专利名称：分组多用户水声通信Modem的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是水声通信领域，更确切地说，涉及一种分组多用户水声通信Modem,适用于对通信速率较高、稳健性较强的水声通信环境中。
背景技术：
近年来随着人类海洋活动的增加，海洋资源勘探、水下作业、海洋环境检测等领域均对数据传输与通信有着很强的需求，而水下无缆信息交互是依靠水声通信的，所以水声通信技术逐渐成为了研究热点，而水声通信Modem的研制成为该领域的重要目标之一。多载波频移键控(MFSK)是一种非相干调制技术，其将并行信息调制在不同载波后并行进行传输，可有效提高系统的通信速率。相比于相干调制解调技术，MFSK调制解调器在接收端不需要进行载波同步，在时变性较强的水声信道中通信时，可避免载波同步困难的难题。同时MFSK调制解调技术属于宽带系统，在频域为梳状滤波器的水声信道中进行传输时，可以从频域抵抗多途效应。采用MFSK调制解调技术可以大大简化通信接收机的复杂度。直接序列扩频技术利用伪随机序列的相关特性，可有效降低噪声影响以及其他用户干扰，因此直接序列扩频通信系统既有较强的抗干扰能力，可以在低信噪比下稳健工作。另外基于伪随机序列可实现码分多址，在无线电通信中具有广泛的应用。本实用新型基于MFSK调制技术结合直接序列扩频技术，并在将二者有机结合的基础上研制了分组多用户水声通信Modem。
发明内容鉴于此，本实用新型公开了分组多用户水声通信Modem，其发送端依次由接口电路
(101)，内部控制单元(102),DS-MFSK调制器(103)，多PN序列同步信号生成器(104)，延时叠加器(105)，功率放大器(106)，收发合置换能器(107)组成；接收端依次由收发合置换能器(107)，信号调理器(108)，多PN序列同步器(109)，DS-MFSK解调器(110)，内部控制器
(102)，接口电路(101)组成，其中发送端与接收端共用接口电路(101)，内部控制器(102)，收发合置换能器(107)。本实用新型所公开的分组多用户水声通信Modem其发送端的工作过程为:由接口电路(101)从上位机或者是存储单元获得待发信息，内部控制器(102)根据预设通信模式与用户组别控制多PN序列同步信号生成器(104)产生同步信号，控制DS-MFSK调制器将待发信息调制成待发信号，延时叠加器(105)将同步信号与待发信息信号延时叠加顺序发送至功率放大器(106)，功率放大器(106)将输入信号放大驱动收发合置换能器(107)将信号辐射至水中。本实用新型所公开的分组多用户水声通信Modem其接收端的工作过程为:首先由收发合置换能器(107)接收水中声信号将其转化为电信号送入信号调理器(108)，信号调理器(108)将输入信号滤波放大同时送入多PN序列同步器(109)与DS-MFSK解调器(110)，多PN序列同步器(109)检测同步信号输出帧信号同步时基以及多普勒系数至DS-MFSK解调器(110)、输出通信模式以及鉴别的用户编号至内部控制器(102) ,DS-MFSK解调器(110)根据多PN序列同步器(109)提供的同步时基与多普勒系数对信号调理器(108)输出信号进行解调，并将解调后的信息送入接口电路(101)。本实用新型所公开的分组多用户水声通信Modem具有实现简单、稳健性较高，可实现较高速水声通信以及多用户通信的优点，具体来说:第一、利用多伪随机序列同步器快速实现帧同步同时完成用户组别、通信模式鉴定以及多普勒系数估计。第二、利用DS-MFSK调制解调器可实现MFSK信号的快速解调，同时可支持多用户通信。由此可见，本实用新型设计新颖、技术含量高、易于实现且成本较低，非常适合于海洋资源勘探、水下作业、海洋环境监测等对水声通信有需求的领域的工程应用。
为了使本实用新型的内容更利于相关专业技术人员理解，下面对附图进行简单说明。图1为本实用新型所述的分组多用户水声通信Modem结构框图。图2为本实用新型所述的分组多用户水声通信Modem发射端电路结构图。图3为本实用新型所述的分组多用户水声通信Modem功率放大器功率放大电路原理图。图4为本实用新型所述的分组多用户水声通信Modem接收信号调理电路连接框图具体实施方式
以下结合附图和本实用新型一种较佳的具体实施例对本实用新型作进一步说明。作为本实用新型的一种较佳实施例，选择系统的工作频带为20 40KHz，将系统频带分为4个，各个频带均采用DS-4FSK调制方式，同步信号的PN序列阶数由整个系统用户数量决定，在此PN序列采用7阶平衡Gold序列。作为本实用新型的一种较佳实施例，收发合置换能器(107)参数如下:频率20kHz 40kHz，最大发射声源级190dB，最大发射电压不小于300V ;电声转换效率不低于70%,接收灵敏度_180dB，动态范围不小于60dB，最大工作水深600m。作为本实用新型的一种较佳实施例，功率放大器(106)采用D类功放来实现，同时输出驱动信号采用PWM形式，所有量化后的信号可存在于FLASH中选择发射。电路连接形式如图2所示，PWM信号源直接由FPGA(201)产生，输出LVTTL电平信号，驱动电路(202)采用MIC4422或IR2110来实现，功放电路(203)采用D类放大电路、推挽式结构，电路的基本形式图3所示，匹配电路(204)根据换能器参数决定。作为本实用新型的一种较佳实施例，多PN序列同步信号生成器(104)与多PN序列同步器(109)采用3条PN序列，其中前两条序列用来进行帧同步、用户鉴别以及多普勒估计，最后一条序列进行通信模式约定。多PN序列同步信号生成器(104)产生信号结构如图4所示。[0023]作为本实用新型的一种较佳实施例，DS-MFSK调制器(103)将整个系统带宽分为4频带，每个频带采用4FSK调制方式，则相邻载波之间的频点间隔为1250Hz，符号持续时间保证FFT测频精度为频点间隔的0.5倍，此时有1/T = 625Hz，对应的T = 1.6ms。采用7阶平衡Gold序列对4FSK调制后的信号进行加扰处理。在每个信息码之后加上一段空白冗余来抵消码元截取的误差。在此拟定空白冗余为0.4ms。作为本实用新型的一种较佳实施例，DS-MFSK解调器(110)根据多PN序列同步器提供的信号起始时刻依次截取信息码元，首先对截取的码元进行解扩处理，对解扩后的信号做FFT运算，截取系统频带范围内的频谱窗。在频谱窗内从低频带开始向高频带逐个频带、逐个频点进行软判决，实现信息的快速解调。作为本实用新型的一种较佳施例，在实际应用中，每帧信号携带的符号数由内部控制器(102)根据信道实际情况适时的调整，一般浅海信道的相干时间为ls，拟定帧长度在Is以内。每个码元的持续时间为符号持续时间加上0.4ms的空白冗余约为2ms。以帧长度为Is计算，每帧同步信号20ms，保护间隔50ms，相邻帧之间的保护间隔为50ms，则信息码元持续时间为880ms,携带的码元数量为880/2 = 440。作为本实用新型的一种较佳实施例，信号调理器(108)依次由前置放大电路(401)、滤波电路(402)、可控增益放大电路(403)、自动限幅电路(404)、增益控制器(405)组成，其中前置放大电路(401)和滤波电路(402)实现固定增益的放大倍数，可控增益放大电路(403)、自动限幅电路(404)、增益控制器(405)共同实现动态增益控制以适应水声信道的时变起伏。作为本实用新型的一种较佳实施例，同步信号与帧信号之间的保护间隔、同步信号中PN序列之间的保护间隔主要由水声多途信道最大有效时延扩展决定:浅海多途信道最大时延扩展一般在数十毫秒的量级，因此拟定帧保护间隔为50ms。作为本实用新型的一种较佳实施例，发射端工作流程如下:发送端由接口电路(101)从上位机或者是存储单元获得待发信息，内部控制器(102)根据预设通信模式与用户组别控制多PN序列同步信号生成器(104)产生同步信号，控制DS-MFSK调制器(103)将待发信息调制成待发信号，延时叠加器(105)将同步信号与待发信息信号延时叠加顺序发送至功率放大器(106)，功率放大器(106)将输入信号放大驱动收发合置换能器(107)将信号辐射至水中。作为本实用新型的一种较佳实施例，接收端工作流程如下:首先由收发合置换能器(107)接收水中声信号将其转化为电信号送入信号调理器(108)，信号调理器(108)将输入信号滤波放大同时送入多PN序列同步器(109)与DS-MFSK解调器(110)，多PN序列同步器(109)检测同步信号输出帧信号同步时基以及多普勒系数至DS-MFSK解调器(110)、输出通信模式以及鉴别的用户编号至内部控制器(102)，DS-MFSK解调器(110)根据多PN序列同步器(109)提供的同步时基与多普勒系数对信号调理器(108)输出信号进行解调，并将解调后的信息送入接口电路(101)。以上所述仅为本实用新型的一种较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本实用新型的专利保护范围，因此凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所做的等同结构变化，同理均应包含在实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种分组多用户水声通信Modem，其特征在于发送端依次由接口电路(101)，内部控制单元(102) ,DS-MFSK调制器(103)，多PN序列同步信号生成器(104)，延时叠加器(105)，功率放大器(106)，收发合置换能器(107)组成；接收端依次由收发合置换能器(107)，信号调理器(108)，多PN序列同步器(109)，DS-MFSK解调器(110)，内部控制器(102)，接口电路(101)组成。
2.如权利要求1所述的分组多用户水声通信Modem，其特征在于发送端与接收端共用接口电路(101)，内部控制器(102)，收发合置换能器(107)。
3.如权利要求1所述的分组多用户水声通信Modem，其特征在于发送端由接口电路(101)从上位机或者是存储单元获得待发信息，内部控制器(102)根据预设通信模式与用户组别控制多PN序列同步信号生成器(104)产生同步信号，控制DS-MFSK调制器(103)将待发信息调制成待发信号，延时叠加器(105)将同步信号与待发信息信号延时叠加顺序发送至功率放大器(106)，功率放大器(106)将输入信号放大驱动收发合置换能器(107)将信号辐射至水中。
4.如权利要求1所述的分组多用户水声通信Modem，其特征在于接收端由收发合置换能器(107)接收水中声信号将其转化为电信号送入信号调理器(108)，信号调理器(108)将输入信号滤波放大同时送入多PN序列同步器(109)与DS-MFSK解调器(110)，多PN序列同步器(109)检测同步信号输出帧信号同步时基以及多普勒系数至DS-MFSK解调器(110)、输出通信模式以及鉴别的用户编号至内部控制器(102)，DS-MFSK解调器(110)根据多PN序列同步器(109)提供的同步时基与多普勒系数对信号调理器(108)输出信号进行解调，并将解调后的信息送入接口电路(101)。
专利摘要本实用新型公开一种分组多用户水声通信Modem，属于水声通信技术领域。具体来说该结构是基于MFSK调制解调提出一种采用直接序列扩频加扰实现多用户通信的水声通信Modem。其特征在于Modem发送端由收发合置换能器、功率放大器、同步信号产生器、通信信号产生器组成；其特征在于接收端与发送端共用收发合置换能器，接收端另外包括双伪随机序列同步器、DS-MFSK解调器组成；其特征在于Modem还包括接口电路等功能模块。实际调试结果验证了该Modem的有效性与稳健性。从实现难度、成本等方面考虑，该Modem可有效的应用于实际工程环境。
文档编号H04B13/02GK202979011SQ20122045527
公开日2013年6月5日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者张晓 , 殷敬伟, 曲海峰 申请人:北京引创科技有限责任公司