本發(fā)明涉及水聲通信，尤其是涉及基于n選m組合選擇器調(diào)制的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

跳頻(fh：frequencyhopping)通信技術(shù)以其性能穩(wěn)健、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、易于實(shí)現(xiàn)多址組網(wǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種水聲通信系統(tǒng)中。但因其實(shí)現(xiàn)中需要不斷切換頻率，難以保持相位的一致性，所以廣泛采用非相干多頻頻移鍵控(mfsk：m-aryfrequencyshiftkeying)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，圖1所示為fh-mfsk水聲跳頻通信系統(tǒng)框圖。mfsk調(diào)制技術(shù)的最大缺點(diǎn)就是頻帶利用率低，在可用帶寬受限的水聲通信中，嚴(yán)重制約了水聲跳頻通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。由此，如何在保持跳頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上克服其頻帶利用率低的缺陷、提高數(shù)據(jù)傳輸速率一直是水聲通信技術(shù)領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向。

采用多載波調(diào)制技術(shù)代替mfsk調(diào)制技術(shù)是研究的熱點(diǎn)之一。目前報(bào)道的多載波調(diào)制有基于二進(jìn)制開關(guān)鍵控(ook：on-offkeying)調(diào)制的跳頻通信系統(tǒng)和基于ofdm調(diào)制技術(shù)的跳頻通信系統(tǒng)，這兩種多載波調(diào)制方式都能極大提高跳頻水聲通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，但都存在調(diào)制載波數(shù)量不確定的問題。而非相干檢測(cè)中，判決依據(jù)為信號(hào)門限幅度，在無法確定信號(hào)中調(diào)制載波數(shù)個(gè)的情況下，面對(duì)信號(hào)中可能存在的較強(qiáng)多徑干擾，判決結(jié)果的不確定性增加，提高誤碼率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供能夠提高頻譜利用率的、固定載波個(gè)數(shù)的基于n選m組合選擇器調(diào)制的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)。

本發(fā)明包括發(fā)射端與接收端，所述發(fā)射端包括編碼單元、基于組合選擇調(diào)制器的多載波調(diào)制單元、跳頻調(diào)制單元和水聲換能器發(fā)射單元；所述接收端包括水聲換能器接收單元、跳頻解調(diào)單元、基于組合選擇解調(diào)器的多載波解調(diào)單元和解碼單元；

所述編碼單元的輸入端連接信源，編碼單元的輸出端與多載波調(diào)制單元的輸入端相連，多載波調(diào)制單元輸出端與跳頻調(diào)制單元的輸入端相連，跳頻調(diào)制單元的輸出端與水聲換能器發(fā)射單元相連；

所述水聲換能器接收單元的輸出端與跳頻解調(diào)單元的輸入端相連，跳頻解調(diào)單元的輸出端與多載波解調(diào)單元的輸入端相連，多載波解調(diào)單元的輸出端與解碼單元的輸入端相連，解碼單元輸出信宿。

所述多載波調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換模塊(串行轉(zhuǎn)k路并行)、組合選擇調(diào)制器、m個(gè)載波合成模塊；所述串并轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接多載波調(diào)制單元的輸入端，串并轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)的k路輸出連接至組合選擇調(diào)制器；在調(diào)制器中，k路輸入組成的2^k種組合狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)到組合中的2^k個(gè)m載波組合狀態(tài)并由調(diào)制器輸出m個(gè)頻率均不同且相互正交的載波；m個(gè)載波輸入到載波合成模塊，載波合成模塊的輸出端連接多載波調(diào)制單元的輸出端。

所述多載波解調(diào)單元包括軟判決模塊、組合選擇解調(diào)器、并串轉(zhuǎn)換模塊(k路并行轉(zhuǎn)串行)；所述軟判決模塊輸入端連接多載波解調(diào)單元的輸入端，通過非相干檢測(cè)技術(shù)鑒別出碼元信號(hào)中幅度最大的m個(gè)載波信號(hào)，m個(gè)載波信號(hào)連接至組合選擇解調(diào)器；在解調(diào)器中，將該m個(gè)載波的組合轉(zhuǎn)換為2^k進(jìn)制的對(duì)應(yīng)組合狀態(tài)，形成k路并行輸出；k路輸出通過并串轉(zhuǎn)換連接到多載波解調(diào)單元的輸出端。

本發(fā)明為了提高頻帶利用率提出了基于組合選擇器調(diào)制的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)。當(dāng)可使用的子載波數(shù)為n時(shí)，調(diào)制一次最多可傳輸個(gè)比特信息，其中而相同帶寬的mfsk調(diào)制一次只能傳輸個(gè)比特信息。

本發(fā)明提出的基于n選組合選擇器調(diào)制的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)，不僅能有效提高跳頻通信的頻帶利用率，提高數(shù)據(jù)傳輸率；同時(shí)，將每個(gè)碼元的調(diào)制載波固定為m個(gè)，有利于提高非相干檢測(cè)判決的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的有益是，相比傳統(tǒng)的mfsk調(diào)制，提高了頻譜利用率，傳輸效率高；相比ook、ofdm調(diào)制，每次調(diào)制載波數(shù)量固定，發(fā)射功率相對(duì)穩(wěn)定，易于非相干檢測(cè)，降低了誤碼率。

附圖說明

圖1所示為fh-mfsk水聲跳頻通信系統(tǒng)框圖；

圖2所示為基于組合選擇器調(diào)制解調(diào)的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)框圖；

圖3所示為本發(fā)明和傳統(tǒng)mfsk調(diào)制一次傳輸?shù)淖畲笮畔⒘侩S可用載波數(shù)的變化曲線；

圖4所示為組合選擇器的調(diào)制流程圖；

圖5所示為組合選擇器的解調(diào)流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了基于n選組合選擇器調(diào)制的多載波水聲跳頻通信系統(tǒng)。如圖2所示，包括發(fā)射端與接收端，發(fā)射端包括編碼單元、基于組合選擇調(diào)制器的多載波調(diào)制單元、跳頻調(diào)制單元和水聲換能器發(fā)射單元，接收端包括水聲換能器接收單元、跳頻解調(diào)單元、基于組合選擇解調(diào)器的多載波解調(diào)單元、解碼單元；編碼單元的輸入端連接信源，編碼單元的輸出端與多載波調(diào)制單元的輸入端相連，多載波調(diào)制單元輸出端與跳頻調(diào)制單元的輸入端相連，跳頻調(diào)制單元的輸出端與水聲換能器發(fā)射單元相連；水聲換能器接收單元輸出端與跳頻解調(diào)單元的輸入端相連，跳頻解調(diào)單元的輸出端與多載波解調(diào)單元的輸入端相連，多載波解調(diào)單元的輸出端與解碼單元的輸入端相連，解碼單元輸出信宿；

多載波調(diào)制單元包括串并轉(zhuǎn)換模塊(串行轉(zhuǎn)k路并行)，組合選擇調(diào)制器，m個(gè)載波合成模塊；串并轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接多載波調(diào)制單元的輸入端，串并轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)的k路輸出連接至組合選擇調(diào)制器；在調(diào)制器中，k路輸入組成的2^k種組合狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)到組合中的2^k個(gè)m載波組合狀態(tài)并由調(diào)制器輸出m個(gè)頻率均不同且相互正交的載波；m個(gè)載波輸入到載波合成模塊，載波合成模塊的輸出端連接多載波調(diào)制單元的輸出端；多載波解調(diào)單元包括軟判決模塊，組合選擇解調(diào)器，并串轉(zhuǎn)換模塊(k路并行轉(zhuǎn)串行)；軟判決模塊輸入端連接多載波解調(diào)單元的輸入端，通過非相干檢測(cè)技術(shù)鑒別出碼元信號(hào)中幅度最大的m個(gè)載波信號(hào)，m個(gè)載波信號(hào)連接至組合選擇解調(diào)器；在解調(diào)器中，將該m個(gè)載波的組合轉(zhuǎn)換為2^k進(jìn)制的對(duì)應(yīng)組合狀態(tài)，形成k路并行輸出；k路輸出通過并串轉(zhuǎn)換連接到多載波解調(diào)單元的輸出端。

圖3所示為在使用相同數(shù)量子載波調(diào)制時(shí)，本發(fā)明與傳統(tǒng)mfsk調(diào)制一次能傳輸?shù)男畔⒘俊D中曲線表明：?jiǎn)屋d波mfsk調(diào)制僅在n＝m＝2^k時(shí)，傳輸?shù)男畔⒘坎艜?huì)發(fā)生變化，n≠2^k時(shí)，即使載波數(shù)增加也無法增加傳輸?shù)男畔⒘?，n－2^k個(gè)載波是無效的；相比msfk，本發(fā)明的傳輸信息量是隨著n值增大不斷增加。以上分析可知，本發(fā)明能有效提高頻帶利用率的原因有兩個(gè)方面：一是因?yàn)椴捎昧硕噍d波調(diào)制技術(shù)；二是有效利用了mfsk調(diào)制中未能使用到的載波，這一點(diǎn)在水聲通信領(lǐng)域尤其重要，因?yàn)榭捎脦拠?yán)重受限的水聲通信系統(tǒng)可用的載波數(shù)n通常不是剛好等于2^k。

當(dāng)可使用的子載波數(shù)量是n時(shí)，每個(gè)碼元的信息攜帶量b(單位：bit)表示為：

其中，n是大于2的正整數(shù)；當(dāng)時(shí)，b取最大值。

與傳統(tǒng)的基于mfsk調(diào)制的水聲跳頻通信系統(tǒng)相比，其數(shù)據(jù)傳輸速率的提高系數(shù)ρ可以表示為：

其中，m＝2^k，k是正整數(shù)；當(dāng)時(shí)，ρ取最大值。

以組合選擇器為例說明系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)過程：組合選擇器總共有70種組合狀態(tài)，該組合選擇器每次調(diào)制可傳輸?shù)淖畲笮畔⒘繛?比特。

與mfsk調(diào)制技術(shù)相比，基于組合選擇器的多載波調(diào)制技術(shù)對(duì)頻帶利用率的提高主要表現(xiàn)在兩方面：一是采用了多載波調(diào)制；二是調(diào)制載波數(shù)n不再被限制于離散值m(n＝m＝2^k)上，而是可以充分利用mfsk中未能被使用的載波，即n的取值范圍是[2^k，2^k+1)。二者在不同調(diào)制載波數(shù)下的信息傳輸量見圖3所示。

表1所示為6比特傳輸中64種組合狀態(tài)與組合選擇器中64種組合狀態(tài)的調(diào)制解調(diào)對(duì)照表；表2所示為表1中涉及的只含有1個(gè)“1”的6種狀態(tài)的補(bǔ)充列表；表3所示為表1中涉及的含有5個(gè)“1”的6種狀態(tài)的補(bǔ)充列表。

發(fā)射端信源經(jīng)過編碼單元進(jìn)行信道編碼，通過串并轉(zhuǎn)換單元將編碼后的串行信息比特流轉(zhuǎn)換為6路并行，構(gòu)成一個(gè)6位二制數(shù)b5b4b3b2b1b0輸入至組合選擇調(diào)制器，調(diào)制器對(duì)照表1、表2和表3再根據(jù)圖4的流程將該6位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為某4個(gè)載波的組合f7f6f5f4f3f2f1f0(對(duì)應(yīng)位為“1”時(shí)，表示組合選擇器選擇輸出該載波)，輸出至載波合成模塊合并為一路信號(hào)，再通過跳頻單位完成跳頻調(diào)制后由水聲換能器發(fā)射單元發(fā)射。

表1

表2

表3

圖4調(diào)制流程：判定6位二進(jìn)制數(shù)中“1”的個(gè)數(shù)；0個(gè)“1”時(shí)，輸出4載波為f6f2f1f0；1個(gè)“1”時(shí)，固定輸出f6f5，再根據(jù)表2查詢另外2個(gè)輸出載波；2個(gè)“1”時(shí)，固定輸出f7f6，而f5f4f3f2f1f0＝b5b4b3b2b1b0輸出其它2個(gè)載波；3個(gè)“1”時(shí)，固定輸出f7，而f5f4f3f2f1f0＝b5b4b3b2b1b0輸出其它3個(gè)載波；4個(gè)“1”時(shí)，f5f4f3f2f1f0＝b5b4b3b2b1b0輸出4個(gè)載波；5個(gè)“1”時(shí)，固定輸出f6f4，再根據(jù)表3查詢另外2個(gè)輸出載波；6個(gè)“1”時(shí)，輸出4載波為f6f5f4f3。

接收端通過水聲換能器接收單元接收到信號(hào)，在跳頻解調(diào)單元完成解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)由軟判決模塊通過非相干檢測(cè)判決輸出4個(gè)幅度最大的載波信號(hào)，對(duì)應(yīng)至f7f6f5f4f3f2f1f0中，解調(diào)器對(duì)照表1、表2和表3再根據(jù)圖5的流程將4載波組合轉(zhuǎn)換為一個(gè)6位二進(jìn)制數(shù)，通過并串轉(zhuǎn)換后恢復(fù)為串行信息比特流。

圖5的解調(diào)流程：(1)判定接收載波中是否含有f7，若有將直接輸出b5b4b3b2b1b0＝f5f4f3f2f1f0，若無跳轉(zhuǎn)至(2)；(2)判定接收載波中是否含有f6，若無將輸出b5b4b3b2b1b0＝f5f4f3f2f1f0，若有將跳轉(zhuǎn)至(3)；(3)判定接收載波中是否含有f5f4，若f5f4＝“00”將輸出b5b4b3b2b1b0＝“000000”，若f5f4＝“11”將輸出b5b4b3b2b1b0＝“111111”，若f5f4＝“10”將根據(jù)表2查詢輸出b5b4b3b2b1b0，若f5f4＝“01”將根據(jù)表3查詢輸出b5b4b3b2b1b0。

相比本發(fā)明，具有相同載波數(shù)的傳統(tǒng)的8fsk調(diào)制技術(shù)每次調(diào)制只能傳輸3bits信息。