CN114978354B - 基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，包括：在光场以光声信号幅值作为数字信号载体；在声场，对接收信号进行非相干解调，多倍采样非相干解调信号，帧同步判别成功后，对采样窗口内的序列信息进行差分运算，搜索差分能量最大时刻即信号跳变时刻，将其对应的实际采样点与理想采样点进行比较等操作，一次性估计出实际采样点与理想采样点的同步偏差，进而调整采样时钟，达到码元同步。本发明将差分能量最大时刻与理想同步时刻的偏差来作为码元同步的调整偏差，能很好地改善因光声信号重复性差引起的码元同步问题，提升了通信可靠性，同时能一次性估算出总的同步偏差，直接达到最佳采样时刻，满足快速同步的要求。

Description

基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法

技术领域

本发明涉及水下通信或光声通信，具体涉及一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法。

背景技术

基于光击穿下的光声异构场水下通信一般在光场以光声信号幅值作为数字信号的载体，如振幅键控（Amplitude Shift Keying，简称ASK），在声场为了最大可能性地恢复出数字信号，需通过同步措施使得采样判决在最佳时刻进行，其同步实现过程是先进行帧同步，用于判断信息帧的到来，当帧同步完成后，存在同步偏差，采样判决并非在最佳时刻进行，因此还需进行码元同步，调整同步时钟，使得采样判决在最佳时刻进行。但由于光声转化过程的不稳定性，使得光声信号重复性差，即每个光声信号的幅值、宽度不一致，造成采样判决的最佳时刻（同步准则）不易确定，码元同步算法难度增加，同时光声异构物理场水下通信属于单载波突发传输通信，需要收敛较快的码元同步算法来达到通信同步。光声异构物理场水下通信的同步问题影响了通信系统的性能，进而限制了基于光击穿机制下光声异构物理场水下通信的深入研究。

发明内容

本发明的目的是针对上述情况，提供一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，以解决光声异构物理场水下通信的同步问题。

一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，包括如下步骤：

步骤一，在光场，对传输信息成帧，将其加载到声场；在声场，声探测器接收到光声信号，对光声信号进行非相干解调后光声信号波形表现为左边沿陡峭的光声能量峰形式；

步骤二，在声场，信息采集器以远大于时隙速率的采样速率对非相干解调信号进行多倍采样，存储到采样窗口；

步骤三，在声场，帧同步判别成功后，同步处理器对采样窗口内数据进行光滑滤波，去除脉冲信号，此时采样窗口存储的数据来源于帧头或信息序列；

步骤四，在声场，同步处理器对采样窗口内的数据进行差分运算，即两两相邻的采样数据依次相减，直到获得足够的差分数据才停止运算，进而获得一组差分数据，找出差分数据组中差分能量最大的时刻，此时刻为信号跳变时刻；

步骤五，在声场，同步处理器将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号比较，信号跳变时刻的采样点序号小于理想采样点序号则采样点滞后，信号跳变时刻的采样点序号大于理想采样点序号则采样点超前，为采样点偏差的方向；同时将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号相减，其绝对值为采样点偏差的大小，将采样点偏差的方向和大小传递给采样时钟，使得采样点同步，完成码元同步。

步骤一包括如下步骤：

1-1）在光场，对信息调制后成帧，帧头与信息之间存在空白时间，即不发任何信号，空白时间是采样时间的整数倍，帧数据以比特流呈现；

1-2）在光场，将比特流加载到光源设备上，发“0”时没有激光束，发“1”时打出激光束，激光束通过聚焦物体将激光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号；

1-3）在声场，利用声探测器实时捕捉光声信号，通过包络检波电路实现对光声信号的非相干解调，使得边沿杂乱的双极性光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性光声能量峰波形；

步骤三~步骤五中，通过基于STM32系列微控制器或现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，简称FPGA）的同步处理器对采样窗口数据进行采样点同步处理。

为了保证光声异构物理场水下通信的应用需求和通信性能，本发明提出了一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，在光场以光声信号幅值作为数字信号载体，如振幅键控（ASK）；在声场，对接收信号进行非相干解调，多倍采样非相干解调信号，帧同步判别成功后，对采样窗口内的已知序列信息进行差分运算，搜索差分能量最大时刻即为信号跳变时刻，将其对应的实际采样点与理想采样点进行比较等操作，一次性估计出实际采样点与理想采样点的同步偏差，进而调整采样时钟，达到采样点同步，完成码元同步。

本发明的技术特点和显著效果：

本发明提供了一种基于光击穿机制下简单可行，速度快，精度高的光声异构物理场水下通信的同步方法。对单个时隙内的波形进行多倍采样，获取较高的采样增益，能更好地还原信号本身的特性，利于同步处理；将同步过程转换为采样点序号同步，降低了同步的实现难度；通过差分运算能很好地检测出采集信号中的信号跳变时刻，与理想采样点进行比较，能一次性估算出总的同步偏差，传递到采样时钟直接达到最佳采样时间，不需一步一步的调整，在不增加其他冗余信息的条件下，实现了码元同步算法的快速收敛，同步建立时间短，且精度也高；总的来说，本同步方法针对光击穿机制下光声异构物理场水下通信的同步问题，满足快速同步，同步精度较高，实现方法简单的要求，能很好地改善因光声信号重复性差引起的码元同步问题，进而提升了通信可靠性。

附图说明

图1为光声信号与光声能量峰波形图；

图2为采样窗口的结构示意图；

图3为理想同步与实际同步存在滞后或超前的采样点偏差的示意图；

图4为基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法的应用示意图；

图5为一组含有光声能量峰简化波形的采样数据示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明内容作进一步的阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了保证光声异构物理场水下通信的应用需求和通信性能，本发明提出了一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法：在光场以光声信号幅值作为数字信号载体，如振幅键控（ASK）；在声场，对接收信号进行非相干解调，使得光声信号如图1中通道2（Ch2）所示波形呈现左边沿陡峭的光声能量峰形式如图1通道1（Ch1）所示波形；对单个时隙（比特时间宽度）内的波形进行多倍采样，其采样倍数为P，即一个时隙波形由P个采样数据代替，采样数据存储到采样窗口内，采样窗口如图2所示，其中M为时隙地址序号，M0为该地址首位序号，MP为该地址末位序号，不同时隙地址存储着对应的波形数据；由于多倍采样，同步时钟可由采样时钟代替，同步偏差可由采样点偏差代替，同时光声能量峰左边沿陡峭，有着明显的信号跳变时刻，所以定义最佳时刻即理想同步为：采集信号的信号跳变时刻（实际采样点）与单个时隙采样窗口的首位序号（理想采样点）同步，实际上帧同步后，信号的信号跳变时刻与时隙窗口首位序号（理想采样点）存在同步偏差，即实际同步与理想同步存在滞后或超前的采样点偏差，如图3所示；对采集窗口中的数据进行差分运算，检测出信号的信号跳变时刻，将其对应的实际采样点与理想采样点进行比较等操作，一次性估计出实际采样点与理想采样点的同步偏差，进而调整采样时钟，达到采样点同步，完成码元同步。

本发明采用的技术方案包括三部分：

一是非相干解调与采样，探测器接收到光声信号，对光声信号进行非相干解调后表现为左边沿陡峭的光声能量峰的形式，以远大于时隙速率的采样速率对解调信号进行多倍采样，存储到采样窗口；

二是差分处理，帧同步成功后，对采样窗口内数据进行光滑滤波，去除脉冲信号，此刻采集窗口中的数据来源帧头序列数据，对采样窗口内的数据进行差分运算，即两两相邻的采样数据依次相减，直到获得足够的差分数据才停止运算，进而获得一组差分数据，找出差分数据组中差分能量最大的时刻，此刻为信号跳变时刻；

三是同步偏差调整，将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号比较，信号跳变时刻的采样点序号小于理想采样点序号则采样点滞后，信号跳变时刻的采样点序号大于理想采样点序号则采样点超前，为采样点偏差的方向；同时信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号相减，其绝对值为采样点偏差的大小，将采样点偏差的方向和大小传递给采样时钟，使得采样点同步，完成码元同步。

如图4所示的方法流程中，PC1与调制器、激光器连接，激光器通过凸透镜将激光束聚焦到水面上；PC2与解调器、同步处理器、采样器、非相干解调器、水听器顺序连接。水面上为光场，水面下为声场。

实施例：

一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，包括如下步骤：

步骤一，在光场，对传输信息成帧，将其加载到声场；在声场，声探测器接收到光声信号，对光声信号进行非相干解调后光声信号波形表现为左边沿陡峭的光声能量峰形式；

步骤一包括如下步骤：

1-1）在光场，对信息调制后成帧，帧头为010101，占据6个时隙，帧头与信息之间存在空白时间，即不发任何信号，空白时间是采样时间的整数倍，倍数为B，B=4，帧数据以比特流呈现；

1-2）在光场，将比特流加载到光源设备激光器上，发“0”时没有激光束，发“1”时打出激光束，激光束通过聚焦物体凸透镜将激光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号；

1-3）在声场，利用声探测器水听器实时捕捉光声信号，如图1中Ch1所示波形，通过包络检波电路实现对光声信号的非相干解调，光声信号呈现光声能量峰的波形形式，如图1Ch2所示波形；

步骤二，在声场，信息采集器模数转换模块以远大于时隙速率的采样速率对接收信号进行多倍采样，即采样倍数P>4，P为整数，存储到采样窗口，采样窗口为STM32系列微控制器或FPGA的存储器；

在声场，对包络检波后的信号进行多倍采样，P等于5，即一个时隙内采样5次；

步骤三，在声场，帧头判别成功后，通过基于STM32系列微控制器或FPGA的同步处理器对采样窗口内数据进行光滑滤波，去除脉冲信号；

在声场，帧同步完成后，采样窗口数据为帧头序列的采样数据，其采样窗口的采样序号为{0…29}，对应的采样数据为{W0…W29}，

采样窗口中光声能量峰的时隙地址为：[1，3，5]，

对应的采样序号为：[{5…9}，{15…19}，{25…29}]，

对应的采样数据为：[{W5…W9}，{W15…W19}，{W25…W29}]；

步骤四，在声场，同步处理器对采样窗口内的数据进行差分运算，即两两相邻的采样数据依次相减，直到获得足够的差分数据才停止运算，进而获得一组差分数据，找出差分数据组中差分能量最大的时刻，此时刻为信号跳变时刻；

在声场，同步处理器对采样窗口内的数据进行处理，在空白时间内，估计出采样点偏差，先对帧头窗口内数据进行光滑滤波，此时帧同步后采样点偏差未知，选择光声能量峰地址和其前一个地址的窗口数据进行差分处理，这里选择地址为0和1的窗口数据，进行从左到右的差分运算，对相邻两个离散采样数据从左到右进行相减，在差分数据组寻找最大差分值，其对应的采样点序号即为信号跳变时刻；

在声场，同步处理器对采样窗口内的数据进行处理，在空白时间内，即4个采样时间内，估计出采样点偏差，先对帧头窗口内数据进行光滑滤波，这里为中值滤波，此时帧同步后采样点偏差未知，选择地址为0和1的窗口数据，进行从左到右的差分运算，具体过程：采样点序号n从0到9，其对应的采样值Wn分别为W0到W9，内含光声能量峰数据，如图5所示，对相邻两个离散采样数据从左到右进行相减，即采样点序号为n时的差分数据为Wn-W(n-1)，按顺序依次存储到序号从0到9的差分数据组内，如0序号存储W0-0，1序号存储W1-W0，依此类推，在差分数据组寻找最大差分值，其对应的采样点序号即为信号跳变时刻F1，图5中最大差分值为W6-W5，信号跳变时刻的采样点序号F1=6；

步骤五，在声场，同步处理器将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号比较，信号跳变时刻的采样点序号小于理想采样点序号则采样点滞后，信号跳变时刻的采样点序号大于理想采样点序号则采样点超前，为采样点偏差的方向；同时将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号相减，其绝对值为采样点偏差的大小，将采样点偏差的方向和大小传递给采样时钟，使得采样点同步，完成码元同步：

理想采样点为时隙地址1的窗口首位序号F2=5，F1与F2比较大小，F1大，即采样点滞后；F1-F2=1，采样点调整数为1；

在声场，获得采样点偏差，调整采样时钟，完成码元同步，才可以在正确时刻采集信息，即在帧同步和4个采样时间的空白时间后，需再等待一个采样时钟，才达到信息的最佳采样时刻；

在声场，在同步后的采样时钟下对信息进行采集判决和解调，最后还原信息。

通过本实施例，本发明的优势体现在：在步骤1-2）中，光声能量峰重复性差，会有信号波动等问题，造成最佳时刻难以确定，而本方法在步骤1-3）中，通过非相干解调使得光声信号波形呈现左边沿陡峭的光声能量峰形式，将信号跳变时刻定义为最佳时刻；在步骤四中，通过差分运算来寻找采样窗口中实际的信号跳变时刻，与理想的最佳时刻进行比较，一次性获得同步偏差，调整同步时钟，完成同步，收敛速度快，且精度高。综上所述，本同步方法针对光击穿机制下光声异构物理场水下通信的同步问题，满足快速同步,同步精度较高，实现简单的要求，能很好地改善因光声信号重复性差引起的同步问题，进而提升了通信可靠性，为构建实用化光声异构物理场水下通信提供重要参考。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，在光场，对传输信息成帧，将其加载到声场；在声场，声探测器接收到光声信号，对光声信号进行非相干解调后光声信号波形表现为左边沿陡峭的光声能量峰形式；

在光场，对信息调制后成帧，帧头与信息之间存在空白时间，即不发任何信号，空白时间是采样时间的整数倍，帧数据以比特流呈现；

步骤二，在声场，信息采集器以≥5倍时隙速率的采样速率对非相干解调信号进行多倍采样，存储到采样窗口；

步骤三，在声场，帧同步判别成功后，同步处理器对采样窗口内数据进行光滑滤波，去除脉冲信号，此时采样窗口存储的数据来源于帧头或信息序列；

步骤四，在声场，同步处理器对采样窗口内的数据进行差分运算，即两两相邻的采样数据依次相减，直到获得足够的差分数据才停止运算，进而获得一组差分数据，找出差分数据组中差分能量最大的时刻，此时刻为信号跳变时刻；

步骤四中，在声场，对采样窗口内的数据进行处理，在空白时间内，估计出采样点偏差，先对帧头窗口内数据进行光滑滤波，此时帧同步后采样点偏差未知，选择光声能量峰地址和其前一个地址的窗口数据进行差分处理，进行从左到右的差分运算，对相邻两个离散采样数据从左到右进行相减，在差分数据组寻找最大差分值，其对应的采样点序号即为信号跳变时刻；

步骤五，在声场，同步处理器将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号比较，信号跳变时刻的采样点序号小于理想采样点序号则采样点滞后，信号跳变时刻的采样点序号大于理想采样点序号则采样点超前，采样点滞后或采样点超前为采样点偏差的方向；同时将信号跳变时刻的采样点与理想采样点进行序号相减，其绝对值为采样点偏差的大小，将采样点偏差的方向和大小传递给采样时钟，使得采样点同步，完成码元同步。

2.根据权利要求1所述的基于跳变检测的光声异构物理场水下通信同步方法，其特征在于，步骤一包括如下步骤：

1-1）在光场，将比特流加载到光源设备上，发“0”时没有激光束，发“1”时打出激光束，激光束通过聚焦物体将激光束会聚到水面，当会聚能量达到光击穿阈值，产生光声信号；

1-2）在声场，利用声探测器实时捕捉光声信号，通过包络检波电路实现对光声信号的非相干解调，使得边沿杂乱的双极性光声信号呈现左边沿近乎垂直陡峭的单极性光声能量峰波形。