一种用于认知水声通信的中继节点的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于认知水声通信的中继节点，包括水声换能器，与水声换能器相连接的第一电子开关，所述第一电子开关与接收滤波器或发送滤波器相连接；与接收滤波器相连接的第二电子开关，所述第二电子开关与宽频信号放大电路相连接，或者所述第二电子开关与信号处理电路和能量检测电路相连接；与信号处理电路相连接的海洋生物叫声识别电路；所述信号处理电路还与宽频信号放大电路相连接；所述宽频信号放大电路与发送滤波器相连接；分别与第一电子开关、第二电子开关、信号处理电路、海洋生物叫声识别电路、能量检测电路、宽频信号放大电路相连接的核心处理器。其具备频谱感知和协作中继功能，能够切换放大转发或解码转发两种中继放大方式。
【专利说明】
一种用于认知水声通信的中继节点
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种水声通信设备，特别是涉及一种用于认知水声通信的中继节点。
【背景技术】
[0002]在水声通信系统中，由于吸收、散射、反射、几何扩展等因素的作用，高频声波在水中的传播衰减非常大。研究表明，频率的变化与其声强的幅度衰减系数成指数关系。当发射的频率越高、传输距离越远时，则接收到的信号幅度也越小。水声通信的可利用频带非常有限，通常的水声通信频带覆盖低频段O?15kHz，中频段15?150kHz，高频段150?1500kHz，作用距离I?1km的系统通常使用上限10?10KHz的频率，这时系统多工作于浅海。远距离通信的首选频段是O?20kHz。此外，由于声波在水中的传播速度约为1500米/秒，仅为电磁波在空气中传播速度的二十万分之一，因此与陆地通信相比，水下的传播时延非常大。随着水声通信技术的进一步发展，人们对水下通信的需求日益增加，有限的通信频带必然会带来频谱资源紧张的问题。因此，如何合理分配水下的频谱资源、提高频谱利用率，就成为提高水声通信性能的关键问题。
[0003]认知无线电技术是近年来陆上无线通信研究中提出的一种智能通信新技术。它以动态频谱接入方式，使非授权频带用户(也称次用户)与授权频带用户(也称主用户)共享频谱资源，从而提高了频谱的利用率。认知通信的基本思想是让无线终端通过感知周围无线环境的历史和当前状况来调整自己的传输参数，使用最合适的无线资源(包括频率、调制方式、发射功率等)来完成无线传输，主要涉及频谱感知技术和频谱分析、决定、分配及移动等频谱资源管理等技术。由于认知无线电的思想能让无线终端高效地利用频谱资源、适应多变的无线环境，因此在频带有限、环境复杂的水下通信，特别是多用户、高速率的水下通信中具有很大的发展潜力。
[0004]目前的水声节点多用于水声传感、监控或军事通信，其工作频段往往固定，特定海域内的水声频段一旦被占用，将会对后续水声探测节点的布置与通信产生阻碍。同时，现有的水声节点在通信的同时，尚未考虑到对海洋生物的通信状态检测，可能对海洋生物的生存造成影响。目前为止，并未出现能够真正解决上述问题的水声通信设备。
【实用新型内容】
[0005]为了解决现有水声通信设备无法灵活接入通信频谱空洞，水下频谱资源利用率不高，水声通信过程可能对海洋生物的生存造成影响等问题，本实用新型提供了一种基于能量检测和海洋生物叫声识别技术，检测主用户通信，具备频谱感知和协作中继功能，能够切换放大转发或解码转发两种中继放大方式的认知水声通信中继节点。
[0006]为了解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是:一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于，包括:
[0007]用于发射和接收水声信号的水声换能器；
[0008]与水声换能器相连接，用于选择节点工作方式的第一电子开关，所述第一电子开关与接收滤波器或发送滤波器相连接；
[0009]与接收滤波器相连接，用于选择信号流向的第二电子开关，所述第二电子开关与宽频信号放大电路相连接，或者所述第二电子开关与信号处理电路和能量检测电路相连接；
[0010]与信号处理电路相连接的海洋生物叫声识别电路；
[0011]所述信号处理电路还与宽频信号放大电路相连接；
[0012]所述宽频信号放大电路与发送滤波器相连接；
[0013]分别与第一电子开关、第二电子开关、信号处理电路、海洋生物叫声识别电路、能量检测电路、宽频信号放大电路相连接的核心处理器。
[0014]进一步的技术方案为:
[0015]所述水声换能器为压电型换能器，工作频率范围为Ik?100kHz。
[0016]所述信号处理电路包括依次连接的模数转换器、快速傅里叶变换器，所述器件均由所述核心处理器控制。
[0017]所述信号处理电路还包括依次连接的解调器、解码器、编码器和调制器，所述器件均由所述核心处理器控制。
[0018]所述海洋生物叫声识别电路包括依次连接的音频指纹数据存储器和识别处理器，所述音频指纹数据存储器内存有鲸类、海豚、海豹及海狮的叫声特征数据，所述识别处理器运行时采用模式匹配算法。
[0019]所述核心处理器采用单片机MSP430F149芯片，使用3.3V直流电压供电。
[0020]所述宽频信号放大电路采用N通道、FET型、功率MOS管放大电信号。
[0021]本实用新型的有益效果是:使用能量检测和海洋生物叫声识别技术，检测主用户通信，具备频谱感知和协作中继功能，能够切换放大转发或解码转发两种中继放大方式的认知水声通信中继节点。能够使水声通信认知用户设备灵活地接入主用户的通信频谱空洞，提高水下频谱资源利用率，同时避免水声通信过程对海洋生物生存造成的影响。此外，通过协作中继技术，有效提升了认知水声节点的通信范围。
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型的结构不意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0024]如图1所示，一种用于认知水声通信的中继节点包括水声换能器I，核心处理器2，第一电子开关3，接收滤波器4，第二电子开关5，信号处理电路6，海洋生物叫声识别电路7，能量检测电路8，宽频信号放大电路9，发送滤波器10。所述水声换能器I为压电型换能器，谐振频率至少为IkHz,至多为10kHz;所述核心处理器2采用单片机MSP430F149芯片，使用
3.3V直流电压供电；所述宽频信号放大电路9采用N通道、FET型、功率MOS管放大电信号，型号为 IRFP460。
[0025]本中继节点在认知水声通信网中存在主用户感知和协作通信两种工作阶段，在协作通信阶段，可选择放大转发或解码转发两种中继放大方式。在中继节点运行前，需要对其能量检测门限值和编码、调制及中继放大方式等参数进行设置，并分配主用户感知阶段与协作通信阶段的具体时隙。
[0026]本装置的工作过程如下，当中继节点运行于主用户感知阶段时，核心处理器2控制第一电子开关3与接收滤波器4连通，控制第二电子开关5与信号处理电路6连通。待检测水声信号被水声换能器I接收，由声信号转换成电信号，经接收滤波器4滤除噪声后，被输入信号处理电路6和能量检测电路8。能量检测电路8分析计算出待检测电信号的能量值，与门限值进行比较，将检测结果送入核心处理器2。同时，信号处理电路6中的模数转换器在核心处理器2的控制下，将待检测电信号由模拟量转化为数字量，由快速傅里叶变换器进行时频变换后，分别输入海洋生物叫声识别电路7及核心处理器2。海洋生物叫声识别电路7中的识别处理器采用模式匹配算法，将待测数据与音频指纹数据存储器内的鲸类、海豚、海豹及海狮叫声特征数据进行比对，然后将检测结果送入核心处理器2。核心处理器2计算出检测水声信号的通信频带后，分析接收到的两个检测结果，若检测电信号的能量值超过所设门限值，或叫声特征数据匹配，则判断所在海域特定频段内，存在主用户通信。否则，则判断所在海域在该时隙内可以进行认知通信。之后，中继节点通过专有控制信道向水声认知用户报告判断结果。水声认知用户根据接收到的感知信息，控制中继节点在协作通信阶段时间内为运行或休眠状态。
[0027]当中继节点运行于协作通信阶段时，核心处理器2控制第一电子开关3与接收滤波器4连通。若采用放大转发的中继放大方式，核心处理器2控制第二电子开关5与宽频信号放大电路9连通。水声认知用户的通信信号被水声换能器I接收，由声信号转换成电信号，经接收滤波器4滤除噪声后，经宽频信号放大电路9处理获得功率增益。之后经发送滤波器10进行匹配滤波，同时核心处理器2控制第一电子开关3与发送滤波器10连通，放大后的信号由水声换能器I转换为声波发出，实现通信中继功能。若采用解码转发的中继放大方式，核心处理器2控制第二电子开关5与信号处理电路6连通。水声认知用户的通信信号被水声换能器I接收，由声信号转换成电信号，经接收滤波器4滤除噪声后，被输入信号处理电路6。在核心处理器2的控制下，信号处理电路6中的解调器、解码器、编码器和调制器对电信号进行解调解码，再编码调制。此时得到的电信号中，不含有未被接收滤波器4滤除的噪声。之后，该电信号经发送滤波器10进行匹配滤波，同时核心处理器2控制第一电子开关3与发送滤波器10连通，放大后的信号由水声换能器I转换为声波发出，实现通信中继功能。
[0028]本实用新型涉及的一种用于认知水声通信的中继节点，能够有效解决现有水声通信设备无法灵活接入通信频谱空洞，水下频谱资源利用率不高，水声通信过程可能对海洋生物的生存造成影响等问题。同时通过协作中继技术，有效提升了认知水声节点的通信范围。
[0029]以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于，包括: 用于发射和接收水声信号的水声换能器； 与水声换能器相连接，用于选择节点工作方式的第一电子开关，所述第一电子开关与接收滤波器或发送滤波器相连接； 与接收滤波器相连接，用于选择信号流向的第二电子开关，所述第二电子开关与宽频信号放大电路相连接，或者所述第二电子开关与信号处理电路和能量检测电路相连接； 与信号处理电路相连接的海洋生物叫声识别电路； 所述信号处理电路还与宽频信号放大电路相连接； 所述宽频信号放大电路与发送滤波器相连接； 分别与第一电子开关、第二电子开关、信号处理电路、海洋生物叫声识别电路、能量检测电路、宽频信号放大电路相连接的核心处理器。2.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述水声换能器为压电型换能器，工作频率范围为Ik?100kHz。3.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述信号处理电路包括依次连接的模数转换器、快速傅里叶变换器，所述器件均由所述核心处理器控制。4.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述信号处理电路还包括依次连接的解调器、解码器、编码器和调制器，所述器件均由所述核心处理器控制。5.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述海洋生物叫声识别电路包括依次连接的音频指纹数据存储器和识别处理器，所述音频指纹数据存储器内存有鲸类、海豚、海豹及海狮的叫声特征数据，所述识别处理器运行时采用模式匹配算法。6.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述核心处理器采用单片机MSP430F149芯片，使用3.3V直流电压供电。7.根据权利要求1所述的一种用于认知水声通信的中继节点，其特征在于:所述宽频信号放大电路采用N通道、FET型、功率MOS管放大电信号。
【文档编号】H04B13/02GK205566317SQ201620326938
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】龚润航, 高远, 朱昌平
【申请人】河海大学常州校区