专利名称：：无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法
技术领域：
：本发明涉及通信领域，特别地，涉及一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法。
背景技术：
：无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，其综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将该些信息通过无线方式予以发送，同时还能以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通，因此，传感器网络具有十分广阔的应用前景，尤其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(Sinknode)两大类。大量具有无线传输能力的传感节点由电池供电，随机部署在监测区域内，通过自组织方式构成网络。传感节点将兴趣事件通过节点间多跳方式上传至Sink,在上传过程中传感数据可能与其他节点进行协同或融合处理，从而达到提高上传信息熵和降低网络负载的目的。Sink在收集目标区域的信息后通过互联网络或卫星发送至终端用户或网络数据库。现有无线传感器网络典型的应用示意图如图1所示。从应用层面来讲，无线传感器网络作为人秀的神经末梢网络，是人与物理世界之间沟通的网络媒介，具有网络长期无人值守和泛在化的特点。其需求领域极为广泛，且应用环境和网络业务具有多样化特性，如节点的布设密度、间距、通信环境、传感器种类、目标事件发生概率、数据流量大小、QoS服务保障等均存在巨大的差异性。因此，各类无线传感器网络的应用开发必然具有阶梯式发展的特点，由典型应用到泛在网络逐步建立和完善。无线传感网的信息传递，大多数情况下为信息的上传，节点以短距多跳形式向sink节点上传信息，但对双向通信的传感网而言，用户或sink节点处对节点下发命令或进行其他调度时，即信息下传时，若采用与信息上传相同的机制，节点间仍需要进行多跳的信息交互，将导致各个节点收到命令的时间不一致，延缓了命令下达速度，且在信息的传递过程中耗费了传感网节点大量的能量，影响了网络的生命周期。本专利的系统背景中，由于指控中心和传感探测节点相距较远，且下达命令信息较短，下行信息传递时，采用短波通信方式，通过大范围的电波覆盖达到命令的直接传输。本系统中，传感节点由于能量的限制，无法通过短波进行信息的上传，从而该系统为单向通信系统。短波通信是指利用波长为10010m(频率为330MHz)的电磁波进行的无线电通信。短波通信可以利用地波或低电离层反射进行几十公里到几百公里的中近距离通信，也可以利用中高电离层反射进行数千乃至上万公里的远距离通信，借助于中继站，短波通信甚至可以进行环球通信。短波电台既可以是大型固定台，也可以是车载、舰载、机载或背负式移动台，短波通信设备简单，造价低廉，灵活机动，且信道不易摧毁，因而短波通信多年来被广泛地用于政府、军事、外交、气象、商业等部门，用来传送语言、文字、图像、数据等信息。FTSK具有优良的抗衰落性能，为了在信道衰落严重时保持系统可通性，短波通信中常采用FTSK方式进行数据传输。FTSK是一种组合调制，它是在频移健控(FSK)和时移键控(TSK)的基础上发展起来的。它是并行调制方式中的一种，通过将串行的高速数据转换为在不同频率上传送的低速并行数据来减少码间干扰的影响，达到高速传输的目的。由于在频率上分开，可以达到频率分集的效果，且由于针对不同码字有不同的编码方式，具有一定的纠错功能。采用频率分集和并行调制方法，具有较好的抗衰落能力，在恶劣的信道环境下也能良好通信，但传输速率较低。时频组合调制(FTSK)是广泛应用于短波通信系统的一种抗衰落抗频偏的调制方式。FTSK是TSK和FSK的组合调制，如图3所示，四进制四时四频调制将四进制符号映射为四个时隙中按不同顺序发送的四个频率分量。为了提高抗衰落能力，同一码组里不同时隙中包含有不同的频率，为了提高抗干扰能力，任何两个码组的码距应该最大，即使用正交码，所谓正交码，就是指四个码组的任何两个发送波^)和S力)("'=1，2，3，4)满足FTSK具有良好的抗衰落能力，图4所示为瑞利衰落信道和高斯信道下，使用相干解调的2FTSK的平均误码率与平均信噪比的关系曲线，可见，瑞利信道条件下，FTSK较之FSK在抗噪声抗衰落性能上有明显改进。典型的系统具体实现方案如下1、FTSK调制串并变换串行数据变为两路并行数据；编码矩阵两路并行数据输入，以输入数据的四倍速率产生NC0频率控制信号，选择不同的组合方式。表格14FTSK调制方式下信号与频率对应关系<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>NC0:数控振荡器，由编码矩阵选择其频率跳动方式。2、FTSK解i周单边带解调后的数据分别送入四个带通滤波器，带通滤波器中心频率点分别位于H,f2,f3，f4上，对四个滤波器输出的信号分别进行包络检波，可以判决该频率输出点上是否有信号输出。根据包络检波的结果校准同步时钟，并根据同步时钟采样，对采样结果进行矩阵译码，分别计算各种组合发生的概率和结果，根据概率判决最终的报文数据。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法，其特征在于，包括以下步骤-(1)输入FTSK信号输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率为8k的信号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到lksps，即每时隙5采样点，并输入4路移位寄存器；(2)移位寄存器以采样点为单位进行移位，E0、El、E2、E3模块根据当前同步位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，计算完成后，四个能量值被输入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并判决信息符号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量值平均的比值"，"可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，《越大，说明噪声越小，同步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比值应为无穷大；(3)比较器判决输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13位巴克码进行相关，相关值被用来作为捕获判决的一个依据；当以采样点为移位单位时，有可能出现若干采样点位置上巴克码相关值相同的情况，此时取"最大的采样点为同步位置；当未捕获到同步时，假设每个采样点都是同步位置，并以该假定同步位置进行FTSK解调，求出和本地巴克码的相关值，当捕获到同步时，该相关值和"都会出现一个最大值=_Miy(五0,五l，五2，五3)_本发明的有益效果是，FTSK调制是短波中常用的通信手段，，一般采用使用正交码字矩阵对四进制数据进行映射，捕获的准确性对信息解调具有相当大的影响；本专利中，FTSK解调时对四个频率分量进行时频联合捕获，采用信息帧中的前导巴克码辅助进行正交捕获，将捕获判决移至Baker码相关后进行，可有效提高捕获的准确性。图l为传感器网络示意图，图2为系统上下行传输示意图，图3为4FTSK调制映射图，图4为相干解调的FTSK、FSK、TSK性能比较示意图，图5为FTSK调制框图，图6为FTSK解调原理实现框图，图7为4FTSK扩频捕获器结构框图，图8为4FTSK扩频跟踪器结构框图，图9为USCD算法和FTSK解调算法的误码率性能比较示意图。具体实施例方式FTSK调制使用正交码字矩阵对四进制数据进行映射，因此FTSK解调需要同时对四个频率分量进行时频联合捕获。为了提高捕获的准确性，我们使用FTSK帧的前导巴克码辅助进行正交捕获。FTSK捕获器结构如图7所示。输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率为8k的信号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到lksps，即每时隙5采样点，并输入4路移位寄存器；移位寄存器以采样点为单位进行移位；E0、El、E2、E3模块根据当前同步位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，即图中标注为0、1、2、3的移位寄存器相应时隙内采样点能量的和；计算完成后，四个能量值被输入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并判决信息符号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量值平均的比值"，"可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，"越大，说明噪声越小，同步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比值应为无穷大；比较器判决输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13位巴克码进行相关，相关值被用来作为捕获判决的一个依据。当以采样点为移位单位时，有可能出现若干采样点位置上巴克码相关值相同的情况，此时取a最大的采样点为同步位置。当未捕获到同步时，假设每个采样点都是同步位置，并以该假定同步位置进行FTSK解调，求出和本地巴克码的相关值，当捕获到同步时，该相关值和《都会出现一个最大值。—.Miy(E0,￡l,￡2，￡3)_"一Z(五0，五1,五2,五3)-M4Z(jE;0,五1,五2，五3)捕获到FTSK同步后，即可进行FTSK解码，但由于发射机和接收机晶振无法完全同步，因此必须进行同步跟踪以抵消晶振不同步造成的影响。跟踪的依据是"，图8所示为跟踪器结构。跟踪器对当前采样点前后^^2点范围内进行"的计算并取最大位置作为新同步位置，为了减小噪声对跟踪器的影响，我们采用多组内求平均的方式计算"值。为了比较USCD算法的性能，我们对其在高斯信道下的误码率性能作了仿真，图9所示为仿真结果，可见USCD算法比普通FTSK解调算法具有明显的误码率性能优势，这主要归功于采用巴克码辅助捕获同步之后，其捕获准确率和抗干扰性能大大提高，而FTSK解调性能的关键就在于同步捕获，因此USCD在同等信噪比情况下具有更低的误码率。表格2是对USCD算法和普通解调算法的天波测试对比结果，测试采用一致性良好的两台接收机，分别加载USCD算法和普通解调算法，并同时进行对比性接收测试，测试目的主要针对算法在衰落信道里的性能。由表可见，USCD算法在高斯信道和实际衰落信道中的性能都明显优于普通解调算法，采用USCD后，误码率可降低达50%。表格2:天波测试结果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求1.一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法，其特征在于，包括以下步骤(1)输入FTSK信号输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率为8k的信号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到1ksps，即每时隙5采样点，并输入4路移位寄存器；(2)移位寄存器以采样点为单位进行移位，E0、E1、E2、E3模块根据当前同步位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，计算完成后，四个能量值被输入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并判决信息符号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量值平均的比值α，α可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，α越大，说明噪声越小，同步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比值应为无穷大；(3)比较器判决输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13位巴克码进行相关，相关值被用来作为捕获判决的一个依据；当以采样点为移位单位时，有可能出现若干采样点位置上巴克码相关值相同的情况，此时取α最大的采样点为同步位置；当未捕获到同步时，假设每个采样点都是同步位置，并以该假定同步位置进行FTSK解调，求出和本地巴克码的相关值，当捕获到同步时，该相关值和α都会出现一个最大值全文摘要本发明公开了一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法，FTSK调制是短波中常用的通信手段，一般采用使用正交码字矩阵对四进制数据进行映射，捕获的准确性对信息解调具有相当大的影响；本发明中，FTSK解调时对四个频率分量进行时频联合捕获，采用信息帧中的前导巴克码辅助进行正交捕获，将捕获判决移至Baker码相关后进行，可有效提高捕获的准确性。文档编号H03M13/00GK101442384SQ20081006003公开日2009年5月27日申请日期2008年3月5日优先权日2008年3月5日发明者付耀先,何洪路申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心