专利名称：基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水声通信领域，具体涉及一种抗多普勒频移的多子带频率调制解调装置。
背景技术：
在无线通信系统中，当发送者或接收者在运动中通信时，接收者接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。多普勒频移严重影响着通信的质量。信号在传输的过程中发生多普勒频偏，在频域上就会产生显著的频移扩散，从而在时域上引起信号时间选择性衰落，造成接收和解调的错误。同时对于多载波系统来说，时间选择性衰落容易破坏子载波间的正交性，从而引起子载波间干扰和在信道跟踪时造成不准确。 多普勒频移是无线通信系统中普遍存在但又难以解决的问题，在水声通信中，同样存在着多普勒频偏，而且更为严重。表I是浅海水声信道和陆地GSM无线电信号的特性比较表I
参数GSM900信道浅海水声信道
载波频率900MHz5KHz-50KHz
信道带宽200KHzIOKHz
波速3 X IO-Vs1500m/s
发射、接收端相对移动速度50km/h10km/h
多普勒因子4. 6 X ICT8I. 85 X ICT3从上表看出，水声信道的带宽比无线电信道的带宽小得多，同时由于水声信道载波的速度远小于陆地无线电信道的电磁波速度，导致水声通信的多径时延和多普勒因子都与陆地无线电信道相差了多个数量级。另外水底环境的复杂性也加大了多普勒频偏问题。为了解决带宽问题，需要研究一种高效的通信模式，例如陆上的正交频分复用技术(OFDM)，但由于水声信道中的多普勒频偏问题更为严重，所以不能把陆上成熟的通信模式原封不动的移至水声通信中，必须加以改进或者提出更适合水声通信的方法。目前来说，水声通信很大一部分是采用改进的OFDM通信模式。OFDM作为一种高效的多载波通信模式，能很好的解决水声信道带宽资源紧缺的问题，但在水声信道中应用多载波系统，就必须解决多普勒频偏问题。最常用的改进方法就是进行多普勒频移补偿通过在每帧信号的始端和末端添加识别信息，在接收端就可以估计出接收信号的长度，而发射时一帧信号的长度是已知的，通过二者的对比可以得到该帧伸缩/扩展的情况，即其多普勒系数，最后通过时域插值对帧信号中每个子载波进行多普勒补偿。这种方法易于实现，结构简单，但对识别信息的要求较高。为了能准确的辨识出帧长度，识别信号必须满足大的时宽带宽乘积(简称BT)，而且必须采用对多普勒频移不敏感的信号(如线性调频信号)。但BT取得越大，也就意味着辨识信号的长度越长，必然会降低数据的传输效率。这两个因素相互制约，选择较好的多普勒补偿，就必然会牺牲传输的效率。本实用新型提出的调制方法能很好的解决这个问题，采用辅助导频的方法，既能提高多普勒系数估算的精度，又不会降低信号的传输速率。
实用新型内容本实用新型的目的是客服现有技术存在的上述不足，提出基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制装置，具有速率高、多普勒抗性强的特点。由于本实用新型利用了独立的辅助导频作多普勒频移估算，只需通过判断导频的频率即可得出多普勒因子，比传统方法更为准确，同时省去了帧首尾的识别信息，使传输效率最大化。本实用新型通过以下技术方案实现。 基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，包括发射装置和接收装置，所述发射装置包括顺次连接的编码映射单元、串并转换单元、载波调制单元、载波相加单元和多声纳发生器。工作流程为原始比特数据流直接输入编码映射单元，得到编码映射后的星座图，由编码映射单元输出到串并转换单元，串并转换单元将串行数据流转换为N-I个并行的数据流；串并转换单元与载波调制单元相连，载波调制单元将N-I个数据分别调制到N-I个子载波上，然后通过载波相加单元将N-I个子载波相加，组成一个符号载波，载波相加单元最后连接多声纳发生器，将信号转换为声波发出，同时另一个载波发生器也连接多声纳发生器，产生导频声波；所述接收装置包括顺次连接的声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元，声纳接收装置还与重采样单元连接。工作流程为声纳接收装置同时接收所有子载波和导频信号，并转换为电信号，与频率测量器连接；频率测量器检测出频率最低的载波，并测量其频率；重采样单元与频率测量器连接，并将频率测量器得到的数据转化为多普勒因子，对接收信号进行重采样；频率配对单元将重采样后的信号作频率配对后，输出到载波解调单元进行解调，得到N-I个并行数据流；接着将结果输入并串转换单元和编码解码单元，得到发送信息。上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置中，所述载波调制单元个数为一个以上，且每个载波调制单元均各自连接一个载波发生器，多声纳发生器也连接有一个载波发生器。上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置中，所述载波相加单元采用载波相加电路实现。上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置中，所述发射装置中的编码映射单元、串并转换单元、载波调制单元采用DSP芯片实现。上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置中，所述接收装置中的频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元采用DSP芯片实现。上述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置的调制方法包括如下步骤步骤I、将可利用的带宽非均匀或均匀的分成N个子载波，每个子载波的频率记为fk, k = 0,1,2-N-l即k为0 N-I中的整数；且按0至k的次序，&<&<... < fk, f0作为导频载波，对应的接收端接收到的子载波频率分别为4，fK1，步骤2、把要调制的比特数据按照采用的调制方式进行调制映射，将调制后的数据分成X组，每组包含N-I个比特，每一组数据记为符号Dxn，其中X代表符号数，n= 1,2,…N-I即n为I N-I中的整数，n代表每个符号内的比特信息；步骤3、把一个符号内的数据分别调制到除导频载波外的子载波 fk上，从到fk共有N-I个载波，恰好对应一个符号的比特数，即Dxl调制到f\，Dx2调制到f2，依次类推，Dxfrl)调制到L，由于子载波是并行存在的，所以此时有N-I个同步的载波调制系统，最后把调制后的N-I个载波相加，得到符号载波S (t)；步骤4、将导频载波与符号载波同时发送，并且在整个通信过程中保持导频载波的持续发送。上述调制方法中，其特征在于符号载波S (t)表达式为
S(0 = Rej^ F[dt ■ Rect{t -Ts- —)] ej2nf'{t~Ts) +ej27rfoit^H ⑴，
[i = l 2其中Ts < t < Ts+T, Ts为符号的开始时间，T为一个符号的时长，
T
di Rectit -Ts——)表示要发送的数据，当Cii = I时表示时长等于T的矩形信号，Cii
=0则表示幅度为0的矩形波，F[g]表示调制映射方式，(卜表示频率为fi的子载
波，则表示导频载波，从式中得出，一个调制符号是N-I个信息调制载波和导频载波组成。上述调制方法中，接收端接收到的每一个符号信号都含有导频载波；接收到的所有载波中导频载波的频率是最低的，在调制过程中，导频载波的发射维持在整个通信的过程，即导频载波的时长为整个通信时间。上述调制方法中，导频载波频率的选定由载波可用频率范围B和信道的最大多普勒因子确定，多普勒因子定义为
K _ Ir- fSA = ^^⑵，
Js其中fK是发射频率&经过多普勒频移后的接收频率，多普勒因子也与收发端的相对运动速度V有关
权利要求1.基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，包括发射装置和接收装置，其特征在于，所述发射装置包括顺次连接的编码映射单元、串并转换单元、载波调制单元、载波相加单元和多声纳发生器；原始比特数据流直接输入编码映射单元，得到编码映射后的星座图，由编码映射单元输出到串并转换单元，串并转换单元将串行数据流转换为N-I个并行的数据流；串并转换单元与载波调制单元相连，载波调制单元将N-I个数据分别调制到N-I个子载波上，然后通过载波相加单元将N-I个子载波相加，组成一个符号载波，载波相加单元最后连接多声纳发生器，将信号转换为声波发出，同时另一个载波发生器也连接多声纳发生器，产生导频声波； 所述接收装置包括顺次连接的声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元，声纳接收装置还与重采样单元连接；声纳接收装置同时接收所有子载波和导频信号，并转换为电信号，与频率测量器连接；频率测 量器检测出频率最低的载波，并测量其频率；重采样单元与频率测量器连接，并将频率测量器得到的数据转化为多普勒因子，对接收信号进行重采样；频率配对单元将重采样后的信号作频率配对后，输出到载波解调单元进行解调，得到N-I个并行数据流；接着将结果输入并串转换单元和编码解码单元，得到发送信息。
2.根据权利要求I所述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，其特征在于所述载波调制单元个数为一个以上，且每个载波调制单元均各自连接一个载波发生器，多声纳发生器也连接有一个载波发生器。
3.根据权利要求I所述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，其特征在于所述载波相加单元采用载波相加电路实现。
4.根据权利要求I所述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，其特征在于所述发射装置中的编码映射单元、串并转换单元、载波调制单元采用DSP芯片实现。
5.根据权利要求I所述基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，其特征在于所述接收装置中的频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元采用DSP芯片实现。
专利摘要本实用新型公开了基于辅助导频的多子带水声抗多普勒调制解调装置，所述调制解调装置包括发射装置和接收装置，发射装置包括编码映射单元、串并转换单元、载波相加单元、多声纳发生器、若干载波发生器和若干载波调制单元；接收装置包括声纳接收装置、频率测量器、重采样单元、频率配对单元、载波解调单元、并串转换单元和编码解码单元；本装置利用了独立的辅助导频作多普勒频移估算，只需通过判断导频的频率即可得出多普勒因子，比传统方法更为准确，同时省去了帧首尾的识别信息，使传输效率最大化。该装置结构简单，只需简单的电路和算法就可实现，部分电路可采用传统调制方法的电路，成本低，具有速率高、多普勒抗性强的特点。
文档编号H04L27/26GK202513951SQ20122006695
公开日2012年10月31日 申请日期2012年2月27日 优先权日2012年2月27日
发明者宁更新, 樊国勇, 韦岗 申请人:华南理工大学