CN112866157B - 一种基于ook调制解调的通信装置及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OOK调制解调的通信装置及其通信方法，包括发射装置和接收装置，发射装置设置数字信号调制单元，接收装置设有数字信号解调单元和信噪比监测模块；数字信号调制单元设有机动时隙模块，通过机动时隙模块依据码元机动插入时隙，既能避免码间串扰问题，又能保障通信速率纯净度；数字信号解调单元在解调模块前设置预处理模块；预处理模块对信号进行滑窗累加和分频处理，选择最佳分频进行解调，并且信噪比监测模块实时监测信号的信噪比特性，可以自动调节解调参数，高效可靠的完成各类信号的解调，可以有效识别淹没在噪声中的微弱信号；同时实现简单、无复杂运算、实时性强、安全可靠，鲁棒性高、环境适应性强、具有自修复性。

Description

一种基于OOK调制解调的通信装置及其通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于OOK调制解调的通信装置及其通信方法。

背景技术

在通信领域中，调制技术和解调技术最为关键，直接影响到通信系统的可靠性和高效性，OOK（On-Off Keying），即开关键控，是一种二进制振幅键控技术，该技术作为一种较早的调制方式，由于其编码简单、实现成本低、频谱效率高而被广泛应用于水下可见光通信、自由空间光通信、超宽带移动通信、光纤通信等领域。

OOK信号具有实现简单的明显优势，但容易受到外界干扰和突发因素，会使得信号发生失真或变形等不确定因素，并且随着通信速率的提高，这种影响对信号的传输产生的影响越来越明显，基于脉冲幅度变化提取信息的OOK解调技术还面临阈值标准选取的难题。

图1所示为现有高速OOK调制信号经过水下信道传输后，接收端实际接收到的待解调信号，调制信号在解调时面临的问题主要有：1、信号的整体信噪比特性差，信号幅值起伏波动，容易造成信号误判；2、高强度的单光子干扰远远大于信号，易被认为有效信号，造成错误解调；3、信号起始位置附近有高强环境干扰，容易被误认为信号，影响信号起始位置的判别；4、容易产生波形失真和码间串扰现象，影响解调的准确性。

图2所示为信噪比大幅波动示意图，现象为信号幅度起伏大，噪底起伏大，噪底甚至高于部分信号，导致难以寻找信号与噪声的统一界限，常发生在环境噪声大的情况下或者是硬件设备突然改变状态时的过渡期，这种信噪比大幅波动的现象在高速通信时不可避免，但又对传统的解调方法造成很大的困难，甚至导致大量数据因未能有效解调而丢失

现有技术中，有提及基于最大似然比算法的时钟同步方法、基于锁相环的时钟同步方法，存在实现复杂的缺点，计算方式复杂，还有提及添加纠错码来改善解调后的误码情况，但纠错码只适用于纠错少量字节数的误码，不能从根本上解决调制解调方法缺陷而造成的误码。

发明内容

技术目的：针对现有通信调制和解调过程易受外界因素干扰，容易造成码间串扰等问题的不足，本发明公开了一种能够实时监测待解调信号信噪比特性、自适应调节解调参数，能抵抗外部干扰和码间串扰等一系列问题，并且实现简单、运算简便，鲁棒性高的基于OOK调制解调的通信装置及其通信方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于OOK调制解调的通信装置，包括用于对信息处理并发射的发射装置和用于接收信号并转换成信息的接收装置，发射装置包括用于传送待调制信号的信息发送单元；

用于对待调制信号进行调制的数字信号调制单元；

用于将数字信号调制单元的数字信号转为模拟信号的数模转换单元；

用于将模拟信号发射出去的发射单元；

接收装置接收发射单元发出的模拟信号并转换成信息。

优选地，所述数字信号调制单元包括顺序连接的用于对待调制信号加入监督元的编码模块；

用于对编码模块输出的信号进行调制的调制模块；

用于对调制后信号的码元插入保护时隙的机动时隙模块；

所述数字信号调制单元还设置用于在数字信号中插入同步码元的前导码模块，前导码模块位于编码模块和调制模块之间或者位于调制模块和机动时隙模块之间。

优选地，所述接收装置包括用于接收待解调信号的接收单元；

用于对模拟信号进行放大并调节模拟信号幅值的整形单元；

用于将模拟信号转换为数字信号的模数转换单元；

用于对数字信号进行解调的数字信号解调单元；

用于接收解调后的信息并进行显示或者格式转换的信息接收单元。

优选地，所述数字信号解调单元包括并行的解调通道和监测通道，解调通道包括用于对数字信号进行分频处理的预处理模块；

用于对分频后的信号进行解调的解调模块；

用于对解调后的信号进行去时隙操作的去保护时隙模块；

用于对去时隙后的信号进行解码的解码模块；

监测通道设有用于监测噪声均值和计算自适应阈值的信噪比监测模块，信噪比监测模块分别与预处理模块和解调模块电连接。

一种基于上述基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，包括步骤：

S01、首先信息发送单元发送信号至数字信号调制单元；

S02、然后数字信号调制单元对信号进行调制；

S03、再由数模转换单元将信号转为模拟信号，经过发射单元发射出去；

S04、接着接收单元接收发射单元发出的模拟信号，通过整形单元对模拟信号进行整理后，由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S05、然后通过数字信号解调单元进行解调；

S06、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息。

优选地，所述步骤S02中的调制过程包括步骤：

S021、首先编码模块对待发送的信息添加纠错码；

S022、然后调制模块对信号进行OOK调制；

S023、最后通过机动时隙模块对信号的码元后机动插入保护时隙，将插入保护时隙后的数字信号发送至数模转换单元。

优选地，在步骤S022中，在对信号进行调制前或者调制后通过前导码模块插入同步码元；在步骤S023中，机动时隙模块依据码元选择插入或者不插入保护时隙，当码元为1时，在码元后插入保护时隙，当码元为0则不插入保护时隙。

优选地，所述步骤S05中，对信号进行解调过程包括步骤：

S051、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S052、然后通过解调模块对分频后的信号进行解调；

S053、再通过去保护时隙模块对解调后的信号进行去保护时隙操作，最后通过解码模块进行解码，将解码后的信号发送至信息接收单元。

优选地，所述步骤S051中，预处理模块对数字信号进行分频处理的过程包括步骤：

S0511、首先对数字信号进行N点滑窗累加 ，N表示码元宽度与数模转换模块采样率的乘积；

S0512、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据；

S0513、对N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值作为帧头典型值；

S0514、对N路的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选择帧头匹配数最大的一路数据作为最优分频，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为最优分频。

优选地，在步骤S0513中，预处理模块依据信噪比监测模块计算的自适应阈值进行帧头匹配 ，将帧头的幅值与自适应阈值比较，帧头的幅值大于自适应阈值，则计数加1，帧头的幅值小于自适应阈值，则计数不变，最后累计叠加的数值即为帧头匹配数；将帧头匹配数与帧头目标数进行比较，帧头目标数小于或等于调制时预设的帧头数，如果帧头匹配数大于或等于帧头目标数，表示帧头匹配成功，进入步骤S0514进行处理；如果帧头匹配数小于帧头目标数，表示该路是噪声或信噪比特性较差，需将帧头匹配数置0，重新进行帧头匹配 。

优选地，所述自适应阈值采用预测法获得，设定的初始阈值大于信噪比监测模块监测到的噪声均值，后续每一段信号的自适应阈值依据前一段信号的信噪比特性推算的阈值选取。

有益效果：本发明所提供的一种基于OOK调制解调的通信装置及其通信方法具有如下有益效果：

1、本发明的数字信号调制单元采用机动插入保护时隙机制，数字信号解调单元采用机动去保护时隙机制，方法简单，易于实现，既能避免码间串扰问题，又能保障通信速率纯净度，保护时隙长度依据需求自由调整，较现有插入固定保护时隙的方法，能减少约50%的保护时隙插入量。

2、本发明的涉及的待解调信号的预处理方法，通过滑窗累加的方式，可以提高信噪比，削弱高强度干扰，同时可以优化失真波形，降低解调不利因素。

3、本发明对滑窗累加后的数据进行N分频抽样，多路并行数据同时进行时钟同步，较现有单路顺序执行时钟同步的方法，可以简化时钟同步流程，缩短时钟同步时间；同时每一路的时钟同步流程一致，可最大程度发挥FPGA的优势。

4、本发明通过多路并行数据进行时钟同步，并选取N路数据中最优的一路数据，实质是位同步和帧同步同时完成，具有同步速率快、实时性高的特点；该设计方法分析了所有分频，较现有只分析主要部分的解调方法相比，可有效抵抗波形失真、波形展宽等问题，鲁棒性高，选优方法简单，不包含小数运算和复杂算法。

5、本发明涉及的信噪比监测和自适应阈值预测方法，较现有采样固定判别条件的技术，能自动标定初始阈值，并随信号特性和外界环境变化，自动预测调整阈值，并具有恶劣情况下重新标定阈值的自修复性；较现有动态调整阈值的技术，具有实现简单、预测精准的优点，不涉及小数、除法等复杂运算。

6、本发明在帧头匹配的过程中，帧头目标数可与预设帧头数一致，也可以略小于预设帧头数，可提高帧头匹配环节的容错率，提高解调成功概率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。

图1为现有高速OOK通信待解调信号示意图；

图2为信噪比大幅波动示意图；

图3为本发明发射装置结构示意图；

图4为本发明接收装置结构示意图；

图5为本发明通信方法流程图；

图6为本发明调制方法流程图；

图7为本发明解调方法流程图；

图8为本发明预处理模块工作流程图；

图9为本发明插入保护时隙后信号示意图；

图10为本发明对图9中信号预处理后的示意图。

具体实施方式

下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图3、图4为本发明所提供的一种基于OOK调制解调的通信装置，包括用于对信息处理并发射的发射装置和用于接收信号并转换成信息的接收装置；如图3所示，发射装置包括用于传送待调制信号的信息发送单元；

用于对待调制信号进行调制的数字信号调制单元；

用于将数字信号调制单元的数字信号转为模拟信号的数模转换单元；

用于将模拟信号发射出去的发射单元；

接收装置接收发射单元发出的模拟信号并转换成信息。

数字信号调制单元包括顺序连接的编码模块、调制模块和机动时隙模块；编码模块用于对待调制信号加入监督元，组成抗干扰编码，增强待调制信号的抗干扰能力；

调制模块用于对编码模块输出的信号进行调制；

机动时隙模块用于对码元插入保护时隙；

数模转换单元用于将机动时隙模块传出的数字信号转为模拟信号；无线光通信领域，数模转换单元可以为光源驱动器。

发射单元将模拟信号传递至接收装置；无线光通信领域中，发射单元可以为LD或LED光源。

在编码模块和调制模块之间或者调制模块和机动时隙模块之间设置前导码模块，通过前导码模块在数字信号的前端插入一段自相关特性良好的同步码元，如巴克码，用于接收端进行时钟同步。

如图4所示，所述接收装置包括顺序连接的接收单元、整形单元、模数转换单元、数字信号解调单元和信息接收单元；

接收单元用于接收待解调信号；在无线光通信领域，接收单元可以采用光电探测器；

整形单元用于对信号进行放大并调节信号的幅值；可以采用放大电路对信号进行放大，并通过自动增益控制电路改善接收信号幅值波动大的问题，便于后续的信号处理；

模数转换单元用于将模拟信号转换为数字信号；可以采用数模转换芯片来实现。

数字信号解调单元用于对数字信号进行解调并发送至信息接收单元；采用FPGA进行解调工作。

信息接收单元用于接收解调后的信息，进行显示或者格式转换；采用带显示的上位机，收集数字信号处理单元解调后的有效信息，可做接收信息收集、显示、格式转换。

所述数字信号解调单元包括并行的解调通道和监测通道，解调通道包括顺序连接的预处理模块、解调模块、去保护时隙模块和解码模块；

预处理模块用于对对数字信号进行分频处理；

解调模块用于对分频后的信号进行解调；

去保护时隙模块用于对解调后的信号进行去时隙操作；

解码模块用于对去时隙后的信号进行解码；

监测通道设有信噪比监测模块，信噪比监测模块用于监测噪声均值和计算自适应阈值，信噪比监测模块分别与预处理模块和解调模块电连接。

数字信号调制单元和数字信号解调单元均可采用FPGA和外围电路进行设计，进行高速的串并转换。

上述的一种基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，如图5所示，包括步骤：

S01、首先信息发送单元发送信号至数字信号调制单元；

S02、然后数字信号调制单元对信号进行调制；

S03、再由数模转换单元将信号转为模拟信号，经过发射单元发射出去；

S04、接着接收单元接收发射单元发出的模拟信号，通过整形单元对模拟信号进行整理后，由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S05、然后通过数字信号解调单元进行解调；

S06、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息。

如图6所示，所述步骤S02中的调制过程包括步骤：

S021、首先通过信息发送单元发送待调制信息，编码模块对待发送的信息添加纠错码，编码方式可以采用RS编码或者LDPC编码；

S022、然后调制模块对信号进行OOK调制，并将并行数据流转为串行数据流，满足远距离传输的需求；在调制前或者调制后，可以通过前导码模块在信号前端插入自相关特性良好的同步码元；同步码元可以采用巴克码，用于接收装置解码时进行时钟同步；

S023、最后通过机动时隙模块插入保护时隙，完成信号调制；插入保护时隙采用机动插入形式，动态判断码元，当码元为1时，在码元后插入保护时隙，当码元为0时，无需插入保护时隙，保护时隙的长度按照需求自由调整，可以是1个码元宽度，也可以小于或大于1个码元宽度，保护时隙长度越长，发生码间串扰的概率越小，通信速率纯净度越差，选取适当的保护时隙长度，可以减少码间串扰，同时保证通信速率纯净度在合适范围。

如图7所示，所述步骤S05中，对信号进行解调过程包括步骤：

S051、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S052、然后通过解调模块对分频后的信号进行解调；

S053、再通过去保护时隙模块对解调后的信号进行去保护时隙操作，接着将串行数据流转为并行数据流，最后通过解码模块进行解码，将解码后的信号发送至信息接收单元。

如图8所示，在所述步骤S051中，预处理模块对数字信号的分频处理过程包括步骤：

S0511、首先对数字信号进行N点滑窗累加，N表示码元宽度与数模转换模块采样率的乘积；如果N≥5，可以调节数模转换模块采样率来减小N值，便于后续处理；

S0512、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据；

S0513、对N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，帧头典型值选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值；

S0514、对N路的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选取帧头匹配数最大的一路数据作为最优分频进行后续解调，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为最优分频进行后续解调。

在步骤S0511中，N点滑窗累加指开设一个长度固定为N、滑动步进为1的采样点窗口，对位于窗口内的N个采样点进行累加，比如采样点窗口的窗长N为3，然后待滑窗的数字信号是a,b,c,d,e,f，则滑窗累加结果是ωa+ωb+ωc，ωb+ωc+ωd，ωc+ωd+ωe，ωd+ωe+ωf，这里的ω是滑窗累加时各变量的权重，在滑窗累加时，各变量的权重可以采用不同的数值，也可以都是1。

在步骤S0513中，帧头匹配依据信噪比监测模块计算的自适应阈值进行匹配，将帧头的幅值与自适应阈值比较，帧头的幅值大于自适应阈值，则判断当前帧头为1，帧头的幅值小于自适应阈值，则判断当前帧头为0，得到帧头序列，将帧头序列与调制时预设的帧头序列进行比较，两者一致的计数加1，不一致则计数不变，最后得到的计数总和为帧头匹配数；将帧头匹配数与帧头目标数进行比较，帧头目标数的设定可以小于或等于调制时预设的帧头数，如果帧头匹配数大于或等于帧头目标数，表示帧头匹配成功，进入步骤S0514进行处理；如果帧头匹配数小于帧头目标数，表示该路是噪声或信噪比特性较差，需将帧头匹配数置0，重新调整自适应阈值后，再次进行帧头匹配。

自适应阈值是信号解调时所需的用以区别噪声与信号的分界线，初始时候的自适应阈值依据信噪比监测模块所监测到的噪声均值进行设定，可以选择设定为噪声均值的1.1倍，下一段信号的自适应阈值则依据其上一段信号的信噪比特性进行推算，自适应阈值在噪声均值和上一段信号每一帧的信号最大值之间选取，自适应阈值更新区间可以依据信号特性灵活变更，更新区间越小，阈值的有效性越强，与信号的波动性越一致，解调方法的可靠性越强。

在步骤S052中，数字信号预处理和解调完成，进行解码时，先去保护时隙得到解调序列；具体方法为将信号幅值与自适应阈值比较，信号幅值大于自适应阈值，解调码元为1，并去掉该码元后方的保护时隙，去保护时隙的长度依据调制过程添加的长度去除，信号幅值小于自适应阈值则解调为0，然后对信号进行纠错码解码。

以调制速率为25Mbps的OOK信号为例，码元宽度为40ns，码元1后插入保护时隙长度40ns，调制信息前添加11bit巴克码序列做帧头，OOK信号每21bit为一帧，帧间隔为80ns。

接收装置的模数转换单元的采样率为125Mbps；待传送码元为100111010011001001011；若不加保护时隙，经过复杂信道传输，接收装置采样到的第i帧待解调信号如图1所示；插入保护时隙后的码元为10001010100100010100010001001010，经过复杂信道传输，接收装置采样到的第i段待解调信号如图9所示，i表示传输信号的段数，可见码间串扰问题已不存在。

对图9所示信号进行滑窗累加，N为码元宽度40ns和125Mbps的乘积，N=5；累加权重为1，如图10所示，可见，经过预处理后，达到效果有：（1）整体提高了待解调信号的信噪比特性。（2）单光子干扰由于幅度高、脉冲窄的特点，经过预处理后，可以被大幅削弱（序号031处所示）。（3）信号起始位置附近的高强环境干扰（序号011）与初始信号间的信噪比得到优化。（4）预处理可以很好的改善失真波形（序号041），进而减少时钟同步误差。

信噪比监测模块得到噪声均值为6600，则初始的自适应阈值设置为噪声均值的1.1倍，即7260，假设第i段的信号最大值均值为7400，则第i+1段信号的自适应阈值选取为噪声均值与第i段的信号最大值均值之和的一半，即7000。

将第i段预处理信号进行5分频抽样，形成5路并行数据。5路分频信号幅值分别与阈值7260做比较，并进行帧头匹配。假定第1分频帧头匹配数为8，帧头最大值为7000，第2分频帧头匹配数为10，帧头最大值为7200，第3分频帧头匹配数为10，帧头最大值为7180，选取各分频的帧头最大值作为帧头典型值，由于第2分频和低3分频的帧头匹配数相同均为10，但是第2分频的帧头典型值大于第三分频的帧头典型值，所以选取第2分频为最佳待解调分频。

对第2分频采样点信号幅值与自适应阈值7260进行比较，大于7260则解调码元为1，小于阈值则解调码元为0，得解调结果为10001111110100011100010001001110，去掉码元1后的保护时隙，则OOK解调结果为100111010011001001011。可见虽去保护时隙前的解调结果与发射端有出入，但去了保护时隙后的解调结果与待传送码元一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，其特征在于：包括步骤：

S01、首先信息发送单元发送信号至数字信号调制单元；

S02、然后数字信号调制单元对信号进行调制；

S03、再由数模转换单元将信号转为模拟信号，经过发射单元发射出去；

S04、接着接收单元接收发射单元发出的模拟信号，通过整形单元对模拟信号进行整理后，由模数转换单元将整理后的模拟信号转为数字信号；

S05、然后通过数字信号解调单元进行解调；

S06、最后信息接收单元接收解调后的信号并转换为信息；

所述步骤S05中，对信号进行解调过程包括步骤：

S051、首先通过预处理模块对模数转换单元转换后的数字信号进行分频处理；

S052、然后通过解调模块对分频后的信号进行解调；

S053、再通过去保护时隙模块对解调后的信号进行去保护时隙操作，将最后通过解码模块进行解码，将解码后的信号发送至信息接收单元；

所述步骤S051中，预处理模块对数字信号进行分频处理的过程包括步骤：

S0511、首先对数字信号进行N点滑窗累加，N表示码元宽度与数模转换模块采样率的乘积；

S0512、将滑窗累加后的数据进行N分频抽样，形成N路并行数据；

S0513、对N路数据分别进行帧头匹配，得到帧头匹配数和帧头典型值，选取N路数据中固定帧头的幅值或者每路数据中所有帧头的最大值作为帧头典型值；

S0514、依据N路数据的帧头匹配数和帧头典型值进行最优分频选取，完成时钟同步；选择帧头匹配数最大的一路数据作为最优分频，当帧头匹配数相同时，选择帧头典型值最大的一路数据作为最优分频。

2.根据权利要求1所述的一种基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，其特征在于：所述步骤S02中的调制过程包括步骤：

S021、首先编码模块对待发送的信息添加纠错码；

S022、然后调制模块对信号进行OOK调制；

S023、最后通过机动时隙模块对信号的码元后机动插入保护时隙，将插入保护时隙后的数字信号发送至数模转换单元。

3.根据权利要求2所述的一种基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，其特征在于：在步骤S022中，在对信号进行调制前或者调制后通过前导码模块插入同步码元；在步骤S023中，机动时隙模块依据码元判断插入或者不插入保护时隙，当码元为1时，在码元后插入保护时隙，当码元为0则不插入保护时隙。

4.根据权利要求1所述的一种基于OOK调制解调的通信装置的通信方法，其特征在于：在步骤S0513中，预处理模块依据信噪比监测模块计算的自适应阈值进行帧头匹配，将帧头的幅值与自适应阈值比较，帧头的幅值大于自适应阈值，则判断当前帧头为1，帧头的幅值小于自适应阈值，则判断当前帧头为0，得到帧头序列，将帧头序列与调制时预设的帧头序列进行比较，一致的计数加1，不一致则计数不变，最后得到的计数为帧头匹配数；将帧头匹配数与帧头目标数进行比较，帧头目标数小于或等于调制时预设的帧头数，如果帧头匹配数大于或等于帧头目标数，表示帧头匹配成功，进入步骤S0514进行处理；如果帧头匹配数小于帧头目标数，表示该路是噪声或信噪比特性较差，需将帧头匹配数置0，重新调整自适应阈值后，再次进行帧头匹配。

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