CN113300777B - 一种用于水下通信的信号处理方法、系统及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下通信的信号处理方法、系统及电子设备，该方法包括第一终端接收待传输数据，对待传输数据进行格式转换，得到转换数据；对转换数据进行帧同步处理后，对处理后数据进行曼切斯特编码，得到并发送编码数据至第二终端；第二终端接收到编码数据后，对编码数据进行曼切斯特解码，并对解码数据进行帧同步搜寻，得到转换数据；对转换数据进行格式逆转换，得到待传输数据。本发明实现了通过纠错编解码并加入同步序列，提高系统的容错率；通过8B/10B和曼切斯特编解码对系统进行预均衡，降低系统直流分量，提高系统的稳定性，也同样显著提高了容错率。

Description

一种用于水下通信的信号处理方法、系统及电子设备

技术领域

本申请涉及水下光通信技术领域，具体而言，涉及一种用于水下通信的信号处理方法。

背景技术

水下光通信是一种通过水介质传输信息的通信方式，其信息载体是光，通过脉冲数字码进行调制。由于海水的吸收和散射作用，水下光通信技术的实现会比空间光通信技术的难度大大提升。目前的水下光通信系统的稳定性较差，传输容错率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种用于水下通信的信号处理方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于水下通信的信号处理方法，所述方法包括：

第一终端接收待传输数据，对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据；

对所述转换数据进行帧同步处理后，对处理后数据进行曼切斯特编码，得到并发送编码数据至第二终端；

所述第二终端接收到所述编码数据后，对所述编码数据进行曼切斯特解码，并对解码数据进行帧同步搜寻，得到所述转换数据；

对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据。

优选的，所述对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据，包括：

对所述待传输数据进行RS纠错编码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行8B/10B编码，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行并串转换，得到一位串行数据，所述一位串行数据即为转换数据。

优选的，所述对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据，包括：

对所述转换数据进行串并转换，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行8B/10B译码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行RS译码，得到所述待传输数据。

优选的，所述对所述转换数据进行帧同步处理，包括：

获取具有相关性的同步序列，将所述同步序列作为同步头加入至所述转换数据中。

优选的，所述对解码数据进行帧同步搜寻，包括：

对所述解码数据进行同步序列搜索，查找所述同步头；

在所述同步头中确定起始位置。

优选的，所述编码数据为TTL电平数据。

第二方面，本申请实施例提供了一种用于水下光通信的信号处理系统，执行所述计算机程序时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法的步骤，所述系统包括：

大功率蓝绿光LED发射模块、高灵敏度APD接收模块、FPGA下位机数据转换模块和上位机数据传出模块；所述FPGA下位机数据转换模块包括第一FPGA和第二FPGA；所述上位机数据传出模块包括第一上位机和第二上位机；所述第一上位机用于发送数据，通过网线传递给第一FPGA；第一FPGA经过数据转换驱动所述大功率蓝绿光LED发射模块，将电信号转化为光信号发出；所述高灵敏度APD接收模块将接收的光信号转化为电信号接收，再通过第二FPGA由网线将电信号传输到第二上位机，在所述第二上位机中显示结果。

第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式提供的方法。

本发明的有益效果为：通过纠错编解码并加入同步序列，提高系统的容错率；通过8B/10B和曼切斯特编解码对系统进行预均衡，降低系统直流分量，提高系统的稳定性，也同样显著提高了容错率。且用于发射激光的LED在水下时无法长时间处于0或1的状态，否则会导致设备损坏，通过曼切斯特编码，能够让激光一直处于0和1之间的不断切换状态，增加设备使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种用于水下光通信的信号处理方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的UDP协议原理示意图；

图3为本申请实施例提供的曼切斯特编码的电平举例示意图；

图4为本申请实施例提供的曼切斯特编解码的原理示意图；

图5为本申请实施例提供的曼切斯特编解码的另一原理示意图；

图6为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。

下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。

参见图1，图1是本申请实施例提供的一种用于水下光通信的信号处理方法的流程示意图。在本申请实施例中，所述方法包括：

S101、第一终端接收待传输数据，对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据。

在一种可实施方式中，所述对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据，包括：

对所述待传输数据进行RS纠错编码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行8B/10B编码，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行并串转换，得到一位串行数据，所述一位串行数据即为转换数据。

S102、对所述转换数据进行帧同步处理后，对处理后数据进行曼切斯特编码，得到并发送编码数据至第二终端。

在一种可实施方式中，所述对所述转换数据进行帧同步处理，包括：

获取具有相关性的同步序列，将所述同步序列作为同步头加入至所述转换数据中。

在一种可实施方式中，所述编码数据为TTL电平数据。

S103、所述第二终端接收到所述编码数据后，对所述编码数据进行曼切斯特解码，并对解码数据进行帧同步搜寻，得到所述转换数据。

在一种可实施方式中，所述对解码数据进行帧同步搜寻，包括：

对所述解码数据进行同步序列搜索，查找所述同步头；

在所述同步头中确定起始位置。

S104、对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据。

在一种可实施方式中，所述对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据，包括：

对所述转换数据进行串并转换，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行8B/10B译码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行RS译码，得到所述待传输数据。

其中，FPGA可以通过UDP协议接收PC端发送数据，PC和FPGA采用千兆网线连接。经UDP接收的数据经过RS纠错编码，可以设计为(255,239)纠错编码电路，每次输入239个数据字节，输出16个校验字节和原始数据字节。因发射端和接收端系统晶振完全不可能一样，FPGA控制核心设计了帧同步，采用m序列产生自相关很好的同步头，使信号在信道传输有限错误时，也能在接收端搜索到同步头，保证系统的容错率。

具体的，参见图2，UDP——用户数据报协议，是一种简单的面向数据报的运输层协议。UDP不提供可靠性，它只是把应用程序传给IP层的数据报发送出去，但是并不能保证到达目标的准确性。由于UDP在传输数据报前不用在客户和服务器之间建立一个连接，且没有超时重发等机制，故而传输速率很快。UDP只提供一种基本的、低延迟的被称为数据报的通讯。所谓数据报，就是一种自带寻址信息，从发送端走到接收端的数据包。UDP协议经过用于图片传输、网络监控数据交换等数据传输速度要求比较高的场合。包括UDP源端口号、目标端口号、数据报长度和校验和。

参见图3、图4、图5，对于曼切斯特编解码而言，由于接收端硬件后处理电路的限制，需电平连续出现0或1的个数不能超过3个，选用曼切斯特编解码可以保证输出串行信号的连续0或连续1个个数不超过2个，曼切斯特编码也称为裂相码、同步码、相位编码，是一种用电平跳变来表示1或0的编码方法，其变化规则很简单，即每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的相位正好相反。由于曼切斯特码在每个时钟位都必须有一次变化，因此，其编码的效率仅可达到50％左右。1个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间隔可以是T/2或T；利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号；曼彻斯特编码是一种自同步的编码方式，即时钟同步信号就隐藏在数据波形中。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，该跳变既可作为时钟信号，又可作为数据信号。因此，发送曼彻斯特编码信号时无须另发同步信号。

参见图6，提高信息传输的可靠性和有效性,始终是通信系统设计所追求的目标。RS码具有同时纠突发错误和随机错误的能力,因而广泛应用于数据通信和数据存储系统的差错控制中,作为提高数据传输和存储可靠性的重要手段,它是当今最有效,应用最广的差错控制编码方式之一。设计实现的RS编译码器是能够产生多种码形的Reed Solomon的宏编码器和译码器，其主要参数有：码长n，.校验符号数目k，符号的位数m，不可约域多项式g，生成多项式的第一个根。由这些参数可产生任意一个所需的码形，这样可以针对通信条件不稳定，信道变化大需实时调整纠错编码方案的情况。可选用(255,239)、和(255,223)方案。对于RS生成多项式g(x)＝(x-a)(x-a^2)(x-a^3).....(x-a^(n-k))或者减号变为加号，因为模二加法和模二减法效果相同，展开之后再结合域的元素之间的关系，得到各项系数g0，g1，g2.......至于m是在最高位输入还是在最低位输入根据原理可以知道，要算的是x^(n-k)*m(x)/g(x),那么就是在最高位输入，如果是m(x)/g(x),那么就是在低位输入。其他部分按照除数的表达式去抽头。输入顺序为由高到低。可利用VIVADO自带IP核，通过设置码长和符号位，可生成上述多项式。

下面将对本发明实施例提供的用于水下光通信的信号处理系统进行详细介绍。需要说明的是，用于水下光通信的信号处理系统，用于执行本发明图1所示实施例的方法，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参考本发明图1所示的实施例。

本发明实施例提供的一种用于水下光通信的信号处理系统，所述系统包括：

大功率蓝绿光LED发射模块、高灵敏度APD接收模块、FPGA下位机数据转换模块和上位机数据传出模块；所述FPGA下位机数据转换模块包括第一FPGA和第二FPGA；所述上位机数据传出模块包括第一上位机和第二上位机；所述第一上位机用于发送数据，通过网线传递给第一FPGA；第一FPGA经过数据转换驱动所述大功率蓝绿光LED发射模块，将电信号转化为光信号发出；所述高灵敏度APD接收模块将接收的光信号转化为电信号接收，再通过第二FPGA由网线将电信号传输到第二上位机，在所述第二上位机中显示结果。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGate Array，FPGA)、集成电路(Integrated Circuit，IC)等。

本发明实施例的各处理单元和/或模块，可通过实现本发明实施例所述的功能的模拟电路而实现，也可以通过执行本发明实施例所述的功能的软件而实现。

参见图6，其示出了本发明实施例所涉及的一种电子设备的结构示意图，该电子设备可以用于实施图1所示实施例中的方法。如图6所示，电子设备600可以包括：至少一个中央处理器601，至少一个网络接口604，用户接口603，存储器605，至少一个通信总线602。

其中，通信总线602用于实现这些组件之间的连接通信。

其中，用户接口603可以包括显示屏(Display)、摄像头(Camera)，可选用户接口603还可以包括标准的有线接口、无线接口。

其中，网络接口604可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。

其中，中央处理器601可以包括一个或者多个处理核心。中央处理器601利用各种接口和线路连接整个终端600内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器605内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器605内的数据，执行终端600的各种功能和处理数据。可选的，中央处理器601可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。中央处理器601可集成中央中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像中央处理器(GraphicsProcessing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到中央处理器601中，单独通过一块芯片进行实现。

其中，存储器605可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。可选的，该存储器605包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器605可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器605可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器605可选的还可以是至少一个位于远离前述中央处理器601的存储装置。如图6所示，作为一种计算机存储介质的存储器605中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及程序指令。

在图6所示的电子设备600中，用户接口603主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器601可以用于调用存储器605中存储的用于水下光通信的信号处理应用程序，并具体执行以下操作：

第一终端接收待传输数据，对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据；

对所述转换数据进行帧同步处理后，对处理后数据进行曼切斯特编码，得到并发送编码数据至第二终端；

所述第二终端接收到所述编码数据后，对所述编码数据进行曼切斯特解码，并对解码数据进行帧同步搜寻，得到所述转换数据；

对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、DVD、CD-ROM、微型驱动器以及磁光盘、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、DRAM、VRAM、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器IC)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取器(Random AccessMemory，RAM)、磁盘或光盘等。

以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种用于水下光通信的信号处理方法，其特征在于，所述方法包括：

第一终端接收待传输数据，对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据；

对所述转换数据进行帧同步处理后，对处理后数据进行曼切斯特编码，得到并发送编码数据至第二终端；

所述第二终端接收到所述编码数据后，对所述编码数据进行曼切斯特解码，并对解码数据进行帧同步搜寻，得到所述转换数据；

对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据；

其中，所述对所述待传输数据进行格式转换，得到转换数据，包括：

对所述待传输数据进行RS纠错编码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行8B/10B编码，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行并串转换，得到一位串行数据，所述一位串行数据即为转换数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述转换数据进行格式逆转换，得到所述待传输数据，包括：

对所述转换数据进行串并转换，得到十位并行数据；

对所述十位并行数据进行8B/10B译码，得到八位并行数据；

对所述八位并行数据进行RS译码，得到所述待传输数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述转换数据进行帧同步处理，包括：

获取具有相关性的同步序列，将所述同步序列作为同步头加入至所述转换数据中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对解码数据进行帧同步搜寻，包括：

对所述解码数据进行同步序列搜索，查找所述同步头；

在所述同步头中确定起始位置。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编码数据为TTL电平数据。

6.一种用于水下光通信的信号处理系统，其特征在于，应用于权利要求1-5任一项所述的方法，所述系统包括：

大功率蓝绿光LED发射模块、高灵敏度APD接收模块、FPGA下位机数据转换模块和上位机数据传出模块；所述FPGA下位机数据转换模块包括第一FPGA和第二FPGA；所述上位机数据传出模块包括第一上位机和第二上位机；所述第一上位机用于发送数据，通过网线传递给第一FPGA；第一FPGA经过数据转换驱动所述大功率蓝绿光LED发射模块，将电信号转化为光信号发出；所述高灵敏度APD接收模块将接收的光信号转化为电信号接收，再通过第二FPGA由网线将电信号传输到第二上位机，在所述第二上位机中显示结果。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

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