专利名称：一种蛙人用便携式水声通信设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于便携式通信声纳设备领域，特别涉及一种利用混沌调频调相序列 进行分组M元扩频多用户通信的通信调制与解调方法的声纳设备与方法。本实用新型主要 用于水下潜水作业蛙人的中近程实时通信中。
背景技术：
蛙人在进行潜水作业时，常用的通信方式主要有两种一种是手语，但是这种方 式由于水下可视范围小，通信的距离有限；另一种是有线方式，而因为线缆的限制，一方面 通信距离有限，另一方面也会影响蛙人作业。因此，蛙人需要一种无线通信方式，来满足水 下通信的问题。因为声波是水下唯一能够远程传播的媒介，所以通信声纳是解决蛙人通信 问题的一种有效方式。然而普通通信声纳由于尺寸较大，并不适于蛙人携带。而一些美国 专利(Earl Kent Hunter，etc.，Diver communication system, P3789353 ；Ivan Gardos, etc. ， Integrated diver face mask and ultrasound underwater voice communication apparatus,P5136555)采用的超声波单边带通信方式，其通信距离与通信带宽均有限，且无 法满足多用户同时通信的要求。本实用新型利用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用 户通信，所设计的便携式水声通信声纳设备，不仅能够满足蛙人与水面基地、蛙人与蛙人之 间实时通信的要求，而且能够满足多用户同时通信的要求。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是提供一种蛙人用便携式水声通信设备与方法，利 用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用户通信，来满足水下蛙人中近程实时通信的便 携式通信声纳设备与方法。本实用新型通过双脉冲检测、用户标识与同步方法和基于混沌 调频调相序列的分组M元扩频调制与多用户检测解调方法，来完成蛙人之间和蛙人与水面 基地之间的中近程双向半双工实时语音与报文通信。为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下技术方案一种蛙人用便携式水声 通信设备，包括数据输入装置、通信发射装置、通信接收装置、数据输出装置及与各装置相 连接的电源与接口装置，其中所述数据输入装置采集语音信号，语音信号经压缩编码后发 送至通信发射装置，通信发射装置将接受到的信号转换成声信号发送到水声信道中，水声 信道中的声信号被通信接受装置采集后，转化成电信号发送至数据输出装置，数据输出装 置将电信号转化处理后通过耳机播放。作为本实用新型所述蛙人用便携式水声通信设备的一种优选方案，其中所述数据输入装置包括麦克风，音频编码器与控制模块，所述音频编码器将麦克 风采集的语音信号进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置，所述控制模块通 过旋钮设置指令控制通信发射装置；所述通信发射装置包括参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混 沌序列发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模块，匹配网络与功率放大器以及收发共置换能器；其中，所述参数选择器根据控制模块提供 的指令，选择与发射信息类别相匹配的频段和数据率，分别提供给用户映射器和数据编码 器；所述用户映射器根据参数选择器提供的参数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌 映射器以及混沌序列发生器；所述数据编码器根据参数选择器提供的参数对控制模块提供 的消息指令或者音频编码器提供的语音数据进行信源编码与信道编码；所述数据分组器将 数据编码器发送的数据流进行分组，并发送至混沌调制器；所述混沌序列发生器根据用户 映射器提供的参数通过混沌映射方程产生由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映 射器和同步脉冲发生器；所述混沌映射器根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生 器所产生的混沌序列进行映射生成相互正交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序 列映射分组，并将这些分组发送至混沌调制器；所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混 沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据 分组器提供的数据分组调制成发射数据块，并发送至波形发生器；同步脉冲发生器根据混 沌序列发生器提供的用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同 步双脉冲，并发送至波形发生器；波形发生器将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲 发生器提供的同步双脉冲进行组合生成最终的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模 块；所述发射转换与控制模块将通信发射信号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发 射信号与发射参数送至匹配网络与功率放大器；所述匹配网络与功率放大器由发射转换与 控制模块驱动进行模拟发射信号的功率放大和匹配；所述收发共置换能器位于圆柱状细长 水密罐上部，在匹配网络与功率放大器的驱动下，将模拟发射信号转换成声信号发送到水 声信道中；所述通信接收装置包括收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同步 检测器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据解 码器；其中，所述收发共置换能器负责采集水声数据，进行声电转换发送至前置滤波与放大 器；所述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大，送至模/数转换器；所述模/ 数转换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测器；所述混沌序列发生器通过 混沌映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并发送至副本生成器和同步脉冲 发生器；所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线 性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副本，并发送至同步检测器；所述 同步检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲副本进行通信信号检测，如果检 测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并将对应用户标识发送至副本生成 器；所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混沌解调器；所述副本生成器根据 混沌序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户标识，生成对应多用户分组M元 扩频副本集合，送至混沌解调器；所述混沌解调器根据信道均衡器提供的数据与副本生成 器提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列的相关解调，生成解调数据并 发送至数据解码器；所述数据解码器将解调数据进行解码生成接收信息，发送至数据输出 装置；所述数据输出装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机，所述用户判 别器判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给消 息映射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放；所述音频解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播 放。作为本实用新型所述蛙人用便携式水声通信设备的一种优选方案，其中所述通 信发射装置与通信接收装置共用混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器。作为本实用新型所述蛙人用便携式水声通信设备的一种优选方案，其中设备主 体由细长水密罐，蛙人面罩与蛙人腰带三部分组成，三部分通过线缆连接，所述耳机与麦克 风安装在蛙人面罩上，所述控制模块设置在蛙人腰带上，所述电源与接口模块设置在细长 水密罐上，所述收发共置换能器设置在细长水密罐的顶部。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1、本实用新型利用由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成的同步双脉冲，可以 同时解决多用户水下通信的信号检测、用户标识与粗同步问题，利用双脉冲组合既保证了 信号检测的实时性，又保证了多用户标识与同步的准确性2、本实用新型利用混沌调频调相扩频信号进行多用户分组M元扩频通信，因为各 混沌调频调相扩频信号之间相互正交且可并发信号数目多，可以有效地减少多用户通信时 同时解调的互干扰影响，可以有效地提高多用户水声通信的通信效率与性能。3、本实用新型的设备可以与现有蛙人装备相结合，便于蛙人携带。4、本实用新型的设备也适于水下无人潜器编队使用。5、本实用新型的部分技术不仅适用于水声通信中，还适用于无线电通信和光纤通 信中。
图1表示蛙人用便携式水声通信设备示意图。图2表示蛙人用便携式水声通信系统框图。图3表示蛙人用便携式水声通信系统发射脉冲示意图。图4表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列时序图。图5表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列自相关图。图6表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列互相关图。图7表示一维混沌序列直接映射示意图。图8表示双脉冲用户检测与粗同步方法的流程框图。图9表示多用户分组M元扩频解调方法的流程框图。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例对本实用新型作进一步地描述。其中图1中包括了蛙 人面罩1、麦克风2、耳机3、线缆4、数据接口模块5、圆柱状细长水密罐6、收发共置换能器 7、电池与电源管理模块8、电子段9、蛙人腰带10、控制模块11。实施例1本实施例提供的水下中近程实时通信的蛙人用便携式水声通信设备如图1所示， 设备主体由圆柱状细长水密罐6，蛙人面罩1与蛙人腰带10三部分组成。按功能划分可以 分成数据输出装置、数据输入装置、通信发射装置、通信接收装置、电源与接口装置五个部分。其中，前四个部分的功能框图如图2所示。本实施例将描述蛙人通过本实用新型设备 与水面基地进行报文通信的过程。所述数据输入装置包括麦克风，音频编码器与控制模块。所述麦克风安装于蛙人 面罩下部如图1所示，采集蛙人语音数据；所述音频编码器在圆柱状细长水密罐内部，将麦 克风采集的进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置；所述控制模块安装于蛙 人腰带上，通过旋钮设置指令控制通信发射设备。所述通信发射装置包括参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混 沌序列发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模 块，匹配网络与功率放大器以及收发共置换能器。其中混沌序列发生器，同步脉冲发生器以 及收发共置换能器与通信接收装置共用。除收发共置换能器外，其它模块均在圆柱状细长 水密罐内部。所述参数选择器根据控制模块提供的指令，选择与发射信息类别相匹配的频段和 数据率，分别提供给用户映射器和数据编码器。所述用户映射器根据参数选择器提供的参 数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌映射器以及混沌序列发生器。所述数据编码器 根据参数选择器提供的参数对控制模块提供的消息指令或者音频编码器提供的语音数据 进行信源编码与信道编码。所述数据分组器将数据编码器发送的数据流进行分组，并发送 至混沌调制器。所述混沌序列发生器根据用户映射器提供的参数通过混沌映射方程产生 由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映射器和同步脉冲发生器。所述混沌映射器 根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生器所产生的混沌序列进行映射生成相互正 交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并将这些分组发送至混沌调制 器。所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映 射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据分组器提供的数据分组调制成发射数据块，并 发送至波形发生器。同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的用户同步混沌序列，生成 由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同步双脉冲，并发送至波形发生器。波形发生器 将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲发生器提供的同步双脉冲进行组合生成最终 的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模块。所述发射转换与控制模块将通信发射信 号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发射信号与发射参数送至匹配网络与功率放大 器。所述匹配网络与功率放大器由发射转换与控制模块驱动进行模拟发射信号的功率放大 和匹配。所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，在匹配网络与功率放大器的驱 动下，将模拟发射电信号转换成声信号发送到水声信道中。所述通信接收装置包括收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同 步检测器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据 解码器。其中混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器与通信发射装置共用。 除收发共置换能器外，其它模块均在圆柱状细长水密罐内部。所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，负责采集水声数据，进行声电 转换发送至前置滤波与放大器。所述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大， 送至模/数转换器。所述模/数转换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测 器。所述混沌序列发生器通过混沌映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并 发送至副本生成器和同步脉冲发生器。所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副 本，并发送至同步检测器。所述同步检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲 副本进行通信信号检测，如果检测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并 将对应用户标识发送至副本生成器。所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混 沌解调器。所述副本生成器根据混沌序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户 标识，生成对应多用户分组M元扩频副本集合，送至混沌解调器。所述混沌解调器根据信道 均衡器提供的数据与副本生成器提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列 的相关解调，生成解调数据并发送至数据解码器。所述数据解码器将解调数据进行解码生 成接收信息，发送至数据输出装置。所述数据输出装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机。所述用户 判别器判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给 消息映射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放；所 述音频解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播 放；所述耳机安装于蛙人面罩两侧如图1所示，播放装置接收到的信息。除收耳机外，其它 模块均在圆柱状细长水密罐内部。所述电源与接口装置包括电池与电源管理模块，数据接口模块。所述电池与电源 管理模块，在圆柱状细长水密罐内部，负责整个设备的供电。所述数据接口模块，位于圆柱 状细长水密罐两端，通过位于两端盖上的水密接插件，使位于水密罐外部的收发共置换能 器、耳机、麦克风、控制模块连接至水密罐内部。本实施例提供的蛙人用便携式水声通信方法，包括数据输入过程、通信发射过程 和通信接收过程、数据输出过程，其中所述通信发射过程包括如下步骤1)根据由控制模块获得的用户信息，确定发射的各项参数；2)将待发送的通信编码数据分成K个码元一组的数据块；3)按照一定的混沌映射关系得到混沌序列，形成混沌调频值序列映射分组和混沌 调相值序列映射分组，并根据数据块所含信息从分组中选择相应的混沌调频值序列和混沌 调相值序列组合； 4)通过混沌调频值序列和混沌调相值序列组合生成混沌调频调相扩频信号集合， 将所述混沌调频调相扩频信号集合中所有混沌调频调相扩频信号叠加成一组并发混沌调 频调相扩频信号，P组并发混沌调频调相扩频信号组成一个混沌调频调相扩频序列；5)根据用户信息生成同步双脉冲，并同混沌调频调相扩频序列进行组合，最后进 行发射；所述通信接收过程包括如下步骤6)对接收到的数据，通过多用户同步双脉冲副本，进行双脉冲用户检测与粗同步；7)再对检测到的用户接收数据进行信道均衡与细同步；8)然后通过与多用户分组M元扩频副本集合进行副本相关，检测与判决，并根据 混沌映射关系恢复编码信息；9)对编码信息进行解码，由用户判别器与消息映射器将解码信息转换后由耳机播 放。[0048]上述技术方案中，所述步骤1)中，用户通过控制模块设置发送给水面基地的报文 信息，报文信息如表1所示，反映蛙人在水下的基本工作状态。所述发射的各项参数是指发 射频段为IOkHz 15kHz，传输数据率为20bps、用户标识(1 255)等。由于蛙人与水面 基地之间的报文通信的特点是通信距离远通信速率低，所以采用低频段和窄带宽。表1报文表
权利要求1. 一种蛙人用便携式水声通信设备，包括数据输入装置、通信发射装置、通信接收装 置、数据输出装置及与各装置相连接的电源与接口装置，其特征在于所述数据输入装置采 集语音信号，语音信号经压缩编码后发送至通信发射装置，通信发射装置将接受到的信号 转换成声信号发送到水声信道中，水声信道中的声信号被通信接受装置采集后，转化成电 信号发送至数据输出装置，数据输出装置将电信号转化处理后通过耳机播放；所述数据输入装置包括麦克风，音频编码器与控制模块，所述音频编码器将麦克风采 集的语音信号进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置，所述控制模块通过旋 钮设置指令控制通信发射装置；所述通信发射装置包括参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混沌序列 发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模块，匹 配网络与功率放大器以及收发共置换能器；其中，所述参数选择器根据控制模块提供的指 令，选择与发射信息类别相匹配的频段和数据率，分别提供给用户映射器和数据编码器；所 述用户映射器根据参数选择器提供的参数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌映射 器以及混沌序列发生器；所述数据编码器根据参数选择器提供的参数对控制模块提供的消 息指令或者音频编码器提供的语音数据进行信源编码与信道编码；所述数据分组器将数据 编码器发送的数据流进行分组，并发送至混沌调制器；所述混沌序列发生器根据用户映射 器提供的参数通过混沌映射方程产生由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映射器 和同步脉冲发生器；所述混沌映射器根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生器所产 生的混沌序列进行映射生成相互正交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射 分组，并将这些分组发送至混沌调制器；所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混沌调频 值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据分组器 提供的数据分组调制成发射数据块，并发送至波形发生器；同步脉冲发生器根据混沌序列 发生器提供的用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同步双脉 冲，并发送至波形发生器；波形发生器将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲发生器 提供的同步双脉冲进行组合生成最终的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模块；所 述发射转换与控制模块将通信发射信号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发射信号 与发射参数送至匹配网络与功率放大器；所述匹配网络与功率放大器由发射转换与控制模 块驱动进行模拟发射信号的功率放大和匹配；所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐 上部，在匹配网络与功率放大器的驱动下，将模拟发射信号转换成声信号发送到水声信道 中；所述通信接收装置包括收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同步检测 器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据解码器； 其中，所述收发共置换能器负责采集水声数据，进行声电转换发送至前置滤波与放大器；所 述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大，送至模/数转换器；所述模/数转 换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测器；所述混沌序列发生器通过混沌 映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并发送至副本生成器和同步脉冲发生 器；所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线性调 频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副本，并发送至同步检测器；所述同步 检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲副本进行通信信号检测，如果检测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并将对应用户标识发送至副本生成器； 所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混沌解调器；所述副本生成器根据混沌 序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户标识，生成对应多用户分组M元扩 频副本集合，送至混沌解调器；所述混沌解调器根据信道均衡器提供的数据与副本生成器 提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列的相关解调，生成解调数据并发 送至数据解码器；所述数据解码器将解调数据进行解码生成接收信息，发送至数据输出装 置；所述数据输出装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机，所述用户判别器 判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给消息映 射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放；所述音频 解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播放。
2.根据权利要求1所述的蛙人用便携式水声通信设备，其特征在于所述通信发射装 置与通信接收装置共用混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器。
3.根据权利要求1所述的蛙人用便携式水声通信设备，其特征在于设备主体由细长 水密罐，蛙人面罩与蛙人腰带三部分组成，三部分通过线缆连接，所述耳机与麦克风安装在 蛙人面罩上，所述控制模块设置在蛙人腰带上，所述电源与接口模块设置在细长水密罐上， 所述收发共置换能器设置在细长水密罐的顶部。
专利摘要本实用新型公开了一种蛙人用便携式水声通信设备，本实用新型利用由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成的同步双脉冲，可以同时解决多用户水下通信的信号检测、用户标识与粗同步问题，利用双脉冲组合既保证了信号检测的实时性，又保证了多用户标识与同步的准确性，利用混沌调频调相扩频信号进行多用户分组M元扩频通信，因为各混沌调频调相扩频信号之间相互正交且可并发信号数目多，可以有效地减少多用户通信时同时解调的互干扰影响，可以有效地提高多用户水声通信的通信效率与性能。本实用新型的设备便于蛙人携带。
文档编号H04B13/02GK201846340SQ201020553818
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月9日 优先权日2010年10月9日
发明者李宇, 王静, 黄海宁 申请人:苏州桑泰海洋仪器研发有限责任公司