CN113098821A - 一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，该方法首先为通信节点构造了对应的多载波信号，在接收端对一个窗内的信号进行绝对值求和进行信号到达检测，然后使用实数快速傅里叶变换对信号进行频点的多次检测，实现唤醒的检测。本方法适用于两个水声节点最大通信距离内的任意距离精确唤醒，运算量小，适用于低功耗的单片机。通信机可在水下长时间处于低功耗的休眠状态。

Description

一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法
技术领域
本发明涉及水声通信机的通信领域，具体涉及基于多载波的低运算量水声唤醒方法。
背景技术
近年来，随着世界各国海洋开发步伐的加快，世界各国开始对水下声通信网进行研究，大大促进了水声通信系统的发展，水声通信已经成为目前研究的一个热点内容。水声通信调制解调器是大多数水声通信系统的主要应用形式，一般应用于海洋监测、水下各类平台设备的遥控、遥测等，要求具有较高的通信稳健性。
当水声通信机使用电池在水下进行信息传输时，会因为工作时的功耗太大导致电池耗电量大，使得水声通信机需要频繁地更换电池才能保持长时间的通信。因此水声通信机必须存在一种低功耗模式使得水声通信在不进行通信时保持一个很低的功耗，而启动它只需要一个特定的波形即可唤醒。
因此需要选取一个特定的波形作为唤醒的波形，同时在进行唤醒检测时不会因为海洋中其他相同频带的其他信号，或者海洋噪声而进行错误的唤醒，导致通信机状态的切换使得功耗增加。
发明内容
为了使得单片机在唤醒检测时处于一个低运算，低功耗状态，在保证低复杂度的同时保证了高唤醒率以及低误唤醒率，且水声通信机在最大通信距离内的任意距离能够被有效唤醒，本发明提出一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，具体技术方案如下：
一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，该方法包括如下步骤：
S1：发射端生成一个多载波信号；
S101：确定多载波信号的频带B以及接收端检测多载波信号需设置的参数，该参数包括接收端唤醒单片机的采样率Fs、接收到检测多载波信号时的数据缓存大小N、N个元素被分成的组数为K、时域阈值W1、当前组选定频点幅值大于频域阈值的个数的阈值NA、唤醒阈值NK；K为自然数；
S102：根据已确定的参数，计算可选择的频点，选择合适的多个频点f1、f2、...、fM作为多载波所携带频率；
S103：确定多载波信号的持续时间T；
S104：分别对每个频点的相位进行不同程度的偏移，使得在合成为多载波信号时整个信号的峰均比达到最小；将生成的多载波信号存于发射端，于唤醒接收端时发射该信号；
S2：在接收端检测所述多载波信号；
S201：将所述多载波信号通过换能器后，再经过放大电路和模数转换器，将模拟信号转换为数字信号；
S202：设置S101中的接收端检测多载波信号需设置的参数；
S203：将模数转换后的数据实时存于一个窗长为N的缓存中；
S204：设置定时器以一定的时间间隔对信号进行检测，检测时将缓存数据重新存于相同长度的新缓存S中；
S205：将S中的元素取绝对值，并进行相加得到S1；
S206：判定S1与时域阈值W1的大小，如果S1大于W1，则说明信号已经到达，并进入下一步的频点检测，否则返回到S204，等待定时器触发；
S207：将N个元素分为K组，每组元素为N/K个；
S208：对每组进行实数傅里叶变换，得到N/2K个频点的幅值；
S209：根据发射端所设计的频点f1、f2、...、fM，选取对应频点的幅值A1、A2、...、AM；并选取这些频点之间的频点的幅值作为对照值；
S210：对参照的幅值加权计算得到W2；
S211：对比A1、A2、...、AM与W2，其中Ai大于W2的个数记为Na；
S212：将每组的Na与设定数目NA进行比较，记Na大于NA的组数为Nk；如果当Nk大于设定数目NK，则开启后续高功耗的电路的电源，否则返回S204。
进一步地，所述步骤S102中所述计算可选择的频点具体为：fi＝K*Fs/N，fi∈B。
进一步地，步骤S104中相位偏移程度具体数值确定如下：在生成单频信号时随机加入相位的变化，在合成多载波信号的时候对信号的峰均比进行计算，比较多次获得峰均比最小值时随机的相位，使用此相位进行多载波信号的生成。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明的水声唤醒方法因为采用实数快速傅里叶变换，可以利用变换的对称性或快速哈特莱变换来减少乘法运算，乘法运算量可以减少约一半，从而降低功耗。
(2)本发明的水声唤醒方法利用Na作为当次唤醒检测的变量，可以有效对抗水声中常见频率选择性信道。
(3)本发明的水声唤醒方法进一步利用Nk作为检测唤醒的变量，使得利用一段数据进行多次的频点判定，降低噪声产生的误唤醒概率。
(4)本发明的方法选取特定的波形作为唤醒的波形，在保证低复杂度的同时保证了高唤醒率以及低误唤醒率，该方法适用于两个水声节点最大通信距离内的任意距离精确唤醒，运算量小，适用于低功耗的单片机。通信机可在水下长时间处于低功耗的休眠状态。
附图说明
图1为经过峰均比(PAPR)调整的发送的多载波信号。
图2为本发明的方法中唤醒检测步骤的流程图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，包括如下步骤：
S1：发射端生成一个多载波信号；
S101：确定多载波信号的频带B以及接收端检测多载波信号需设置的参数，该参数包括接收端唤醒单片机的采样率Fs、接收到检测多载波信号时的数据缓存大小N、N个元素被分成的组数为K、时域阈值W1、当前组选定频点幅值大于频域阈值的个数的阈值NA、唤醒阈值NK；K为自然数；在该实施例中，给定换能器的频带B为7-16kHz，接收端唤醒单片机的采样率Fs为66.67kHz，接收数据缓存N为1024，分组数K为4。时域阈值W1为300000，NA为3，NK为3。
S102：根据已确定的参数，利用fi＝K*Fs/N计算可选择的频点，选择合适的多个频点f1、f2、...、fM作为多载波所携带频率；该实施例中，可选择的频点为以260Hz为步长从7031Hz到15885Hz。最终选取8073Hz、10416Hz、12760Hz、15104Hz四个频点作为唤醒频点。
S103：确定多载波信号的持续时间T；该实施例中确定T为100ms。
S104：分别对每个频点的相位进行不同程度的偏移，使得在合成为多载波信号时整个信号的峰均比达到最小；将生成的多载波信号存于发射端，于唤醒接收端时发射该信号。峰均比具体为信号峰值和平均功率的比值。该实施例中，通过10000次的对每个频点的相位进行不同程度的偏移，使得最终合成的多载波信号整个信号的峰均比从原先的7.98降至3.42。相位调制前后的波形如图1所示。
S2：在接收端检测所述多载波信号，如图2所示，具体流程如下：
S201：将所述多载波信号通过换能器后，再经过放大电路和模数转换器，将模拟信号转换为数字信号；为了降低功耗，这里可以选用低功耗的放大电路和低功耗单片机。
S202：设置S101中的接收端检测多载波信号需设置的参数；
S203：将模数转换后的数据实时存于一个窗长为N＝1024的缓存中；
S204：设置定时器以一定的时间间隔对信号进行检测，检测时将缓存数据重新存于相同长度的新缓存S中。在该实施例中，时间间隔为50ms。
S205：将S中的元素取绝对值，并进行相加得到S1；
S206：判定S1与时域阈值W1的大小，如果S1大于W1，则说明信号已经到达，并进入下一步的频点检测，否则返回到S204，等待定时器触发；
S207：将N＝1024个元素分为K＝4组，每组元素为N/K＝256个；
S208：对每组进行实数傅里叶变换，得到N/2K＝128个频点的幅值；
S209：根据发射端所设计的频点8073Hz、10416Hz、12760Hz、15104Hz，选取对应频点的幅值A1＝808、A2＝1042、A3＝1277、A4＝1511；并选取这些频点之间的频点的幅值作为对照值。在该实施例中，选择这些频点之间的频点9244Hz，11588Hz，13932Hz的幅值B1＝202、B2＝232、B3＝255作为对照值。
S210：对参照的幅值B1、B2、B3加权计算得到加权计算得到W2，W2＝2*(B1+B2+B3)/3＝460；
S211：对比A1、A2、...、AM与W2，其中Ai大于W2的个数记为Na；在该实施例中，第一组Ai大于W2的个数Na为4。
S212：将每组的Na与设定数目NA进行比较，记Na大于NA的组数为Nk；如果当Nk大于设定数目NK，则开启后续高功耗的电路的电源，否则返回S204。在该实施例中，NA＝3，Nk为4，NK也为3，因此Na＞NA，Nk＝4，Nk＞NK，因此，说明已经检测到唤醒波形的到来，之后单片机会开启后续高功耗的电路的电源使得水声通信机进入到工作模式。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：发射端生成一个多载波信号；
S101：确定多载波信号的频带B以及接收端检测多载波信号需设置的参数，该参数包括接收端唤醒单片机的采样率Fs、接收到检测多载波信号时的数据缓存大小N、N个元素被分成的组数为K、时域阈值W1、当前组选定频点幅值大于频域阈值的个数的阈值NA、唤醒阈值NK；K为自然数；
S102：根据已确定的参数，计算可选择的频点，选择合适的多个频点f1、f2、...、fM作为多载波所携带频率；
S103：确定多载波信号的持续时间T；
S104：分别对每个频点的相位进行不同程度的偏移，使得在合成为多载波信号时整个信号的峰均比达到最小；将生成的多载波信号存于发射端，于唤醒接收端时发射该信号；
S2：在接收端检测所述多载波信号；
S201：将所述多载波信号通过换能器后，再经过放大电路和模数转换器，将模拟信号转换为数字信号；
S202：设置S101中的接收端检测多载波信号需设置的参数；
S203：将模数转换后的数据实时存于一个窗长为N的缓存中；
S204：设置定时器以一定的时间间隔对信号进行检测，检测时将缓存数据重新存于相同长度的新缓存S中；
S205：将S中的元素取绝对值，并进行相加得到S1；
S206：判定S1与时域阈值W1的大小，如果S1大于W1，则说明信号已经到达，并进入下一步的频点检测，否则返回到S204，等待定时器触发；
S207：将N个元素分为K组，每组元素为N/K个；
S208：对每组进行实数傅里叶变换，得到N/2K个频点的幅值；
S209：根据发射端所设计的频点f1、f2、...、fM，选取对应频点的幅值A1、A2、...、AM；并选取这些频点之间的频点的幅值作为对照值；
S210：对参照的幅值加权计算得到W2；
S211：对比A1、A2、...、AM与W2，其中Ai大于W2的个数记为Na；
S212：将每组的Na与设定数目NA进行比较，记Na大于NA的组数为Nk；如果当Nk大于设定数目NK，则开启后续高功耗的电路的电源，否则返回S204。
2.根据权利要求1所述的基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，其特征在于：所述步骤S102中所述计算可选择的频点具体为：fi＝K*Fs/N，fi∈B。
3.根据权利要求1所述的基于多载波信号的低运算量水声唤醒方法，其特征在于：步骤S104中相位偏移程度具体数值确定如下：在生成单频信号时随机加入相位的变化，在合成多载波信号的时候对信号的峰均比进行计算，比较多次获得峰均比最小值时随机的相位，使用此相位进行多载波信号的生成。
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