專(zhuān)利名稱(chēng)：多頻帶ds-mfsk調(diào)制解調(diào)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是水聲通信領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，涉及一種基于多頻帶DS-MFSK的水聲通信調(diào)制解調(diào)器，適用于通信速率較高、穩(wěn)健性較強(qiáng)的水聲通信環(huán)境中。
背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著人類(lèi)海洋活動(dòng)的增加，海洋資源勘探、水下作業(yè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域均對(duì)數(shù)據(jù)傳輸與通信有著很強(qiáng)的需求，而水下無(wú)纜信息交互是依靠水聲通信的，所以水聲通信技術(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，研究人員提出了各種各樣的通信技術(shù)。 多載波頻移鍵控(MFSK)是一種非相干調(diào)制技術(shù)，其將并行信息調(diào)制在不同載波后并行進(jìn)行傳輸，可有效提高系統(tǒng)的通信速率。相比于相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)，MFSK調(diào)制解調(diào)器在接收端不需要進(jìn)行載波同步，在時(shí)變性較強(qiáng)的水聲信道中通信時(shí)，可避免載波同步困難的難題。同時(shí)MFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)屬于寬帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在頻域?yàn)槭釥顬V波器的水聲多途信道中進(jìn)行傳輸時(shí)，可以從頻域抵抗多途效應(yīng)。采用MFSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化通信接收機(jī)的復(fù)雜度。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)利用偽隨機(jī)序列的相關(guān)特性，可有效降低噪聲影響以及其他用戶(hù)干擾，因此直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在低信噪比下穩(wěn)健工作。另外基于偽隨機(jī)序列可實(shí)現(xiàn)碼分多址，在無(wú)線(xiàn)電通信中具有廣泛的應(yīng)用。本實(shí)用新型基于MFSK調(diào)制技術(shù)結(jié)合直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將二者有機(jī)結(jié)合提出了一種可低成本方便實(shí)現(xiàn)的多頻帶DS MFSK水聲通信調(diào)制解調(diào)器。
發(fā)明內(nèi)容鑒于此，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其中調(diào)制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉(zhuǎn)換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器(106)、信號(hào)幀成型器(108)和發(fā)射電路(109)組成，同時(shí)碼元成型器(106)還與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)相連；解調(diào)器由依次相連的信號(hào)接收電路(110)、幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)、并串轉(zhuǎn)換器(116)、信道解碼器(117)組成。本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器其調(diào)制器的工作過(guò)程為信源發(fā)送的串行信息通過(guò)信道編碼器(101)進(jìn)行編碼后再由串并轉(zhuǎn)換器(102)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，并由子頻帶頻率映射器(103、104、105)采用查表映射法將信息映射到子頻帶內(nèi)的不同載波上，并將不同頻帶載波并行疊加，從而實(shí)現(xiàn)多頻帶的MFSK調(diào)制后，并將調(diào)制后的信號(hào)送入碼元成型器(106)。碼元成型器(106)將多個(gè)子頻帶相加后的調(diào)制信息與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2乘操作形成碼元信息，以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)通信。完成碼元成型的信號(hào)被送入信號(hào)幀成型器(108)以形成最終用于發(fā)送的信號(hào)幀，信號(hào)幀成型器(108)所形成的信號(hào)幀(401)之間由一定時(shí)長(zhǎng)保護(hù)間隔(402)相隔，每個(gè)信號(hào)幀(401)由同步信號(hào)(403)、幀內(nèi)保護(hù)間隔(404)和一系列信息碼元(405)組成，其中信息碼元(405)由疊加了加擾信號(hào)的多頻帶調(diào)制信號(hào)(406)和保護(hù)冗余(407)組成。最終信號(hào)幀通過(guò)發(fā)射電路(109)和聲學(xué)換能器發(fā)送到水中。本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器其解調(diào)器的工作過(guò)程為調(diào)制器發(fā)送的聲波信號(hào)通過(guò)換能器和接收電路(110)進(jìn)行放大、濾波采樣后被送入幀同步器(111)，幀同步器(111)采用拷貝相關(guān)器或匹配濾波器結(jié)構(gòu)對(duì)接收到的信號(hào)幀中的同步信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)處理，并檢測(cè)其相關(guān)峰判決信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻。碼元截取器(112)根據(jù)幀同步器(111)提供的時(shí)間基準(zhǔn)依次截取信息碼信號(hào)，并利用PN碼解擾與判決器(113)對(duì)截取信號(hào)做解擾處理，若解擾后的結(jié)果為有效輸出則被送入下一級(jí)進(jìn)行處理，否則重新進(jìn)行同步信號(hào)的確定操作。解擾后的有效信號(hào)被送入FFT變換器(I 14)，F(xiàn)FT變換器(114)對(duì)解擾后 的有效信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并由頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)對(duì)FFT變換器(114)運(yùn)算結(jié)果分頻帶依次由低向高頻帶進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)，解調(diào)后的信息通過(guò)并串轉(zhuǎn)換器(116)和信道解碼器(117)后，恢復(fù)出發(fā)送端信息。本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)健性高，可實(shí)現(xiàn)較高速水聲通信以及多用戶(hù)通信的優(yōu)點(diǎn)，具體來(lái)說(shuō)第一，本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用查表法進(jìn)行多頻帶頻率映射，簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)了信息調(diào)制。第二，本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用FFT算法以及分頻帶軟判決，可快速實(shí)現(xiàn)多頻帶MFSK解調(diào)。第三，本實(shí)用新型所公開(kāi)的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器利用偽隨機(jī)序列相關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)通信功能。由此可見(jiàn)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)新穎、技術(shù)含量高、易于實(shí)現(xiàn)且成本較低，非常適合于海洋資源勘探、水下作業(yè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的工程應(yīng)用。

為了使本實(shí)用新型的內(nèi)容更利于相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員理解，下面對(duì)附圖進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。圖I為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器的信息幀結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器的一種實(shí)現(xiàn)方案框圖。圖4為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器發(fā)射功放電路原理圖。圖5為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器幀同步拷貝相關(guān)器輸出結(jié)果。圖6為本實(shí)用新型所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器軟判決頻譜窗。
具體實(shí)施方案
以下結(jié)合附圖和本實(shí)用新型一種較佳的具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，選擇系統(tǒng)的工作頻帶為20 40KHz，將整個(gè)系統(tǒng)帶寬分為4頻帶，每個(gè)頻帶采用4FSK調(diào)制方式，則相鄰載波之間的頻點(diǎn)間隔為1250Hz，符號(hào)持續(xù)時(shí)間保證FFT測(cè)頻精度為頻點(diǎn)間隔的0. 5倍，此時(shí)有1/T = 625Hz，對(duì)應(yīng)的T =I.6ms。[0023]作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，同步信號(hào)采用水聲通信中經(jīng)常使用的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)LFM，LFM信號(hào)的時(shí)間分辨率力0. 88/B,為盡可能提高該信號(hào)的時(shí)間分辨率，信號(hào)帶寬B取20-40kHz共20kHz，此時(shí)時(shí)間分辨力為0. 044ms。時(shí)間帶寬積BT代表了寬帶信號(hào)的處理增益，為了滿(mǎn)足時(shí)間帶寬積BT遠(yuǎn)大于100的要求，在此實(shí)施例中選取T為20ms，此時(shí)時(shí)間帶寬積BT = 400，能夠滿(mǎn)足處理要求。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，在實(shí)際通信接收機(jī)處，由于同步誤差等因素的存在，在進(jìn)行碼元截取時(shí)，碼元窗不可能完全對(duì)應(yīng)地將相應(yīng)碼元截取，因此在分頻帶頻率映射完成并經(jīng)過(guò)偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻處理后加入了碼元成型環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)將完成映射并疊加后的信息碼加上一段空白冗余來(lái)抵消碼元截取的誤差。在此擬定空白冗余為0. 4ms。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，由于系統(tǒng)采用幀結(jié)構(gòu)的形式，每幀信號(hào)先發(fā)送同步碼，之后預(yù)留一段空白冗余作為同步信號(hào)與后續(xù)信息碼元的保護(hù)間隔，然后發(fā)送預(yù)定數(shù)量的信息碼元。在此主要考慮每幀信號(hào)的保護(hù)間隔長(zhǎng)度，對(duì)于淺海多途信道最大時(shí)延擴(kuò) 展一般在數(shù)十毫秒的量級(jí)，因此擬定幀保護(hù)間隔為50ms。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，在實(shí)際應(yīng)用中，每幀信號(hào)攜帶的符號(hào)數(shù)根據(jù)信道實(shí)際情況適時(shí)的調(diào)整，一般淺海信道的相干時(shí)間為ls，擬定幀長(zhǎng)度在Is以?xún)?nèi)。每個(gè)碼元的持續(xù)時(shí)間為符號(hào)持續(xù)時(shí)間加上0. 4ms的空白冗余約為2ms。以幀長(zhǎng)度為Is計(jì)算，每幀同步信號(hào)20ms，保護(hù)間隔50ms，相鄰幀之間的保護(hù)間隔為50ms，則信息碼元持續(xù)時(shí)間為880ms，攜帶的碼元數(shù)量為880/2 = 440。按照上述設(shè)計(jì)的完整信號(hào)幀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，在接收端，首先利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)檢測(cè)同步信號(hào)，主要是利用同步信號(hào)的優(yōu)良的自相關(guān)性檢測(cè)其相關(guān)峰判決信號(hào)到來(lái)的時(shí)亥IJ，如圖5所示為拷貝相關(guān)器輸出的結(jié)果。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，由信號(hào)起始時(shí)刻依次截取信息碼元，首先對(duì)截取的碼元進(jìn)行解擴(kuò)處理，對(duì)解擴(kuò)后的信號(hào)做FFT運(yùn)算，得到如圖6所示的頻譜窗。從頻譜窗可以看出，各個(gè)頻帶的各個(gè)頻點(diǎn)峰值明顯,可以從低頻帶開(kāi)始向高頻帶逐個(gè)頻帶、逐個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息的快速解調(diào)。最后將解調(diào)的信息經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換以及信道解碼送至信宿完成通信任務(wù)。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，如圖3所示，給出了整個(gè)多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖。下面詳細(xì)說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式。作為本實(shí)用新型的一種較佳施例，接口模塊(301)用于連接信源或信宿，即接收信源待調(diào)制信息或輸出解調(diào)后的信息給信宿。微控制器(302)與接口模塊(301)相連，完成調(diào)制器中信道編碼和串并轉(zhuǎn)換操作和解調(diào)器的信道解碼和并串轉(zhuǎn)換操作，考慮到成本和功耗要求，微控制器選擇MSP430系列或STM32系列。調(diào)制器中的子頻帶頻率映射器(103、103、105)、碼元成型器(106)、信號(hào)幀成型器(108)以及解調(diào)器中的幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)都由與微控制器相連的FPGA(303)來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)制器發(fā)射電路(109)由驅(qū)動(dòng)電路(304)和功放電路(305)組成，本實(shí)施例中將功放電路設(shè)計(jì)成如圖4所示的D類(lèi)功放。解調(diào)器的接收電路(110)由放大濾波電路(308)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(309)組成，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(309)與FPGA(303)相連，功放電路(305)與放大濾波電路(308)通過(guò)一個(gè)收發(fā)轉(zhuǎn)換電路(306)與聲學(xué)換能器(307)相連，從而完成上述的調(diào)制解調(diào)功能。[0031] 以上所述僅為本實(shí)用 新型的一種較佳可行施例，所述實(shí)施例并非用以限制本實(shí)用新型的專(zhuān)利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本實(shí)用新型的說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所做的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于調(diào)制器由依次相連的信道編碼器(101)、串并轉(zhuǎn)換器(102)、子頻帶頻率映射器(103、104、105)、碼元成型器(106)、信號(hào)幀成型器(108)和發(fā)射電路(109)組成，同時(shí)碼元成型器(106)還與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)相連；解調(diào)器由依次相連的信號(hào)接收電路(110)、幀同步器(111)、碼元截取器(112)、PN碼解擾與判決器(113)、FFT變換器(114)、頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)、并串轉(zhuǎn)換器(116)、信道解碼器(117)組成。
2.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于調(diào)制器將通信帶寬劃分為多個(gè)子頻帶，并由子頻帶頻率映射器(103、104、105)實(shí)現(xiàn)子頻帶內(nèi)的MFSK調(diào)制后，將多個(gè)子頻帶的調(diào)制信息相加后送入碼元成型器(106)。
3.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于碼元成型器(106)將多個(gè)子頻帶相加后的調(diào)制信號(hào)與偽隨機(jī)序列發(fā)生器(107)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼進(jìn)行模2乘操作形成碼元信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)通信。
4.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于子頻帶頻率映射器(103、104、105)采用查表映射法將經(jīng)過(guò)信源信道編碼的信息映射到子頻帶內(nèi)的不同載波上，并將不同頻帶載波并行疊加。
5.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DSMFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于信號(hào)幀成型器(108)所形成的信號(hào)幀(201)之間由一定時(shí)長(zhǎng)保護(hù)間隔(202)相隔，每個(gè)信號(hào)幀(201)由同步信號(hào)(203)、幀內(nèi)保護(hù)間隔(204)和一系列信息碼元(205)組成，其中信息碼元(205)由疊加了加擾信號(hào)的多頻帶調(diào)制信號(hào)(206)和保護(hù)冗余(207)組成。
6.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于幀同步器(111)采用拷貝相關(guān)器或匹配濾波器結(jié)構(gòu)，對(duì)經(jīng)由接收電路(110)進(jìn)行放大、濾采樣后的同步信號(hào)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理，并檢測(cè)其相關(guān)峰判決信號(hào)到來(lái)的時(shí)刻。
7.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于碼元截取器(112)根據(jù)幀同步器(111)提供的時(shí)間基準(zhǔn)依次截取信息碼信號(hào)，并利用PN碼解擾與判決器(113)對(duì)截取信號(hào)做解擾處理。
8.如權(quán)利要求I所述的多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，其特征在于FFT變換器(114)對(duì)解擾后的有效信號(hào)進(jìn)行FFT變換，并由頻譜軟判決信息解調(diào)器(115)對(duì)FFT變換器(114)運(yùn)算結(jié)果分頻帶依次由低向高頻帶進(jìn)行軟判決，實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種多頻帶DS-MFSK調(diào)制解調(diào)器，屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域。具體來(lái)說(shuō)該結(jié)構(gòu)是基于MFSK調(diào)制解調(diào)提出一種采用直接序列擴(kuò)頻加擾實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)通信的水聲通信調(diào)制解調(diào)器。其特征在于調(diào)制端將系統(tǒng)頻帶分為若干子頻帶，并對(duì)每個(gè)子頻帶采用MFSK調(diào)制后利用不同偽隨機(jī)序列對(duì)通信信號(hào)進(jìn)行加擾發(fā)送以實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)分址，解調(diào)端實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步后利用自身偽隨機(jī)序列碼進(jìn)行解擾，再利用FFT方法實(shí)現(xiàn)信息的快速解調(diào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的有效性與穩(wěn)健型，同時(shí)從實(shí)現(xiàn)難度、成本等方面考慮，該結(jié)構(gòu)可有效的應(yīng)用于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04B1/7073GK202772879SQ201220455280
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者張曉 , 么彬 申請(qǐng)人:北京引創(chuàng)科技有限責(zé)任公司