CN109474304B - 自适应多制式水声通信系统及方法 - Google Patents

自适应多制式水声通信系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自适应多制式水声通信系统及方法，根据扩频及OSDM(正交信号分割复用)调制技术，生成不同的调制模式对信号进行调制；所述通信系统的发送端包括调制方式选择模块、数字调制模块、扩频调制模块、OSDM调制模块、数据组帧模块，接收端包括同步模块、多普勒补偿模块、信道均衡模块、调制方式判断模块以及相应的各解调模块。采用该系统，能够根据水声信道的变化改变自适应信号调制方式，实现单载波与多载波调制方式的自由切换。本发明自适应多制式水声通信系统具有低复杂度、强抗干扰、抗多径和抗多普勒频偏，可有效地解决水下多径、多普勒频偏、噪声引起的信号不可靠传输的问题。

Description

自适应多制式水声通信系统及方法
技术领域
本发明属于水声通信技术领域，尤其涉及一种自适应多制式水声通信系统及方法。
背景技术
水声通信技术应用广泛，在军事领域中，如用于海底立体观测网、海洋战术警戒、海洋突发事态监测、灾难预防、水下移动载体定位导航及相互通信等方面。在民用领域中，如用于海底数据回收、水下航行器定位与数据通信、海洋探测设备与海上船只或者岸站之间通信等。近几年，为加快海洋研究发展海洋经济，我国对海洋研究方面的投入力度在不断加大，而深入研究海洋与水声通信技术的支持是密不可分的。由于水这种介质的特殊性质，使得水声通信是水下无线通信最有效技术之一。
但是由于水声信道具有时变性、强多径、强多普勒，水声信道是一个复杂的信道，同时存在着频率选择性衰落、时间选择性衰落、大时延的问题，而且由于水域环境的未知性，更加增大了水声通信的难度。而且不同的水域环境往往有着不同的信道状态，不同时间相同水域也会有着不同的信道冲击响应。不同水下环境拥有着不同的信道响应，浅海模型、深海模型，远程、近程，有相对运动、无相对运动，水平、垂直，都会产生不一样的信道响应，甚至相同地点，一天中的不同时间也会有着不一样的信道响应。水声通信需要面对水声信道的各种变化，并且需要维持着通信系统的有效性，所以需要有着较强的适应水声信道变化的能力。
随着人们对水声通信传输技术的不断研究，基于单载波调制技术、多载波调制技术的水声通信系统日渐丰富。单载波水声通信技术，OFDM，相干调制，非相干调制等单一制式水声通信系统逐渐丰富起来。但是随着通信节点所处海洋地理位置，通信节点相对距离，通信方向以及海况的不同，水声通信技术面临着不同的声传播环境。在这情况复杂的水声通信需求下，传统的单一制式的水声通信往往不能时刻都保证通信系统的通信性能的可靠性和传输的有效性。单一通信制式的水声通信系统的性能往往受限于最大通信距离或者最恶劣信道情况，单一制式的水声通信系统不能在不同信道状态下均获得最理想的系统性能，无法适应水声信道的时变性。
近些年来关于多制式水声通信系统的研究也逐渐丰富起来。目前常用的多制式水声通信系统，通常是信道编码码率的调整，数字调制方式的调整，以及二者结合的改变来完成多制式水声通信系统的设计。美国Millica团队基于OFDM系统提出了不同子载波功率分配的自适应水声通信系统。西北工业大学针对不同通信距离的需求提出了自适应多制式正交多载波水声通信技术，可以使通信系统在不同距离不同环境下通信速率逼近该信道的最高值。中科院声学所针对载人潜器“蛟龙”号所需的图像、语音、数据和文字等不同类型信息的传输，研究了相干水声通信、非相干水声通信、扩频水声通信和水声语音通信的多种通信功能的水声信号处理方法。但上述采用多种信号调制方案的系统结构复杂，实现起来较为繁琐。
针对上述已有解决方案存在的问题、单制式水声通信的缺点，以及现有的多制式水声通信系统结构复杂的弊端，有必要研究一种可靠性高、可以实现单载波/多载波调制技术切换的多制式水声通信系统。
发明内容
本发明在上述不足的基础上提供了一种自适应多制式水声通信系统及方法，结合OSDM(正交信号分割复用)技术，能够根据水声信道变化自适应改变信号调制方式，实现单载波与多载波调制方式的自由切换。
为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应多制式水声通信系统，包括发送设备与接收设备，所述发送设备包括：信道编码模块、调制方式选择模块、数字调制模块、扩频调制模块、OSDM调制模块、数据组帧模块，各模块依次连接；所述信道编码模块对输入的信息码元进行编码处理并输出信号至调制方式选择模块；所述调制方式选择模块根据扩频及OSDM调制技术，生成不同的调制方式进行选择，并根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，判断信道状态,调整自适应参数，实现不同调制方式的切换；所述数字调制模块在选择的调制方式下对信号进行数字调制并将信号传输至扩频调制模块进行扩频调制，所述OSDM调制模块将扩频调制模块输出的调制信号进行OSDM调制并将调制信息传输至数据组帧模块进行数据组帧；
所述接收设备包括：同步模块、信道均衡模块、调制方式判断模块、OSDM解调模块、解扩频模块、数字解调模块以及信道译码模块，各模块依次连接；同步模块将接收的水声信道传输的发射信号进行数据同步处理，识别出有效数据，信道均衡模块根据识别的有效数据进行信道估计与信道均衡处理，调制方式判断模块根据信道均衡模块输出的数据判断数据数字调制方式，所述OSDM解调模块根据调制方式判断模块识别的调制方式将数据进行相应的OSDM解调，解扩频模块将OSDM解调后的数据进行相应的解扩处理并传输至数字解调模块进行数字解调，信道译码模块将数字解调后的信号进行解码，恢复出原信道输入数据。
优选的，所述发送设备进一步包括升采样模块以及上变频模块，所述升采样模块与数据组帧模块连接，对组帧后的数据帧进行升采样处理；所述上变频模块与升采样模块连接，将升采样处理后的信号进行滤波及上变频混频处理，形成发射信号传输至水声信道。
优选的，所述接收设备进一步包括多普勒补偿模块、下变频模块、降采样模块，所述多普勒补偿模块与同步模块连接，所述下变频模块与多普勒补偿模块及降采样模块连接，所述降采样模块与信道均衡模块连接；多普勒补偿模块对通带内有效信号进行多普勒估计与补偿并将补偿后的信号传输至下变频模块进行下变频处理，所述降采样模块将下变频后的信号进行降采样处理并传输至信道均衡模块。
本发明还提供了一种自适应多制式水声通信方法，采用所述的自适应多制式水声通信系统，包括以下步骤：
S1：根据扩频及OSDM调制技术，生成不同的调制方式；
S2：根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，判断信道状态,调整自适应参数，实现不同调制方式的切换，对数据进行调制；
S3：将调制信息添加到调制后的数据帧中完成数据组帧；
S4：在接收端进行数据同步处理，解析该帧数据的调制信息；
S5：进行信道估计与信道均衡，根据解析出的调制信息判断相应的调制方式，并进行相应解调。
优选的，对步骤S3中完成数据组帧后的数据帧进行升采样、带通滤波及上变频处理，形成发射信号经过水声信道发送；
所述步骤S4中在接收端进行数据同步处理，解析该帧数据的调制信息的方法为：通过在接收端对同步的数据进行多普勒估计与补偿，以及进行下变频及降采样处理，确定有效数据帧的位置信息；对有效数据帧进行解析，获取该帧数据的调制信息。
优选的，所述步骤S2中根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，调整自适应参数的方法为：
根据
Figure GDA0002546903740000041
调整系统自适应参数M、K、R；
其中，M表示OSDM系统的待调制数据的向量长度，K表示数据扩频长度，R表示数字调制阶数，D表示水声信道的最大时延扩展，
Figure GDA0002546903740000042
表示接收信噪比，P为自适应参数调整输出函数，F为联合判决函数。
优选的，所述自适应参数调整的具体方法包括：
计算水声信道的最大时延扩展D，调整待调制数据的向量长度M；
根据给定需求的最低误码率门限值，设置调制方式切换的信噪比门限值；
计算接收信噪比
Figure GDA0002546903740000052
判断接收信噪比
Figure GDA0002546903740000053
是否超过预设的信噪比门限值；
调整数据扩频长度K及数字调制阶数R，实现不同调制方式的切换。
优选的，所述步骤S3将调制信息添加到调制后的数据帧中完成数据组帧的方法为：数据帧采用PN序列，发送端对已经调制的数据添加循环前缀cp、信息位Info及训练序列PN进行数据组帧，所述训练序列PN为首部PN序列，用于数据同步、信道估计及多普勒补偿；所述信息位Info用于承载保护间隔长度、编码方式、扩频长度、数据段的数据映射方式以及调制方式选择的信息；所述循环前缀cp用于消除符号间干扰。
优选的，所述进行多普勒补偿的方法具体包括：
通过将接收端接收信号与截取接收信号的首部PN序列进行滑动自相关运算，或通过将接收端已知的PN训练序列与经过水声信道的信号进行滑动相关运算，计算出相关峰值，进而计算出接收信号长度
Figure GDA0002546903740000054
信号发送长度为L，多普勒频移因子为α表示为：
Figure GDA0002546903740000051
接收端利用估计出的多普勒频移因子α对接收到的数据进行重采样，恢复受多普勒频偏影响的信号发送长度L。
优选的，采用OMP正交匹配追踪方式进行信道估计，采用MMSE均衡方式进行信道均衡。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提出一种可靠性高、可以实现单载波/多载波调制技术切换的自适应多制式水声通信系统，本系统在正交信号分割复用(OSDM)调制技术的基础上，将OSDM调制方式及扩频技术相结合，设计了多种通信模式。采用该系统，可以根据不同场景下，不同的信道状态下的通信需求以及根据基于最大时延扩展及信噪比信道联合判决准则自动的选取不同的模式进行通信，改变自适应信号调制方式，实现单载波与多载波调制方式的自由切换。
(1)与传统的单制式水声通信系统相比，本发明可以根据水声信道的变化改变自适应调制信号调制方式，具有灵活性。与其他多制式水声系统相比，该系统采用的OSDM技术，可以实现单载波和OFDM调制方式的自由切换，可以将单载波多载波系统模块化的统一到一个系统中，无需多套系统的繁琐结构，实现更简单，更适合在硬件资源有限的水声节点上实现。
(2)本发明提供的自适应多制式水声通信系统，可适用于多种场景下的水声通信需求。可以根据场景下的水声信道情况进行自动的选取合适的模式进行数据传输，提升通信系统的适应性和稳健性。
附图说明
图1为本发明的半双工通信过程；
图2为本发明的自适应多制式水声通信解决方案；
图3为本发明的自适应多制式水声通信系统组成框图；
图4为本发明的基于分组IFFT的OSDM调制原理图；
图5为本发明的基于最大时延扩展与信噪比联合判决方式流程图；
图6为本发明的数据帧结构图。
具体实施方式
以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明提供了一种自适应多制式水声通信系统及方法，用以实现单载波/多载波调制技术切换。参考图1所示，本系统采用半双工工作模式，时分复用机制，假设A与B两个水声通信机进行水声通信，接收机与发射机之间互通信息，并根据信道的状态对系统参数(自适应参数)进行调整，选择合适的调制方式。
参考图2所示，图2为本发明的自适应多制式水声通信系统设计方案。在半双工通信过程中，发送端：需要发送的数据输入系统后，根据获取的信道信息，对系统自适应参数进行调整，经过信道编码、数字映射、数据扩频等信息处理，选择合适的信号调制方案对数据进行调制，并将调制方案相关信息写入数据组帧中作为同步信息完成数据组帧，形成发射信号，使发射信号的特性与信道特性相匹配，经过水声信道发送。水声信道：经过水声信道的信号受水声信道的影响产生多经、多普勒频移及干扰噪声等减损。接收端：接收端进行同步解调及多径、多普勒频移估计，根据发送端设计的数据组帧信息提取码元同步信息及调制方案相关信息，进行信号解调、数字解扩及数字解调、信道译码等信息处理，恢复出原始信号，同时获取信道信息。
具体的，参考图3所示，图3为本发明自适应多制式水声通信系统的具体组成框图，本系统将单载波与多载波调制方案统一，在一个系统中实现多信号调制方式。
自适应多制式水声通信系统包括发送设备和接收设备。发送设备包括：信道编码模块、调制方式选择模块、数字调制模块、扩频模块、OSDM调制模块、数据组帧模块、升采样模块以及上变频模块,上述模块依次连接。信道编码模块对输入的信息码元进行编码处理并输出信号至调制方式选择模块选择不同的调制方式，数字调制模块根据选择的不同的调制方式对信号进行数字调制并将信号传输至扩频调制模块进行扩频调制，OSDM调制模块将扩频调制模块输出的调制信号进行OSDM调制并将调制信息传输至数据组帧模块进行数据组帧；对重新组帧后的数据帧进行升采样模块的升采样处理与上变频模块的滤波及上变频混频处理，形成发射信号传输至水声信道。
接收设备包括：同步模块、多普勒补偿模块、下变频模块、降采样模块、信道均衡模块、调制方式判断模块、OSDM解调模块、解扩频模块、数字解调模块以及信道译码模块，各模块依次连接；同步模块将接收的水声信道传输的发射信号进行数据同步处理，多普勒补偿模块对通带内有效信号进行多普勒估计与补偿并将补偿后的信号传输至下变频处理模块进行下变频处理，降采样处理模块将下变频后的信号进行降采样处理确认数有效据块位置，并传输至信道均衡模块。信道均衡模块根据识别的有效数据进行信道估计与信道均衡处理，调制方式判断模块根据信道均衡模块输出的数据判断数据数字调制方式，OSDM解调模块根据调制方式判断模块识别的调制方式将数据进行OSDM解调，解扩频模块将OSDM解调后的数据进行相应的解扩处理并传输至数字解调模块进行数字解调，信道译码模块将数字解调后的信号进行解码，恢复出原信道输入数据。
下面将从原理对OSDM调制方式进行分析：
采用walsh正交扩频码，首先将待调制数据X进行分组处理，将1×MN维的待处理数据进行分组，变为N组1×M维向量，如下所示：
X0＝(x00,x01,...,x0(M-1))
X1＝(x10,x11,...,x1(M-1))
XN-1＝(x(N-1)0,x(N-1)1,...,x(N-1)(M-1))
已知离散傅立叶逆变化公式为
Figure GDA0002546903740000081
利用IDFT矩阵
Figure GDA0002546903740000091
其中
Figure GDA0002546903740000092
数学表达上我们采用克罗内克积来表达。利用克罗内克积，
Figure GDA0002546903740000093
得到Sk为
Figure GDA0002546903740000094
Figure GDA0002546903740000095
Figure GDA0002546903740000096
Figure GDA0002546903740000097
Sk之间具有正交性，然后通过对Sk求和，即可得到∑Sk，此为基带OSDM信号。这种方式采用了良好的数学表达形式从原理上对OSDM调制进行了分析和实现。
实际中可以采用多次IFFT以及对数据进行串并变化来进行处理，可以较为简洁的实现OSDM调制。
首先将数据存储成矩阵形式，每行存储的数据长度为向量长度，参考图4所示；
对数据进行分组，通过分组IFFT方式对数据进行调制，对数据按列进行IFFT调制，再将调制后的数据按行读出，从而实现信号的OSDM调制。
由此可知，通过对数据分组的尺寸的调整，可以实现单载波和多载波调制的实现。采用OSDM对信号进行调制，通过改变向量长度可以实现单载波和OFDM调制方式的自由切换，当向量长度为1时，OSDM系统等效为OFDM系统；当向量长度为M时候，系统等效为单载波系统。在水声节点处使用OSDM调制方式进行多制式系统的调制,可以将节省硬件资源。
基于上述OSDM调制原理，本发明提供了一种自适应多制式水声通信方法，采用上述的自适应多制式水声通信系统，包括：
(1)根据扩频及OSDM调制技术，生成不同的调制方式；
具体的，本实施例将OSDM调制技术结合扩频技术，通过改变向量长度和扩频长度，实现了SC-FDE(单载波频域均衡)、OFDM(正交频分复用)、MC-CDMA(多载波码分多址)、DSSS(直接序列扩频)、OSDM调制等多种调制方式，并根据不同参数设计了9种调制方式对信号进行调制，如下表所示：
Mode Mapping Modulation Scheme
Mode 1 BPSK DSSS
Mode 2 QPSK DSSS
Mode 3 BPSK SC-FDE
Mode 4 QPSK SC-FDE
Mode 5 BPSK MC-CDMA
Mode 6 QPSK MC-CDMA
Mode 7 QPSK OSDM
Mode 8 QPSK OFDM
Mode 9 16QAM OFDM
可以根据不同场景下，不同的信道状态下的通信需求，自动选取不同的通信模式进行通信。
(2)根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，调整自适应参数，判断信道状态，实现不同调制方式的切换，对数据进行调制。
具体的，系统通过导频，对水声信道进行感知计算，获得水声信道的最大时延扩展。OSDM系统向量长度选取原则为，向量长度略微大于水声信道的最大时延扩展，可以保证系统误码率和复杂度的平衡。选取合适的向量长度之后，通过计算接收信噪比，进行信道状态的判定，通过事先设计好的信噪比门限值(根据误码率设计)，对系统的数据扩频长度K和数字调制阶数R进行设定，从而完成来进行基于最大时延扩展和信噪比联合判决方式模式切换。
参考图5所示，图5为基于最大时延扩展与信噪比联合判决流程图，基于最大时延扩展和信噪比联合判决方式，系统的参数(自适应参数)调整需要根据水声信道的最大时延扩展和接收机的接收信噪比进行及时的调整，我们可以将这个过程定义为
Figure GDA0002546903740000111
其中，M表示OSDM系统的向量长度，K表示数据扩频长度，R表示数字调制阶数，D表示水声信道的最大时延扩展，
Figure GDA0002546903740000112
表示接收信噪比，P为系统参数调整，F为联合判决函数。
其具体步骤包括：
计算水声信道的最大时延扩展D，调整待调制数据的向量长度M；
根据给定需求的最低误码率门限值，设置调制方式切换的信噪比门限值；
计算接收信噪比
Figure GDA0002546903740000113
判断接收信噪比
Figure GDA0002546903740000114
是否超过预设的信噪比门限值；
调整数据扩频长度K及数字调制阶数R，实现不同调制方式切换。
本发明中接收信噪比估计方式如下：
采用基于导频的高阶统计量的二-四阶矩信噪比估计方式：
导频的二阶矩：
Figure GDA0002546903740000115
导频的四阶矩：
Figure GDA0002546903740000116
在通信系统中，矩估计可以用信号的时间平均来表示，二-四阶矩估计值可以表示为
Figure GDA0002546903740000117
信噪比估计值为
Figure GDA0002546903740000121
本发明中可以通过调整系统参数(自适应参数M、K、R)，实现9种调制方式的切换。
(3)将调制信息添加到调制后的数据帧中完成数据组帧，对重组后的数据帧进行升采样、带通滤波及上变频处理，形成发射信号经过水声信道发送。
参考图6所示，本发明设计了专用的数据帧格式，数据帧采用PN序列，发送端对已经调制的数据添加循环前缀cp、信息位Info及训练序列PN进行数据组帧，训练序列PN为首部PN序列，用于数据同步、信道估计及多普勒补偿；信息位Info用于承载保护间隔长度、编码方式、数据段的数据映射方式、扩频长度以及调制方式选择的信息；循环前缀cp用于消除符号间干扰。。
(4)在接收端进行数据同步，对同步的数据进行多普勒估计与补偿，以及进行下变频及降采样处理，确定有效数据帧的位置信息；对有效数据帧进行解析，获取该帧数据的调制信息。
具体的，根据首部PN序列获取数据同步信息：将本地存储的PN序列与接收的信息进行相关估计，当相关峰值到达门限值后，认为接收到有效信号。
采用滑动相关法计算多普勒因子：将接收端接收信号与截取接收信号的首部PN序列进行滑动自相关运算；或将接收端已知的PN训练序列与经过水声信道的信号进行滑动相关运算，可以得到明显的相关峰值。通过三段相关峰值的相对位置，计算出接收信号长度
Figure GDA0002546903740000123
由多普勒计算公式
Figure GDA0002546903740000122
若信号发送长度为L，多普勒频移因子为α，可知
Figure GDA0002546903740000131
可以推到出多普勒频移因子α为：
Figure GDA0002546903740000132
接收端利用估计出的多普勒频移因子α对接收到的数据进行重采样，这样就可以恢复受多普勒频偏影响的信号长度，补偿了数据帧受多普勒影响而引起的数据压缩或者扩展。
信息段Info用于承载保护间隔长度、编码方式和扩频长度，以及数据字段的数据映射方式和调制方式选择的信息。每个信息各用4bit表示，可以为以后的模式扩展留出空间。信息段Info采用16位扩频，保证该字段的数据帧调制信息准确的传输。
(5)信道估计与信道均衡，根据解析出的调制信息判断相应的调制方式，并进行相应解调。
a:信道估计：水声信道是时域稀疏信道，对于信号发送长度为L的K稀疏信号h，在进行信道估计时可以利用正交匹配追踪(OMP)对信道进行估计。
将PN序列可以看做块状导频，PN序列的伪随机性，可使正交匹配追踪所需要的构成的观测矩阵稀疏性更好；添加循环前缀的数据段将线性卷积变为循环卷积，信号的卷积使用toeplitz矩阵乘积表示
Figure GDA0002546903740000133
忽略噪声影响，可以将上式表示为
y＝p·h
y表示接收信号，P表示由PN序列为列向量构成的Toeplitz矩阵，看作测量矩阵，h表示水声信道。
OMP核心算法步骤如下：
输入：观测矩阵Φ＝p，采样向量y，稀疏度K；
输出：θ的K稀疏逼近θt；
初始化：rk＝y，标签集
Figure GDA0002546903740000143
观测矩阵Φ＝p，t＝1；
循环执行：
for i＝1:K
①求出矩阵Φ中与残差向量r最强相关的列
Figure GDA0002546903740000141
②更新索引集Λt＝Λt-1∪{λt}，重建原子集合
Figure GDA0002546903740000142
③由最小二乘法得到θk＝arg min||y-Φiθi||2；
④更新残差rt＝y-Φtθt,t＝t+1；
⑤判断t是否大于K，若大于K则结束；
End
本发明也可以根据需要选择采用SAMP、StOMP等方法对信道进行估计。
b:信道均衡
上述估计出来的信道估计对数据进行信道均衡，本实施例中采用MMSE(最小均方误差)算法进行信道均衡，具体均衡方式不再详述；还可以根据具体设计选择MLSE(最大似然序列估计)、DFE(判决反馈均衡)等方法，改善码间串扰。
因此，本发明自适应多制式水声通信系统在通信过程中：
发送端：需要发送的数据输入系统后，信道编码后，对已经编码的数据再进行数字调制，通过联合判决方式对信道状态的判断，经过扩频技术和OSDM调制技术的联合调制，产生不同的调制方式。再对已经经过调制的信号，添加循环前缀，Info位和PN序列完成数据组帧。然后对数据帧进行升采样处理，使信号波形平滑，再经过带通滤波器和上变频处理，形成发射信号，经过水声信道发送。
接收端：先进行数据同步，对数据进行多普勒估计，并且进行多普勒补偿，然后再对数据进行下变频，经过细同步，确认数有效据块位置，通过对数据帧中的信息位中的信号相应的调制信息进行解调，获取该帧数据的数字调制方式，编码方式，以及信号调制方案，然后去除PN序列和循环前缀，利用PN序列进行OMP信道估计，估计出来的信道估计对数据进行MMSE信道均衡，最后通过信息位解析出的方式对数据进行相应的信号解调，解扩，数字解调，信道译码等一系列方式来恢复出原始数据。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种自适应多制式水声通信系统，包括发送设备与接收设备，其特征在于，所述发送设备包括：信道编码模块、调制方式选择模块、数字调制模块、扩频调制模块、OSDM调制模块、数据组帧模块，各模块依次连接；所述信道编码模块对输入的信息码元进行编码处理并输出信号至调制方式选择模块；所述调制方式选择模块根据扩频及OSDM调制技术，生成不同的调制方式进行选择，并根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，判断信道状态,调整自适应参数，实现不同调制方式的切换；所述数字调制模块在选择的调制方式下对信号进行数字调制并将信号传输至扩频调制模块进行扩频调制，所述OSDM调制模块将扩频调制模块输出的调制信号进行OSDM调制并将调制信息传输至数据组帧模块进行数据组帧；
所述接收设备包括：同步模块、信道均衡模块、调制方式判断模块、OSDM解调模块、解扩频模块、数字解调模块以及信道译码模块，各模块依次连接；同步模块将接收的水声信道传输的发射信号进行数据同步处理，识别出有效数据，信道均衡模块根据识别的有效数据进行信道估计与信道均衡处理，调制方式判断模块根据信道均衡模块输出的数据判断数据数字调制方式，所述OSDM解调模块根据调制方式判断模块识别的调制方式将数据进行相应的OSDM解调，解扩频模块将OSDM解调后的数据进行相应的解扩处理并传输至数字解调模块进行数字解调，信道译码模块将数字解调后的信号进行解码，恢复出原信道输入数据。
2.根据权利要求1所述的自适应多制式水声通信系统，其特征在于，所述发送设备进一步包括升采样模块以及上变频模块，所述升采样模块与数据组帧模块连接，对组帧后的数据帧进行升采样处理；所述上变频模块与升采样模块连接，将升采样处理后的信号进行滤波及上变频混频处理，形成发射信号传输至水声信道。
3.根据权利要求2所述的自适应多制式水声通信系统，其特征在于，所述接收设备进一步包括多普勒补偿模块、下变频模块、降采样模块，所述多普勒补偿模块与同步模块连接，所述下变频模块与多普勒补偿模块及降采样模块连接，所述降采样模块与信道均衡模块连接；多普勒补偿模块对通带内有效信号进行多普勒估计与补偿并将补偿后的信号传输至下变频模块进行下变频处理，所述降采样模块将下变频后的信号进行降采样处理并传输至信道均衡模块。
4.一种自适应多制式水声通信方法，采用权利要求1-3任一项所述的自适应多制式水声通信系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据扩频及OSDM调制技术，生成不同的调制方式；
S2：根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，判断信道状态,调整自适应参数，实现不同调制方式的切换，对数据进行调制；
S3：将调制信息添加到调制后的数据帧中完成数据组帧；
S4：在接收端进行数据同步处理，解析该帧数据的调制信息；
S5：进行信道估计与信道均衡，根据解析出的调制信息判断相应的调制方式，并进行相应解调。
5.根据权利要求4所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，对步骤S3中完成数据组帧后的数据帧进行升采样、带通滤波及上变频处理，形成发射信号经过水声信道发送；
所述步骤S4中在接收端进行数据同步处理，解析该帧数据的调制信息的方法为：通过在接收端对同步的数据进行多普勒估计与补偿，以及进行下变频及降采样处理，确定有效数据帧的位置信息；对有效数据帧进行解析，获取该帧数据的调制信息。
6.根据权利要求4所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，所述步骤S2中根据信道的最大时延扩展与接收机的接收信噪比信息，调整自适应参数的方法为：
根据
Figure FDA0002546903730000031
调整系统自适应参数M、K、R；
其中，M表示OSDM系统的待调制数据的向量长度，K表示数据扩频长度，R表示数字调制阶数，D表示水声信道的最大时延扩展，
Figure FDA0002546903730000032
表示接收信噪比，P为自适应参数调整输出函数，F为联合判决函数。
7.根据权利要求6所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，所述自适应参数调整的具体方法包括：
计算水声信道的最大时延扩展D，调整待调制数据的向量长度M；
根据给定需求的最低误码率门限值，设置调制方式切换的信噪比门限值；
计算接收信噪比
Figure FDA0002546903730000033
判断接收信噪比
Figure FDA0002546903730000034
是否超过预设的信噪比门限值；
调整数据扩频长度K及数字调制阶数R，实现不同调制方式的切换。
8.根据权利要求5所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，所述步骤S3将调制信息添加到调制后的数据帧中完成数据组帧的方法为：数据帧采用PN序列，发送端对已经调制的数据添加循环前缀cp、信息位Info及训练序列PN进行数据组帧，所述训练序列PN为首部PN序列，用于数据同步、信道估计及多普勒补偿；所述信息位Info用于承载保护间隔长度、编码方式、扩频长度、数据段的数据映射方式以及调制方式选择的信息；所述循环前缀cp用于消除符号间干扰。
9.根据权利要求8所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，所述进行多普勒补偿的方法具体包括：
通过将接收端接收信号与截取接收信号的首部PN序列进行滑动自相关运算，或通过将接收端已知的PN训练序列与经过水声信道的信号进行滑动相关运算，计算出相关峰值，进而计算出接收信号长度
Figure FDA0002546903730000041
信号发送长度为L，多普勒频移因子为α表示为：
Figure FDA0002546903730000042
接收端利用估计出的多普勒频移因子α对接收到的数据进行重采样，恢复受多普勒频偏影响的信号发送长度L。
10.根据权利要求4所述的自适应多制式水声通信方法，其特征在于，采用OMP正交匹配追踪方式进行信道估计，采用MMSE均衡方式进行信道均衡。
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