CN1430349A

CN1430349A - 高码速率低误差概率的水声相干通信系统的信号处理方法

Info

Publication number: CN1430349A
Application number: CN 02116749
Authority: CN
Inventors: 朱维庆; 王长红; 朱敏; 潘锋
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2001-12-30
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: CN1165123C

Abstract

本发明涉及一种用于在水下传输指令、数据和图像的高码速率、低位误差概率水声相干通信系统和水声相干通信信号处理方法。包括主机和从机；其中主机安装在母船或主控水下载体A上，它包括电子分机、发射换能器和垂直悬挂于水中的由2个以上水听器组成的接收线阵。从机安装在水下载体B上，包括电子分机和收发合用的换能器。本发明的水声相干通信信号处理方法采用空间分集技术、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合工作的信号处理方法，克服信道的和载体运动的影响，使接收的信号十分接近发射信号，位误差概率很低。

Description

高码速率低误差概率的水声相干通信系统和信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种水声通信技术，特别是涉及一种高码速率、低位误差概率的水声相干通信系统和水声相干通信信号处理方法。

背景技术

目前水声相干通信系统和信号处理方法概括如下：

(1)例如J.G.Proakis等人的美国专利5844951“Method andapparatus for simultaneous beam forming and equalization”中介绍了多通道接收机中多通道联合和均衡的方法和仪器。接收机同时实现分集联合、均衡和同步。该发明的方法和仪器提供了用于水声数字通信系统中的复杂性简化了的自适应多通道接收机。该发明的内容主要是水声相干通信系统的接收机，见图1，主要有三个方面的发明，介绍如下：

(A)多通道接收机，实现空间分集，在图1中有1……K个通道。

(B)判决反馈自适应均衡器(DFE)，图1中a₁(n)……a_k(n)通道为均衡器的前段，b(n)为均衡器反馈段。采用快速数值稳定的递归最小二乘(RLS)方法实现自适应均衡。

(C)相位跟踪器实现信号同步，图1中的p₁(n)……p_k(n)为相位跟踪器。采用二阶锁相环(DPLL)的方法实现相位跟踪。

(2)M.Sonnenschein等人的美国专利6130859“Method andapparatus for carrying out high data rate and voice underwatercommunication”中介绍了发射和接收高速率数据以及语言通信的水下仪器，它包括1.一个发射机；2.一个接收机；3.一个多普勒频移补偿器。多普勒频移补偿器测量两个未调制信号中一个的频率，此未调制的信号作为调制的信号一部分发射出去，将测得的频率与预设的频率比较，求得多普勒频移。

目前现有的水声相干通信技术中存在3个主要缺点，(1)它们不能快速检测和跟踪信号的相位，因此均衡器系数的相位发生旋转，均衡器有时失效。美国专利5844951中采用二阶锁相环检测和跟踪信号相位，由于其中的二个系数是确定的，它不能适应水声信道的快速时变特征。当信道的界面、水体和载体等的运动速度超过0.14m/s时，二阶锁相环即失效。美国专利6130859中一次至少发射两个未调制信号中的一个，求得多普勒频移，这是这一次发射中的平均多普勒频移。对于快速时变的水声信道，不足以跟踪信号相位。对宽带信号不足以代表运动速度。(2)美国专利5844951中采用了快速数值稳定的递归最小二乘(RLS)方法实现自适均衡，实验表明，在信道比较复杂时，它跟不上信道的变化，均衡器失效。(3)美国专利5844951中的自适均衡器系数的个数均为数拾个，运算比较复杂，实现时对硬件的要求比较高。

发明内容

发明的目的：(1)为了解决已有的水声相干通信装置和信号处理方法不能快速检测和跟踪信号的相位的缺陷；(2)目的之二在于解决已有的水声通信装置和信号处理方法中自适应判决反馈均衡器不能快速地跟踪水声信道引起的信号变化；(3)目的之三在于解决已有的自适应判决反馈均衡器系数的个数较多，使硬件比较复杂的缺点；(4)目的之四为了克服水中多途效应；从而提供一种具有高码速率、低位误差概率的水声相干通信系统及水声相干通信信号处理方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的用于在水下传输指令、数据和图像的高码速率、低位误差概率水声相干通信系统，包括一个由发射换能器、悬挂于水中的接收线阵和电子分机组成的主机和一个由收发合用的换能器和电子分机组成的从机；其中主机安装在母船或主控水下载体A上，发射换能器和接收线阵从母船或主控水下载体A上悬挂到水中，发射换能器和接收线阵的电缆分别与电子分机中的发射机和多通道接收机连接；从机安装在水下载体B上，收发合用换能器直接安装在水下载体B上，其电缆与从机的电子分机中的发射机和接收机连接；其特征是：该系统的中心频率在7k～45kHz之间，工作带宽在5k～20kHz之间；所述的主机中的接收线阵由2～16个水听器组成，悬挂于水中，相邻水听器之间的间距在8～40个波长之间，各水听器在水平方向无指向性，接收灵敏度频率响应满足该系统规定的工作频带要求。

所述的发射换能器或从机中的收发合用换能器包括有指向性换能器，其波束开角为60～120度；或包括在水平方向无指向性。

所述的主机包括：一个发射换能器、垂直悬挂于水中的由2个以上水听器组成的接收线阵(称为空间分集技术)和一个电子分机，电子分机包括发射机、多路接收机、多通道数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机。主机安装在母船或主控水下载体A上，发射换能器和接收线阵从母船或主控水下载体A上悬挂到水中，发射换能器和接收线阵的电缆分别与电子分机中的发射机和多通道接收机连接，接收机与多通道数据采集器电连接，多通道数据采集器与高速数字信号处理器电连接，高速数字信号处理器与带有硬盘的主控计算机电连接，输入输出接口与主控计算机、发射机、多通道接收机电联接。(见附图3)

所述的主机的电子分机包括发射机、多路接收机、多通道数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机，其中发射机的输入端口通过输入输出接口与主控计算机连接，发射机输出端口与发射换能器输入端口连接；输入输出接口分别与多路接收机、高速数字信号处理器电连接，高速数字信号处理器与多通道数据采集器电连接，接收水听器线阵的信号输入给多路接收机，再输入给多通道数据采集器，发射换能器和水听器线阵由承重缆和重物悬挂于水中，通过电缆连接到电子分机上。

所述的从机包括：一个收发合用的换能器和一个电子分机，电子分机包括发射机、一路接收机、数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机。从机安装在水下载体B上，收发合用换能器直接安装在水下载体B上，其电缆与从机的电子分机中的发射机和接收机连接。其联接方式类同主机(附图4)。

所述的从机的电子分机包括发射机、一路接收机、数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机；其中收发合用换能器分别与接收机、发射机电连接，一路接收机的输出端口通过数据采集器与高速数字信号处理器电连接，输入输出接口的2个输出接口分别接发射机、一路接收机，输入输出接口还分别与高速数字信号处理器、以及主控计算机连接；所述的电子分机安放在发射船上，收发合用换能器由承重缆和重物悬挂于水中，通过电缆连接到从机的电子分机上。

所述的主机中的发射换能器和从机中的收发合用换能器可以是在水平方向无指向性的，也可以是有指向性的(一般波束角宽为60～120度)。

所述的主机的接收线阵由2～16个水听器组成，垂直悬挂于水中，水听器的间距一般在8～40个波长之间。这称为空间分集技术。各水听器在水平方向无指向性。

所述的主机和从机中的发射机在程序控制下工作，程序通过输入输出接口控制发射机的启动、停止和发射的波形，输出的大功率脉冲信号驱动换能器向水中发射声波。发射机的输出功率不小于5W。

所述的主机中的多路接收机由2～16通道接收机组成，每个通道与1个水听器相联接。所述的从机中的接收机为单通道接收机，与收发合用换能器连接。各通道的频率响应满足权利要求2规定的工作频带要求。各通道具有不小于40dB的增益，具有带通滤波器以滤除工作频带以外的噪声和干扰，并具有自动增益控制能力。自动增益控制可以用反馈电路实现，也可以通过软件反馈实现，由软件分析信号幅度，计算出反馈量，通过输入输出接口调整增益。接收机可以采用正交混频电路，输出正交的基带信号也可以不作混频，直接输出载频信号。输出信号的幅度要适合多通道数据采集器的要求。

所述的主机中的多通道数据采集器主要用于对经过接收机处理后的回波信号进行数据采集，其通道数不少于接收机通道数，对每一通道的采样速率不低于接收机输出信号带宽的4倍，AD转换器的位数不低于10位。

所述的从机中的数据采集器的采样速率不低于接收机输出信号带宽的4倍，AD转换器的位数不低于10位。

所述的主机中的高速数字信号处理器用于对数字化的回波信号进行实时处理，按照空间分集、多通道自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合信号处理方法从回波中恢复出其携带的信息。要求其处理能力不小于400MIPS，RAM空间不小于256k字节，与多通道数据采集器之间的数据通过率不低多通道数据采集器的输出数据率。

所述的从机中的高速数字信号处理器用于对数字化的回波信号进行实时处理，按照自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合信号处理方法从回波中恢复出其携带的信息。要求其处理能力不小于33MIPS，RAM空间不小于128k字节，与数据采集器之间的数据通过率不低于数据采集器的输出数据率。

所述的主机和从机中的输入输出接口用于电子分机中主控计算机和高速数字信号处理器对接收机、发射机、电源、唤醒电路等部分的数字和模拟信号接口，要求至少具有1路以上DA输出，DA输出分辨率不低于10位，更新速率不低于30k SPS，用于输出多相移键控(MPSK)调制的发射信号到发射机。

所述的水声相干通信信号处理方法为空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合信号处理方法，相应的基于自适应多通道判决反馈均衡器(DFE)的相干接收机见专利附图1。该基于自适应多通道判决反馈均衡器(DFE)的相干接收机形式与美国专利5844951相似，其特征在于多通道自适应判决反馈均衡器采用快速自优化最小均方误差(FOLMS)方法，其增益因子μ是采用LMS方法自适应调整的；自最佳自适应相位跟踪器对多个通道的信号分别进行相位补偿，采用快速自优化最小均方误差(FOLMS)方法，其增益因子λ是采用LMS方法自适应调整的。

本发明提供的应用本发明的高码速率低误差概率水声相干通信系统进行水声相干信号处理的方法，包括信号的发射过程、接收过程和接收信号的处理过程；其中信号的发射过程包括：主机/从机首先把待发送的数据进行调制，调制后的数据经过输入输出控制器送到发射机，发射机驱动发射换能器/收发合用换能器发射声波；其中主机的接收过程包括：从机发射的声波在水中传播，主机的接收线阵的各个水听器把接收到的声波信号转换成电信号馈给多路接收机，多路接收机处理后经多通道数据采集器变成数字信号；其中从机的接收过程包括：主机发射的声波在水中传播，从机的收发合用换能器把接收到的声波信号转换成电信号馈给接收机，接收机处理后经数据采集器变成数字信号；其中接收信号的处理过程包括：数字化的接收信号在高速数字信号处理器中进行处理，获得的结果存在硬盘里，或者经由串行口送到其它终端设备中；其特征是：发射过程的数据调制方式为多相移键控调制；主机的接收过程采用具有多个水听器的接收线阵、多路接收机和多通道数据采集器，实现空间分集；处理过程采用空间分集、多通道自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合信号处理方法，其中多通道自适应判决反馈均衡器采用快速自优化最小均方误差方法，其增益因子μ是采用最小均方误差(LMS)方法自适应调整的；自最佳自适应相位跟踪器对多个通道的信号分别进行相位补偿，采用快速自优化最小均方误差方法，其增益因子λ是采用最小均方误差(LMS)方法自适应调整的。

所述的高码速率、低位误差概率水声相干通信系统主机和从机的发送工作流程如下：

主控计算机把待发送的数据传输给高速数字信号处理器，由高速数字信号处理器进行打包组织、编码、调制，产生数字化的波形，然后通过输入输出接口的DA输出到发射机，由发射机进行功率放大，产生大功率多相移键控(MPSK)电脉冲信号驱动发射换能器，转换成声脉冲信号并向水中发射。

所述的高码速率、低位误差概率水声相干通信系统主机和从机的接收工作流程如下：

对方发射的声波信号被主机的接收线阵或从机的收发合用换能器接收，收到的信号经接收机处理后，通过数据采集器将其变为数字信号；数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到计算机中，并保存在硬盘上，也可经串行口输出到其它终端设备中。

所述的高码速率、低位误差概率水声相干通信系统的工作流程如下：

主机和从机之间的通信为半双工方式，由主机开始通信过程。主机首先发送一个唤醒信号，然后等待从机的应答。如未收到应答则重复此过程。从机处于低功耗状态下，当其唤醒电路接收到唤醒信号后，激活从机的其它电路，从机进入正常工作状态后，向主机发送一个应答信号。当从机没有唤醒电路时，接收到唤醒信号后，也向主机发送一个应答信号。主机接收到从机的应答后把待传输的数据进行打包组织、编码、调制和发射，从机接收声波，进行实时处理，恢复出主机发送的数据。主机发送结束后，从机向主机进行数据传输。从机把待传输的数据进行打包组织、编码、调制，然后发射出去，主机在不发射时始终处于接收状态，接收到从机的声波信号后，进行实时处理，恢复出从机发送的数据。

本发明的优点在于：(1)由于使用本发明的用于高码速率、低位误差概率水声相干通信系统和信号处理方法进行工作时把水声信道看成是在延时域和频率域双扩散的模型，认为水声信号的相位是-快速变化的随机量。本发明的自最佳自适应相位跟踪器在图1中以p₁(n)-p_k(n)表示，它是-采用最小均方(LMS)方法的相位估计器，LMS方法适用于随机量的估计。不同于一般LMS方法中把增益因子γ看成是确定量，本发明中把LMS方法中的γ看成是随机量，对γ再采用LMS方法进行估计，也即γ值会自行选择自最佳值。上述表明，在本发明的自最佳自适应相位跟踪器中采用了双重LMS方法，因此它能跟踪快速变化的随机量，即信号的相位。

(2)由于使用本发明的用于高码速率、低位误差概率水声相干通信系统和信号处理方法进行工作时把水声信道看成是延时域和频率域双扩散的模型，认为水声信号的幅度是-快速变化的随机量。本发明的自最佳自适应判决反馈均衡器在图1中以a₁(n)……a₂(n)和b(n)表示，它采用最小均方(LMS)方法进行自适应运算。不同于一般的LMS方法中把增益因子μ看成是确定量，本发明中把LMS方法进行自适应运算，也即μ值会自行选择最佳值。上述表明，在本发明的自最佳自适应判决反馈均衡器中采用了双重LMS方法，因此它能跟踪快速变化的随机量，即信号的振幅。

(3)由于使用本发明的用于高码速率、低位误差概率水声相干通信系统和信号处理方法进行工作时全采用最小均方(LMS)方法，与RLS方法相比，LMS方法简单，运算量小。又由于采用双重LMS方法，自最佳自适应相位估计器和自最佳自适应判决反馈均衡器的阶数小于11。

(4)由于使用本发明的用于高码速率、低位误差概率水声相干通信系统和信号处理方法进行了数次湖上试验，主机和从机各装在一条船上，在多个距离上进行水声通信试验。在距离2000米处信道最为复杂，试验数据分析结果见图12和图13。图12是本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器获得的结果，位误差概率1.9×10^-5。图13中是美国专利5844951中的空间分集、快速数值稳定的递归最小二乘(RLS)和二阶锁相环算法获得的结果，位误差概率为1.95×10^-2。本发明结果明显好于美国专利5844951中的结果。

(5)试验结果见图14。由图可见，当相对运动速度小于和等于1.4m/s时，位误差概率仍可保持为10^-5；该结果明显好于美国专利5844951中的0.14m/s。

(6)在多个距离上的试验结果见图15。由图可见，接收图像与发送图像看不出明显差别。在4000m处，传输速率10kbits/s，位误差概率好于10^-4。由此得到，作用距离·传输速率＝40km·kbits/s。达到了国际上20世纪九十年代末国际水平的上限，见图16。图中曲线为上限，曲线上的*是本发明的结果。

附图说明

图1基于自适应多通道判决反馈均衡器(DFE)的相干接收机

图2本发明的水声相干通信系统工作示意图

图3本发明的水声相干通信系统主机方框图。

图4本发明的水声相干通信系统从机方框图。

图5本发明的水声相干通信系统的发射机电路框图

图6本发明水声相干通信系统的接收机一个通道的电路框图

图7本发明的水声相干通信系统多通道采集器框图

图8本发明水声相干通信系统高速数字信号处理器电路框图

图9本发明的水声相干通信系统输入输出接口框图

图10本发明的水声相干通信系统唤醒电路框图

图11a本发明的水声相干通信系统发射软件流程图

图11b本发明的水声相干通信系统接收软件流程图

图11水声相干通信系统软件流程图

图12(a)本发明的自适应相位跟踪器中LMS估计器的增益因子γ随符号数的变化

图12(b)本发明的自适应均衡器中LMS估计器的增益因子μ随符号数的变化

图12(c)本发明的分析结果中的均方误差(MSE)随符号数的变化

图12(d)本发明分析结果中的3通道相位估计随符号数的变化

图12(e)本发明的分析结果中的系统输出星座图

图12(f)本发明的分析结果中的符号错误分布

图12本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器算法在信道最复杂时的试验数据分析结果，信号为QPSK，传输速率10kbits/s，作用距离为2000m，位误差概率1.90×10^-5。均衡器系数阶数[a₁；a₂；a₃；b]＝[1；1；1；11]。

图13(a)美专利5844951的分析结果中的均方误差(MSE)随符号数的变化

图13(b)美专利5844951的分析结果中的系统3通道相位估计随符号数的变化

图13(c)美专利5844951的分析结果中的系统输出星座图

图13(d)美专利5844951的分析结果中的符号错误分布

图13美专利5844951的空间分集、快速数值稳定的递归最小二乘(RLS)和二阶锁相环算法在信道最复杂时的试验数据分析结果，信号为QPSK，传输速率10kbits/s，作用距离为2000m，位误差概率1.95×10^-2。均衡器系数个数[a₁；a₂；a₃；b]＝[2；2；2；12]。

图14(a)本发明的仿真分析结果中的均方误差(MSE)随符号数的变化

图14(b)本发明的仿真分析结果中的星座图

图14(c)本发明的仿真分析结果中的符号相位随符号数的变化

图14(d)本发明的仿真分析结果中的符号错误分布

图14本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器算法的仿真分析结果，信号为QPSK，传输率10kbits/s，信噪比15dB，相对速度1.4米/秒，位误差概率10^-5。

图15应用本发明的系统接收图像与发送的源图的比较，图中看不出明显差别

图16国际上现有水声通信系统能够达到的指标(距离×作用距离)及上限，上限由曲线表示。曲线上的*号是我国达到的指标。

图17本发明的一个实施例的湖上试验设备布放图；左：发射船，右：接收船。

图18(a)本发明的自适应相位跟踪器中LMS估计器的增益因子γ随符号数的变化

图18(b)本发明的自适应均衡器中LMS估计器的增益因子μ随符号数的变化

图18(c)本发明的分析结果中的均方误差(MSE)随符号数的变化

图18(d)本发明分析结果中的3通道相位估计随符号数的变化

图18(e)本发明的分析结果中的输出星座图

图18(f)本发明的分析结果中的符号错误分布

图18本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器算法对试验数据分析结果，信号为QPSK，传输速率10kbits/s，作用距离为4000m，位误差概率1.75×10^-5。均衡器系数阶数[a₁；a₂；a₃；b]＝[2；2；2；9]。

图19(a)美专利5844951的分析结果中的均方误差(MSE)随符号数的变化

图19(b)美专利5844951的分析结果中的通道相位估计随符号数的变化

图19(c)美专利5844951的分析结果中的输出星座图

图19(d)美专利5844951的分析结果中的符号错误分布

图19美专利5844951的空间分集、快速数值稳定的递归最小二乘(RLS)和二阶锁相环算法对试验数据分析结果，信号为QPSK，传输速率10kbits/s，作用距离为4000m，位误差概率2.15×10^-2。

图面说明如下：

1.母船或主控水下载体A 2.主机的电子分机

3.发射换能器 4.接收水听器阵 5.电缆

6.承重缆 7.重物 8.MPSK信号

9.MPSK信号 10.水下载体B

11.从机的电子分机 12.收发合用换能器

13.发射船(模拟水下载体B)

14.无指向性发射换能

15.无指向性接收水听器线阵

16.承重缆 17.电缆

18.无指向性收发合用换能器 19.重物

20.锚 21.锚

22.水底 23.水面

具体实施方式

实施例1

按照图1、图2和图3制作-用于高码速率、低位误差概率的水声相干通信系统，在某湖上进行试验。湖上试验布放图见图17，该系统包括安装在母船1上的主机和安装在发射船13上的从机。发射船模拟水下载体B，等效于图2中的10。

主机的方框图见图3。主机的电子分机2安放在母船1上，接收水听器阵15由三个水平无指向性水听器组成，相邻水听器之间的间距约为10个波长。水平无指向性发射换能器14和水听器线阵15由承重缆6和重物7悬挂于水中，通过电缆5连接到电子分机2上。

从机的方框图见图4。从机的电子分机11安放在发射船13上，无指向性收发合用换能器18由承重缆16和重物19悬挂于水中，通过电缆17连接到从机的电子分机11上。

主机和从机的发射机由信号转换、驱动级、功率级、变压器，按信号走向顺序连接组成(框图见图5)，除变压器外，其它均可由国内外市场上购得。变压器采用盒式铁氧体材料，变比根据与换能器阻抗匹配的要求确定。

图6是主机和从机的接收机一个通道的电路方框图，它包括前放、自动增益控制(AGC)电路、带通滤波器(BPF)、正交混频、低通滤波器和缓冲放大器，按图6电路的信号走向顺序连接构成。图6中每一方框中的部件就是一个专用芯片，国内外市场均可购得。

图7是多通道数据采集器的方框图，它包括模拟输入、多路模拟开关(型号为MAX308)、A/D转换器(型号为AD1671)、FIFO存储器(型号为IDT7204)、逻辑控制电路、时钟发生器、主控计算机总线和DSP扩展总线，按图7中的信号走向顺序连接构成。

图8是高速数字信号处理器方框图，它包括数字信号处理芯片(型号为TMS320C30)、双口RAM(型号为IDT7024)、静态RAM(SRAM)、逻辑控制器和扩展总线，按图8中的信号走向顺序连接组成。

图9是输入输出接口电路方框图，它包括数字输出接口、数字输入接口、定时器(型号为8254)、D/A转换器(型号为AD7245A)、逻辑控制器和主控计算机接口，按图9中的信号走向顺序连接构成。

图10是唤醒电路方框图，它包括一个窄带放大器和一个锁相环，按图10中的信号走向顺序连接构成。

图7、8、9和10中的各种数字芯片均为通用芯片，可在国内外市场购得。

系统的中心频率为17.5kHz，带宽为5kHz，信号调制方式为MPSK，唤醒信号为13kHz的单频脉冲。

图11a是水声相干通信系统发射软件的流程图，图11b是接收软件的流程图。

发射时主控计算机把待发送的数据传输给高速数字信号处理器，由高速数字信号处理器进行打包组织、编码、调制，产生数字化的波形，然后通过输入输出接口的DA输出到发射机，由发射机进行功率放大，产生大功率多相移键控(MPSK)电脉冲信号驱动发射换能器3或从机的收发合用换能器12，转换成声脉冲信号并向水中发射。

接收时对方发射的声波信号被主机的接收线阵4或从机的收发合用换能器12接收，收到的信号经接收机处理后，通过数据采集器将其变为数字信号；数字信号被输入到高速数字信号处理器，高速数字信号处理器将对数字信号进行处理，处理结果被输入到计算机中，并保存在硬盘上，也可经串行口输出到其它终端设备中。

主机和从机之间的通信为半双工方式，由主机开始通信过程。主机首先发送一个唤醒信号，然后等待从机的应答。如未收到应答则重复此过程。从机处于低功耗状态下，当其唤醒电路接收到唤醒信号后，激活从机的其它电路，从机进入正常工作状态后，向主机发送一个应答信号。主机接收到从机的应答后把待传输的数据进行打包组织、编码、调制和发射，从机接收声波，进行实时处理，恢复出主机发送的数据。主机发送结束后，从机向主机进行数据传输。从机把待传输的数据进行打包组织、编码、调制，然后发射出去，主机在不发射时始终处于接收状态，接收到从机的声波信号后，进行实时处理，恢复出从机发送的数据。

用本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器对试验数据处理的结果见图12。由图12(a)可见，本发明用于相位跟踪器的LMS估计器的增益因子γ在三个通道中差异达一个数量级。因此美国专利5844951中采用具有二个固定参数的二阶数字锁相环难以检测和跟踪水声信号相位的快速变化。由图12(b)可以看到，本发明用于自最佳自适应判决反馈均衡器的LMS信号处理方法中的增益因子μ的变化可达一个数量级，因此美国专利5844951中采用确定指数权重因子的快速数值稳定的RLS方法难以适应水声信号的快速变化。由图12可知，本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器在作用距离2000m处，达到传输速率10kbits/s和位误差概率1.90×10^-5。

用美国专利5844951中的空间分集、快速数值稳定的RLS方法的自适应判决反馈均衡器和二阶锁相环的相位跟踪器对与图12中相同试验数据分析结果见图13。由图可见，在作用距离2000m处，达到传输速率10kbits/s和位误差概率1.90×10^-2。明显劣于本发明的结果。

实施例2

按照图1、图2和图3制作一用于高码速率、低位误差概率的水声相干通信系统，在另一湖上进行试验。湖上试验布放图同见图17。该系统的结构、布置方式和试验过程与实施例1相同。

用本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器对试验数据处理的结果见图18。由图18(a)可见，本发明用于相位跟踪器的LMS估计器的增益因子γ在三个通道中差异达数倍，同一通道中γ的变化达一个数量级。因此美国专利5844951中采用具有二个固定参数的二阶数字锁相环难以检测和跟踪水声信号相位的快速变化。由图18(b)可以看到，本发明用于自最佳自适应判决反馈均衡器的LMS信号处理方法中的增益因子μ存在快速的变化，因此美国专利5844951中采用确定指数权重因子的快速数值稳定的RLS方法难以适应水声信号的快速变化。由图18可知，本发明的空间分集、自最佳自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器在作用距离4000m处，达到传输速率10kbits/s和位误差概率1.70×10^-5。

用美国专利5844951中的空间分集、快速数值稳定的RLS方法的自适应判决反馈均衡器和二阶锁相环的相位跟踪器对与图18中相同试验数据分析结果见图19。由图可见，在作用距离4000m处，达到传输速率10kbits/s和位误差概率2.15×10^-2。明显劣于本发明的结果。

为了便于理解，结合附图与实施例已对本发明做了叙述，可以理解本发明有很多实施例，但本发明不限于这些图与实施例。本发明包括本发明精神与范围内所有权利要求范围内的修正案。

Claims

1.一种高码速率低误差概率的水声相干通信系统，包括一个由发射换能器、悬挂于水中的接收线阵和电子分机组成的主机和一个由收发合用的换能器和电子分机组成的从机；其中主机安装在母船或主控水下载体A上，发射换能器和接收线阵从母船或主控水下载体A上悬挂到水中，发射换能器和接收线阵的电缆分别与电子分机中的发射机和多通道接收机连接；从机安装在水下载体B上，收发合用换能器直接安装在水下载体B上，其电缆与从机的电子分机中的发射机和接收机连接；其特征是：该系统的中心频率在7k～45kHz之间，工作带宽在5k～20khz之间；所述的主机中的接收线阵由2～16个水听器组成，悬挂于水中，相邻水听器之间的间距在8～40个波长之间，各水听器在水平方向无指向性，接收灵敏度频率响应满足该系统规定的工作频带要求。

2.根据权利要求1所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的主机发射换能器或从机中的收发合用换能器包括有指向性换能器，其波束开角为60～120度；或包括在水平方向无指向性。

3.根据权利要求1所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的主机包括一个发射换能器、垂直悬挂于水中的由2-16个水听器组成的接收线阵和一个电子分机。

4.根据权利要求3所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的主机的电子分机包括发射机、多路接收机、多通道数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机；其中接收机与多通道数据采集器电连接，多通道数据采集器与高速数字信号处理器电连接，高速数字信号处理器与带有硬盘的主控计算机电连接，输入输出接口与主控计算机、发射机、多通道接收机电联接。

5.根据权利要求1所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的从机包括：一个收发合用的换能器和一个电子分机，电子分机包括发射机、一路接收机、数据采集器、高速数字信号处理器、输入输出接口以及主控计算机；其中收发合用换能器分别与接收机、发射机电连接，一路接收机的输出端口通过数据采集器与高速数字信号处理器电连接，输入输出接口的2个输出接口分别接发射机、一路接收机，输入输出接口还分别与高速数字信号处理器、以及主控计算机连接；所述的电子分机安放在发射船上，收发合用换能器由承重缆和重物悬挂于水中，通过电缆连接到从机的电子分机上。

6.根据权利要求5所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，所述从机还包括一个唤醒电路，该唤醒电路为一低功耗电路，功耗不大于10mW，它输出端口与主控计算机连接，输入端口与收发合用换能器连接。

7.根据权利要求1或4所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的发射机的频率响应的中心频率在7k～45kHz之间，工作带宽在5k～20kHz之间，发射机的输出功率不小于5W。

8.根据权利要求1所述的高码速率低误差概率的水声相干通信系统，其特征是：所述的主机中的多路接收机由2～16通道接收机组成，每个通道与1个水听器相联接；各通道的频率响应的中心频率在7k～45kHz之间，工作带宽在5k～20kHz之间，各通道具有不小于40dB的增益，具有滤除工作频带以外的噪声和干扰的带通滤波器和自动增益控制电路。

9.根据权利要求4所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的主机中的多通道数据采集器的通道数不少于接收机通道数，对每一通道的采样速率不低于接收机输出信号带宽的4倍，AD转换器的位数不低于10位。

10.根据权利要求4所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的主机中的高速数字信号处理器的处理能力不小于400MIPS，RAM空间不小于256k字节，与多通道数据采集器之间的数据通过率不低于多通道数据采集器的输出数据率。

11.根据权利要求4所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的从机中的接收机为单通道接收机，与收发合用换能器连接。

12.根据权利要求5所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的从机中的数据采集器的采样速率不低于接收机输出信号带宽的4倍，AD转换器的位数不低于10位。

13.根据权利要求5所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的从机中的高速数字信号处理器的处理能力不小于33MIPS，RAM空间不小于128k字节，与数据采集器之间的数据通过率不低于数据采集器的输出数据率。

14.根据权利要求4所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的主机中的接收机采用正交混频电路，输出正交的基带信号；或不作混频，直接输出载频信号。

15.根据权利要求4或5所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统，其特征是：所述的主机和从机中的输入输出接口具有1路以上DA输出，DA输出分辨率不低于10位，更新速率不低于30kSPS。

16.一种应用权利要求1所述的高码速率低误差概率水声相干通信系统进行水声相干信号处理的方法，其特征是：包括信号的发射过程、接收过程和接收信号的处理过程；其中信号的发射过程包括：主机/从机首先把待发送的数据进行调制，调制后的数据经过输入输出控制器送到发射机，发射机驱动发射换能器/收发合用换能器发射声波；其中主机的接收过程包括：从机发射的声波在水中传播，主机的接收线阵的各个水听器把接收到的声波信号转换成电信号馈给多路接收机，多路接收机处理后经多通道数据采集器变成数字信号；其中从机的接收过程包括：主机发射的声波在水中传播，从机的收发合用换能器把接收到的声波信号转换成电信号馈给接收机，接收机处理后经数据采集器变成数字信号；其中接收信号的处理过程包括：数字化的接收信号在高速数字信号处理器中进行处理，获得的结果存在硬盘里，或者经由串行口送到其它终端设备中；发射过程的数据调制方式为多相移键控调制；主机的接收过程采用具有多个水听器的接收线阵、多路接收机和多通道数据采集器，实现空间分集；处理过程采用空间分集、多通道自适应判决反馈均衡器和通道自适应判决反馈均衡器和自最佳自适应相位跟踪器联合信号处理方法，其中多通道自适应判决反馈均衡器采用快速自优化最小均方误差方法，其增益因子μ是采用最小均方误差方法自适应调整的；自最佳自适应相位跟踪器对多个通道的信号分别进行相位补偿，采用快速自优化最小均方误差方法，其增益因子λ是采用最小均方误差方法自适应调整的。