统及接收系统，所述发射系统包括依次连接的数据基带编码输入模块、可变时隙编码处理模块、激光器驱动模块及激光器，所述接收系统包括依次连接的水声采集器、水声信号放大整形模块、可变时隙信号解码处理模块；
所述数据基带编码输入模块实现数据或语音信息的字节编码和电平转换；
所述可变时隙编码处理模块完成接收基带编码信号的时隙编码处理、导行码分配和时隙帧组合，即在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光；
所述激光器驱动模块提高激光器驱动能力，完成激光器调制时隙码输出；
所述激光器受控于时隙编码信号，实现激光信号发送；
所述水声采集器完成激光声信号采集；
所述水声信号放大整形模块对水声采集器采集信号进行放大整形处理；
所述可变时隙信号解码处理模块完成不同时隙帧信息解码还原处理。
所述发射系统及接收系统相互配合在大气通信信道和水下声通信信道下实现数字通信功能。
本发明工作原理：发射系统，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光，利用纳秒级的窄脉冲激光器，配合脉冲位置调制方式，可具有瞬时大功率、窄脉冲、宽频带、高峰值能量，有利于提高光声转换效率和接收信噪比，保证一定的激光脉冲能量，在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧；接收系统通过导行码判断当前接收到的数据时隙类型，再根据时隙位置状态判断后面的脉冲代表的实际数据，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。
上述方案中，所述可变时隙编码处理模块以单片机为核心，用于完成时隙编码处理、导行码分配、时隙帧组合和调制脉冲归零码生成。
采用本发明的技术方案有益效果：
（1）激光器输出随机变化的脉冲位置调制信号，且信号呈现无规律状态，能够有效降低截获被破译的概率，减少数据丢失比率，更有利于安全可靠通信；
（2）在大气信道利用激光作为载波，可实现机载或星载平台进行远程可控向确定水域发射激光，然后转换为声波信号在水下传输，利用纳秒级的窄脉冲激光器和脉冲位置调制方式，具有瞬时大功率、窄脉冲、宽频带、高峰值能量，有利于提高光声转换效率和接收信噪比；
（3）在水下信道中，水声传感器可放置于水下一定深度设定距离范围内的任何位置，克服激光视距传输问题，并可以多点放置，无需将声波接收天线浮出水面。
图2示出了一种跳时隙的激光水下致声数字通信方法，包括如下步骤：
（1）可变时隙数字调制电路通过串口获取PC端待传数据信息，采用可变时隙方式对待传信息进行信息分帧编码，通过每帧设定的2位导频码及可变间隔，确定每帧时隙类型和长度；
（2）由可变时隙数字调制电路输出具有导行码的可变长数据帧编码经驱动电路加载于调Q脉冲激光器驱动模块，控制激光器输出间隔不同的脉冲激光，获得可变时隙激光输出信号，优选地激光器输出激光波长为1.06μm；
（3）激光经大气信道传输到水面，与水介质发生光声效应，将激光能量信号转换为水下声波信号；
（4）声波信号经水声信道传输，由水声采集器接收转为电信号，电信号经过放大电路放大后经整形输出到数字解调模块；
（5）数字解调模块通过检测每帧前2位导行码脉冲间隔确定时隙类型和码元脉冲位置，从而获得每帧码元信息，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。
在步骤（1）、（2）中，具体分步骤如下：
1）数据基带编码输入模块将输入信息进行字节编码及电平转换，得到基带编码信号；
2）可变时隙编码处理模块定义多时隙类型库，定义导行码脉冲间隔与多时隙类型的函数关系；
3）可变时隙编码处理模块进行时隙编码处理，包括生成导行码，根据导行码的函数关系在多时隙类型库中选定对应的时隙类型，根据时隙类型及基带编码信号进行字节分组，得到时隙组合码，依次将导行码与时隙连接成不同帧结构的调制脉冲，调制脉冲为TTL数据脉冲；
4）将调制脉冲发送给激光器驱动模块，驱动激光器发出激光信号；
5）可变时隙编码处理模块生成导行码，重复分步骤3）、分步骤4），直至调制结束。
所述导行码的多时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义2个脉冲导行码的间隔时间为
，
与多时隙类型的关系组成一个函数库，定义多时隙类型库的规则为在PPM调制方式中选择至少一个，数据对应一个字节为8bit；
对应地，以1个字节8bit为单位组帧。4PPM调制则每次发送时隙对应2bit数据，16PPM调制则每次发送4bit数据，256PPM调制则每次发送8bit数据；
假设以0x01数据连续以256PPM、16PPM、4PPM三种不同时隙状态编码发送，如图3（a）、图3（b）所示，假设拟传输的一个数0x01对应的字节二进制编码为00000001，则根据多时隙类型规则，每个PPM数据脉冲时隙出现的时域位置均以前一个脉冲结束为起始，所以对应实例数据时隙脉冲分别出现在导行码第二个脉冲结束后开始的256PPM时隙调制编码顺序中的00000001位置；16PPM时隙调制编码顺序中的0000、0001位置；4PPM时隙调制编码顺序中的00、00、00、01位置。
在步骤（4）、（5）中，声波信号接收及解码，采用计时方式判断，假设时隙脉冲宽度和数据时隙脉冲间隔时间长度均大于规定导行码脉冲间隔固定时间，若已知脉冲时隙宽度为
，两两脉冲出现时间间隔为
，那么，接收及解码分步骤如下：
1）光电探测、放大整形模块对水声信号进行处理后，由计时器对脉冲时隙间隔进行采样计数；
2）由解码处理模块检测到两脉冲间隔
为60ms、70ms、80ms则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行数据脉冲间间隔进行位置判断；
3）依据分步骤2）对每种PPM调制类型从导行码第二个脉冲开始到第一个数据时隙脉冲出现之间重新计数，以及之后两两时隙脉冲间隔均为
，依据各时隙类型的字节比特脉冲组合，数据时隙脉冲位置判断按照编码顺序应满足以下条
，值此每帧数据信息即可实现解码还原；
4）重复分步骤2）和分步骤3），直到PPM时隙帧脉冲接收处理完毕。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种跳时隙的激光水下致声数字通信系统，包括发射系统及接收系统，其特征在于：所述发射系统包括依次连接的数据基带编码输入模块、可变时隙编码处理模块、激光器驱动模块及激光器，所述接收系统包括依次连接的水声采集器、水声信号放大整形模块、可变时隙信号解码处理模块；
所述数据基带编码输入模块实现数据或语音信息的字节编码和电平转换；
所述可变时隙编码处理模块完成接收基带编码信号的时隙编码处理、导行码分配和时隙帧组合，即在发送数据的前端加入表明数据时隙类型的导行码组成通信帧，通过将数字信息加载于不同时隙数的脉冲位置组成的脉冲编码来控制激光器发射激光；
所述激光器驱动模块提高激光器驱动能力，完成激光器调制时隙码输出；
所述激光器受控于时隙编码信号，实现激光信号发送；
所述水声采集器完成激光声信号采集；
所述水声信号放大整形模块对水声采集器采集信号进行放大整形处理；
所述可变时隙信号解码处理模块完成不同时隙帧信息解码还原处理；
所述发射系统及接收系统相互配合在大气通信信道和水下声通信信道下实现数字通信功能。
2.根据权利要求1所述的跳时隙的激光水下致声数字通信系统，其特征在于：所述可变时隙编码处理模块以单片机为核心，用于完成时隙编码处理、导行码分配、时隙帧组合和调制脉冲归零码生成。
3.一种跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）可变时隙数字调制电路通过串口获取PC端待传数据信息，采用可变时隙方式对待传信息进行信息分帧编码，通过每帧设定的2位导行码及可变间隔，确定每帧时隙类型和长度；
（2）由可变时隙数字调制电路输出具有导行码的可变长数据帧编码经驱动电路加载于调Q脉冲激光器驱动模块，控制激光器输出间隔不同的脉冲激光，获得可变时隙激光输出信号；
（3）激光经大气信道传输到水面，与水介质发生光声效应，将激光能量信号转换为水下声波信号；
（4）声波信号经水声信道传输，由水声采集器接收转为电信号，电信号经过放大电路放大后经整形输出到数字解调模块；
（5）数字解调模块通过检测每帧前2位导行码脉冲间隔确定时隙类型和码元脉冲位置，从而获得每帧码元信息，完成通信的数据解码，并送输出电路显示，同时通过串口实时上传PC监控。
4.根据权利要求3所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：步骤（2）中，所述激光器输出激光波长为1.06μm。
5.根据权利要求3或4所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：在步骤（1）、（2）中，具体分步骤如下：
1）数据基带编码输入模块将输入信息进行字节编码及电平转换，得到基带编码信号；
2）可变时隙编码处理模块定义多时隙类型库，定义导行码脉冲间隔与多时隙类型的函数关系；
3）可变时隙编码处理模块进行时隙编码处理，包括生成导行码，根据导行码的函数关系在多时隙类型库中选定对应的时隙类型，根据时隙类型及基带编码信号进行字节分组，得到时隙组合码，依次将导行码与时隙连接成不同帧结构的调制脉冲，调制脉冲为TTL数据脉冲；
4）将调制脉冲发送给激光器驱动模块，驱动激光器发出激光信号；
5）可变时隙编码处理模块生成导行码，重复分步骤3、分步骤4，直至调制结束。
6.根据权利要求5所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：所述导行码的多时隙结构是以其脉冲间隔表征一帧的数据时隙类型，定义2个脉冲导行码的间隔时间为
，
与多时隙类型的关系组成一个函数库；定义多时隙类型库的规则为在PPM调制方式中选择至少一个，数据对应一个字节为8bit；
对应地，以1个字节8bit为单位组帧；4PPM调制则每次发送时隙对应2bit数据，16PPM调制则每次发送4bit数据，256PPM调制则每次发送8bit数据。
7.根据权利要求3或4所述的跳时隙的激光水下致声数字通信方法，其特征在于：在步骤（4）、（5）中，声波信号接收及解码，采用计时方式判断，假设时隙脉冲宽度和数据时隙脉冲间隔时间长度均大于规定导行码脉冲间隔固定时间，若已知脉冲时隙宽度为
，两两脉冲出现时间间隔为
，那么，接收及解码分步骤如下：
1）光电探测、放大整形模块对水声信号进行处理后，由计时器对脉冲时隙间隔进行采样计数；
2）由解码处理模块检测到两脉冲间隔
为60ms、70ms、80ms则判定为不同时隙类型每帧开始，分别按照各时隙类型的比特编码规则进行数据脉冲间间隔进行位置判断；
3）依据分步骤2）对每种PPM调制类型从导行码第二个脉冲开始到第一个数据时隙脉冲出现之间重新计数，以及之后两两时隙脉冲间隔均为
，依据各时隙类型的字节比特脉冲组合，数据时隙脉冲位置判断按照编码顺序应满足以下条
，值此每帧数据信息即可实现解码还原；
4）重复分步骤2）和分步骤3），直到PPM时隙帧脉冲接收处理完毕。
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