CN113067646A - 一种单载波通信的全双工水声通信机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单载波通信的全双工水声通信机，包括第一水听器、第二水听器、发射换能器、水声通信控制系统，水声通信控制系统接收第一水听器和第二水听器传输的信号并处理信号，水声通信控制系统控制发射换能器发射信号，第一水听器和第二水听器接收的信号相加后的信号作为水声通信控制系统的待处理信号，第一水听器距离发射换能器距离为L1，第二水听器距离发射换能器距离为L2，L1和L2之差等于半波长。本发明降低了常规抵消本地干扰方法的信号处理的运算量，减少设备复杂度；信号处理流程简便，减少信号处理过程中产生的误差，通过所设计的新型结构自然地提高全双工水声通信中本地干扰信号抵消的能力。

Description

一种单载波通信的全双工水声通信机
技术领域
本发明涉及一种单载波通信的全双工水声通信机，属于水声通信技术领域。
背景技术
随着人类对海洋的深入探索，水声通信技术成为我国海洋领域中具有重要地位的核心技术。水声通信技术在军事和海洋开发领域具有广泛的应用。其中同时同频全双工通信允许水声通信节点利用同一时隙和频段进行通信，因此其信道容量和频谱效率是传统半双工通信的2倍。
同时同频水声全双工通信系统在某一频段内发射信号的同时也需在相同频段内接收来自远端的水声通信节点的信号，这一特点使得接收到的远端期望信号受到强本地信号的干扰，需要注意的是本地信号的能量通常强于远端期望信号八九十分贝，因此同时同频全双工通信系统的研究重点和难点是抑制和抵消强自干扰信号，使全双工水声通信系统能够正常解调来自远端的通信信号。
中国专利106712781A公开了一种从数字领域和模拟领域抑制干扰的带内全双工水声通信机，该全双工水声通信机包括发射单元和接收单元，选择在模拟领域消除干扰的方法消除干扰，能够消除一部分的自干扰。再进一步采用数字领域消除干扰，彻底避免自干扰和码间串扰。从模拟领域和数字领域均对全双工水声通信机进行了干扰抵消。中国专利109450486A公开了一种异步同时同频全双工水声通信系统数字自干扰抵消方法。异步全双工水声通信具有自干扰信号和期望信号到达接收端存在时延差的特点。提出了过参数化递归最小二乘算法估计非线性信道，以抵消自干扰信号中的非线性分量。中国专利111092833A公开了一种全双工水声通信期待信道与自干扰信道联合估计方法，联合期待信号与自干扰信号利用递归最小二乘自适应地估计自干扰信道和期待信道，提高了在估计自干扰信道时的信噪比，进而提高自干扰信道估计精度，使得水声同时同频全双工通信中数字抵消效果得到改善。以上列举的发明专利均是对全双工通信机接收或者发射源的信号进行处理，未从本身结构入手，导致信号处理过程复杂度高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种可以降低现有技术的信号处理算法复杂度且增强自干扰抵消的效果的单载波通信的全双工水声通信机。
为解决上述技术问题，本发明的一种单载波通信的全双工水声通信机，包括第一水听器、第二水听器、发射换能器、水声通信控制系统，水声通信控制系统接收第一水听器和第二水听器传输的信号并处理信号，水声通信控制系统控制发射换能器发射信号，第一水听器和第二水听器接收的信号相加后的信号作为水声通信控制系统的待处理信号，第一水听器距离发射换能器距离为L1，第二水听器距离发射换能器距离为L2，L1和L2之差等于半波长，即满足：
Figure BDA0002998248500000021
其中，ΔL为L1和L2之差，c为声速，f为单载波中心频率。
作为本发明的一种优选方案，第一水听器和第二水听器分别位于发射换能器两侧，且第一水听器、第二水听器和发射换能器位于一条直线上。
作为本发明的另一种优选方案，第一水听器和第二水听器分别位于发射换能器同侧，且第一水听器、第二水听器和发射换能器位于一条直线上。
本发明的有益效果：本发明提出的是基于单载波通信的新型全双工水声通信机结构，从硬件结构上，自然地进行本地自干扰抵消，布局合理，结构较为新颖。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)降低了常规抵消本地干扰方法的信号处理的运算量，减少设备复杂度；(2)信号处理流程简便，减少信号处理过程中产生的误差，通过所设计的新型结构自然地提高全双工水声通信中本地干扰信号抵消的能力。
附图说明
图1(a)是实施例1结构的单载波通信的全双工水声通信机自干扰抵消流程图；
图1(b)是实施例2结构的单载波通信的全双工水声通信机自干扰抵消流程图；
图2本发明单载波通信的全双工水声通信机自干扰抵消后的时域波形图；
图3没有本地干扰、仅有环境噪声影响的情况和利用本发明提出的新型全双工水声通信机结构抵消本地干扰信号的两种情况下，通信的误码率曲线(信噪比为-15dB-0dB)对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
目前常用水声通信系统的整体架构包括水声通信控制主体系统，传感器组(换能器)，以及PC上位机控制系统。其中，传感器组通过接口与水声通信主体系统进行连接，可以选择采用同时接收，或者单独接，单独收三种模式；PC上位机控制系统通过串口与PC端进行连接，通过串口接收数据或下达指令到单片机控制系统，用于数据处理和控制命令的传递；控制主体系统负责水声通信的功能实现。水声通信的硬件模块包括电源模块，换能器驱动电路模块，核心控制模块，串口通信模块，以及接收端滤波处理模块。
上述结构中，传感器组(换能器)一项包括接受换能器(即水听器)和发射换能器，本专利主要目的在于：通过合理安排水听器的布放形式对全双工水声通信机进行结构性设计，以达到自干扰抵消的目的。
本发明设计的基于单载波通信的新型全双工水声通信机结构：
基于单载波中心频率，计算半波长对应的时延差Δτ。
利用声速c，设计如下的新型全双工水声通信机结构：令两个水听器距发射换能器的距离分别为L1、L2，其中L1和L2之差等于半波长，从而使得两个水听器接收到的本地发射信号处于互为反相状态，以完成后续的抵消过程。
记R1、R2分别为两个水听器接收到的本地发射信号，S1、S2分别为两个水听器接收的待解调信号，利用加法器，将两路水听器信号相加，此过程中，由于R1、R2处于反相状态，因此大部分能量被抵消，所得加和信号为S1+S2。考虑到实际情况，相加后本地发射信号R1、R2仍会留有部分信号残余，但此过程中已抵消了大部分发射源本地干扰信号。
由于本地发射信号功率远大于待接收的信号功率，在反相抵消的过程中，会存在一定量的信号波形残余(具体见图2)，但是大部分自干扰信号已被抵消，因此残余信号可忽略不计(具体见流程图所示)。
将得到的信号波形解调，得到远处传来的信息序列。
实施例1结构如图1(a)所示，两个水听器分别位于发射换能器两侧，且两个水听器和发射换能器位于一条直线上。
实施例2结构如图1(b)所示，两个水听器分别位于发射换能器同侧，且两个水听器和发射换能器位于一条直线上。
首先对计算时延差Δτ的方法进行说明：
本发明所阐述的通信方式为单载波通信方式。据此通信方式，设计了新型全双工水声通信机结构。在新型结构中，两水听器的布放形式被设计为分别距发射换能器L1、L2，其中L1和L2之差等于半波长，这样，两水听器接收到单频信号时的时间差等于半周期，从而使接收信号达到反相状态(即幅度恰好相反)，除部分周期外，两个信号加和为0，从而达到抵消的状态，根据公式(1)、(2)计算得出时间差Δτ：
Figure BDA0002998248500000031
ω＝2*π*f (2)
计算得出Δτ＝1/(2*f)。
针对步骤二中的信号反相抵消进行说明：
设声速为c，利用公式(3)，得出L1、L2的差值ΔL，据此设计如下的新型全双工水声通信机结构：令两个水听器距发射换能器分别为L1、L2，其中L1和L2之差ΔL等于半波长(已根据公式(3)计算得到)，从而使得两个水听器接收到的信号形成互为反相状态，以完成抵消过程。
Figure BDA0002998248500000041
设距离发射声源较近的水听器接收到的本地发射信号为
Figure BDA0002998248500000042
较远的水听器接收到的本地发射信号为
Figure BDA0002998248500000043
则R1+R2＝0(除信号残余外)。
针对步骤三中的加法器进行说明：
远方传来的待解调信号S1、S2，水听器接收到的信号分别是R1+S1、R2+S2，两路水听器经过加法器之后，得到的信号为R1+R2+S1+S2，步骤二中R1+R2＝0(除信号残余外)，得到的信号变为S1+S2(其中有信号残余)。
针对加法器进行说明：
由于本地发射信号功率远大于待接收的信号功率，在反相抵消的过程中，会存在一定量的信号波形残余(具体见图2)，即每个码片都会有半个周期的信号抵消不掉，从而导致信号削波，经过仿真分析，当单载波通信信号频率为2khz时，单个码片中的信号残余仅占单个码片信号长度的4％，因此信号残余对于本套通信系统的影响可忽略不计。
此外，本发明分析了不同声速情况下，即环境、深度不同的海洋环境下，两种新型结构的信号解调情况，利用公式(3)，取声速为1470m/s计算ΔL，当单载波通信中心频率为6kHz时，发现声速在1450m/s-1500m/s范围内，两个水听器接受信号的时延变化在时域上小于一个采样点的影响，其影响不会影响信号解调效果。
本发明设计了两款新型全双工水声通信机结构，其抵消效果相同，均简化了固有的信号处理流程，利用自身结构自然抵消本地信号干扰，降低了信号处理的运算量，减少设备复杂度。
在高斯信道下，本发明提出的新型全双工水声通信机结构抵消了大部分本地干扰信号，如图2所示，信号中的干扰信号残余经过分析、仿真，基本不会影响接受信号的解调效果，在-10dB信噪比以上时完全不会影响接收信号的解调效果，如图3所示。
本发明的两种基于单载波通信的新型全双工水声通信机结构实施例1和实施例2，流程如图1(a)和图1(b)所示。两种新型全双工水声通信机结构下，接收端经过自然抵消过后，接收到的信号的时域图，如图2所示。没有本地干扰、仅有环境噪声影响的情况以及利用本发明提出的新型全双工水声通信机结构抵消本地干扰信号后的情况，两种通信的误码率曲线(信噪比为-15dB-0dB)对比图，如图3所示，上述图均表明：本发明提出的全双工水声通信机新型结构抵消本地声源自干扰效果良好，可抵消大部分本地干扰。本发明所设计的全双工水声通信机降低了常规抵消方法的信号处理运算量，减少了设备复杂度。
该结构可用于基于单载波的全双工水声通信系统中，简化了信号处理过程，利用自身结构完成本地干扰抵消过程。

Claims (3)

1.一种单载波通信的全双工水声通信机，包括第一水听器、第二水听器、发射换能器、水声通信控制系统，水声通信控制系统接收第一水听器和第二水听器传输的信号并处理信号，水声通信控制系统控制发射换能器发射信号，其特征在于：第一水听器和第二水听器接收的信号相加后的信号作为水声通信控制系统的待处理信号，第一水听器距离发射换能器距离为L1，第二水听器距离发射换能器距离为L2，L1和L2之差等于半波长，即满足：
Figure FDA0002998248490000011
其中，ΔL为L1和L2之差，c为声速，f为单载波中心频率。
2.根据权利要求1所述的一种单载波通信的全双工水声通信机，其特征在于：第一水听器和第二水听器分别位于发射换能器两侧，且第一水听器、第二水听器和发射换能器位于一条直线上。
3.根据权利要求1所述的一种单载波通信的全双工水声通信机，其特征在于：第一水听器和第二水听器分别位于发射换能器同侧，且第一水听器、第二水听器和发射换能器位于一条直线上。
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