专利名称：一种载波频率可配置的移频键控调制方法及其应用结构的制作方法
技术领域：
本发明属于水声通信领域，尤其是一种载波频率可配置的移频键控调制方法及其应用结构。
背景技术：
实际水声信道非常复杂，它存在着水面和水底两个界面。由于温度、盐度和静压力的影响，水中不同深度声速是不同的，存在着声速垂直分布，会使声波产生折射。上下边界的反射和在水中的折射使得实际水声信道不是单途径信道而是多径信道。为了降低多径干扰的影响，通常采用非相干检测方法。移频键控通信方式可以采用非相干检测方法实现。因此，移频键控在水声通信中得到了广泛的应用。 对于传统的应用于水声通信中的移频键控通信方式，载波频率是不能进行配置的，这对适应不同海洋环境下复杂多变的水声信道造成了很大的局限性。水下的声传播主要由传播损失、噪声及信道的时变和空变性决定。传播损失、噪声和信道的特性受信道所处的环境和位置影响比较大。比如，近岸地区与深海地区的声传播特性和信道特性差异就非常大。水声通信链路依据距离可分为五类超长、长、中等、短、极短程信道。对一个工作距离在IO-IOOkm的长程系统言，带宽限制在几kHz内。中等距离(I-IOkm)系统的带宽在数十KHz的量级上。只有在距离小于IOOm的条件下，才可以获得多于IOOkHz的带宽。考虑水声信道这些复杂多变的情况和特性，本移频键控调制方法的载波频率值可配置。可根据信道的具体情况进行调整，以适应信道的特性。在水声信道中通信所面临的另外一个问题是当要传输的信息量较大时，需要提高系统的传输速率。提高传输速率的常见方法是采用多进制移频键控(MFSK)方式，即以一个频率码元代表多位二进制代码的信息，如4fsk，8fsk，16fsk等。本移频键控调制方法可以设置载波频率的数目，配置移频键控方式为2fsk、4fsk、8fsk、16fsk不同方式，根据实际环境灵活调整移频键控方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种载波频率值和载波频率数目都可以进行配置，性能稳定、精度高、频率转换速度快、频率改变时相位输出连续，抗干扰性能力强的移频键控调制方法及其应用结构。本发明所采用的技术方案为一种载波频率可配置的移频键控调制方法，所述的方法为单片机向频率寄存器组写入设定的频率控制字；基带信号控制多选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到同步寄存器的输入端；根据基带信号控制数据选择器选择端数目的不同，实现不同的载波频率数目和移频键控调制。具体的说，本发明所述的基带信号由至少4根信号线组成，连接到多选一数据选择器的控制端，实现2fsk, 4fsk, 8fsk, 16fsk或2Nfsk不同方式的移频键控。为了可以满足大部分实际水下环境的需要，本发明所述的移频键控调制方法设置载波频率值的范围为lOOHz-lOOKHz，频率步进100Hz。
本发明所述的单片机向频率控制字寄存器组设置的频率控制字由基带信号控制输出到多选一数据选择器输出端后，所输出的载波频率控制字信号输入至同步寄存器内，时钟处理单元的输入端接外部时钟信号、输出端分别接同步寄存器和相位累加单元，外部时钟信号经时钟处理单元处理后得到系统时钟并提供给同步寄存器和相位累加单元，当系统时钟每发送一个时钟脉冲，相位累加单元就将载波频率控制字数据与累加相位数据进行相加，使相位累加单元在每一个系统时钟脉冲输入时，把载波频率控制字数据累加，相位累加单元输出的数据为合成正弦载波信号的相位数据，该正弦载波相位数据经正弦ROM查找表将得到正弦载波幅值数据，正弦载波幅值数据连接到输出使能控制单元，信息发送方可通过设置“移频键控信号输出使能”控制端，将正弦载波幅值数据允许输出或禁止输出，输出的正弦载波幅值数据连接到D/A转换并通过低通滤波电路，得到移频键控载波输出。同时，本发明提供了一种载波频率可配置的移频键控调制方法的应用结构，包括同步寄存器、相位累加单元、正弦ROM查找表、输出使能控制单元、D/A转换、低通滤波器、时钟处理单元、频率控制字寄存器组、多选一数据选择器、单片机及其附属电路；所述的同步寄存器的输出端通过相位累加单元和正弦ROM查找表经输出使能控制单元接D/A转换的输入端，D/A转换输出经低通滤波得到载波频率值和载波频率数目都可以进行配置的FSK信号；时钟处理单元的输入端接外部时钟信号、输出端分别接同步寄存器和相位累加单元。为了实现低功耗、高性能等特点，本发明所述的频率控制字寄存器组、多选一数据选择器、同步寄存器、相位累加单元、正弦ROM查找表、输出使能控制单元、时钟处理单元放在一片FPGA中。本发明所述的时钟处理单元包括锁相环倍频单元和分频处理单元，锁相环倍频单元的输入端接外部时钟信号、输出端接分频处理单元；外部输入的时钟通过锁相环倍频单元进行倍频处理和分频处理单元进行分频处理；分频处理单元输出端分别接同步寄存器和相位寄存器的时钟端，给同步寄存器和相位寄存器提供系统时钟脉冲信号。本发明所述的相位累加单元包括加法器和相位寄存器，加法器的输入端接同步寄存器、输出端接相位寄存器，且相位寄存器的数据反馈端接加法器。这样，相位累加单元在 调制器系统时钟作用下，不断对载波频率控制字数据进行线性相位累加，以得到正弦载波的相位数据，再经正弦ROM查找表将得到正弦载波幅值数据。本发明的有益效果是使得载波频率值可配置，可根据信道的具体情况进行调整，以适应信道的特性；并且本方法性能稳定、精度高、频率转换速度快、频率改变时相位输出连续、抗干扰能力强。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图I是本发明的原理框图；图2是本发明的应用系统框图；图3是本发明其中一个实施例4fsk信号的仿真波形图。
具体实施例方式现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。见图I所示，FSK调制器开始工作之前，单片机先向频率控制字寄存器组写入频率控制字。基带信号由4根信号线(s4，s3, s2, Si)组成，连接到多选一数据选择器的控制端，可实现2fsk, 4fsk, 8fsk, 16fsk不同方式的移频键控。当需要提供16fsk方式的移频键控时，基带信号s4，s3, s2, si都对数据选择器进行控制，s4, s3, s2, si所对应0000-1111共16种状态，可控制频率控制子I到频率控制子16被选择到输出〗而，输出的频率控制子接到冋步寄存器等后续单元，最后在D/A转换输出端得到对应频率的移频键控信号输出，所对应的载波频率有16种，因此所实现的移频键控为16fsk;当需要提供Sfsk方式的移频键控时，基带信号s4被置为0，s3, s2, si对数据选择器进行控制，s3，s2, si所对应000-111共8种状态，可控制频率控制字I到频率控制字8被选择到输出端，输出的频率控制字接到同步寄存器等后续单元，最后在D/A转换输出端得到对应频率的移频键控信号输出，所对应的载波频率有8种，所实现的移频键控为8fsk;当需要提供4fsk方 式的移频键控时，基带信号s4，s3被置为0，s2，si对数据选择器进行控制，s2, si所对应00-11共4种状态，可控制频率控制字I到频率控制字4被选择到输出端，输出的频率控制字接到同步寄存器等后续单元，最后在D/A转换输出端得到对应频率的移频键控信号输出，所对应的载波频率有4种，所实现的移频键控为4fsk;当需要提供2fsk方式的移频键控时，基带信号s4，s3, s2被置为0，Si对数据选择器进行控制，s I所对应0和I共2种状态，可控制频率控制字I到频率控制字2被选择到输出端，输出的频率控制字接到同步寄存器等后续单元，最后在D/A转换输出端得到对应频率的移频键控信号输出，所对应的载波频率有2种，所实现的移频键控为2fsk;通过上述过程可完成对载波频率数目的配置，根据不同的环境和信道条件采用适合的移频键控方式。考虑水声信道的复杂性，如果载波频率值可以根据信道的具体情况进行配置和调整，就可以更好地适应信道的特性。考虑水声信道的实际情况，本移频键控调制方法设置载波频率值的范围为lOOHz-lOOKHz，频率步进100Hz。以上频率范围和频率步进的参数可以满足大部分实际水下环境的需要。设K为频率控制字，系统时钟fe=6. 5536MHz (从32. 768MHz晶体振荡器在FPGA内部经过时钟处理单元5分频处理得到)，根据频率步进A/ = A- = IOOHz ，得到N=16，即相位累加器字长为16。
2输出频率=^rK(Hz)。考虑所设置载波频率值的范围为lOOHz-lOOKHz，则频
2
率控制字取值范围为I1000。通过设置不同的频率控制字即可得到不同的载波频率值。单片机向频率控制字寄存器组设置的频率控制字由基带信号控制输出到多选一数据选择器输出端后，所输出的载波频率控制字信号输入至同步寄存器内，时钟处理单元的输入端接外部时钟信号、输出端分别接同步寄存器和相位累加单元，外部时钟信号经时钟处理单元处理后得到系统时钟并提供给同步寄存器和相位累加单元，当系统时钟每发送一个时钟脉冲，相位累加单元就将载波频率控制字数据与累加相位数据进行相加，使相位累加单元在每一个系统时钟脉冲输入时，把载波频率控制字数据累加，相位累加单元输出的数据为合成正弦载波信号的相位数据，该正弦载波相位数据经正弦ROM查找表将得到正弦载波幅值数据，正弦载波幅值数据连接到输出使能控制单元，信息发送方可通过设置“移频键 控信号输出使能”控制端，将正弦载波幅值数据允许输出或禁止输出，输出的正弦载波幅值数据连接到D/A转换并通过低通滤波电路，得到移频键控载波输出。本发明的同步寄存器、相位累加单元、正弦ROM查找表、输出使能控制单元、时钟处理单元、频率控制字寄存器组、多选一数据选择器可放在一片FPGA中，FPGA可采用Altera公司Cyclone系列的EP3C10E144,该器件内嵌存储器，时钟管理方便，具有低功耗、高性能和低成本等特点。见图I所示，本发明的时钟处理单元包括锁相环倍频单元和分频处理单元，锁相环倍频单元的输入端接外部时钟信号、输出端接分频处理单元。外部输入的时钟通过锁相环倍频单元进行倍频处理和分频处理单元进行分频处理，得到调制器内部的系统时钟，分频处理单元输出端分别接同步寄存器和相位寄存器的时钟端，给同步寄存器和相位寄存器提供系统时钟脉冲信号。例如，选择外部时钟为32. 768MHz晶体振荡器，锁相环倍频单元进行I倍频，分频处理单元进行5分频，得到系统时钟频率为6. 5536MHz ;而对于外部时钟为32. 768MHz晶体振荡器，锁相环倍频单元进行16倍频，分频处理单元进行125分频，得到系统时钟频率为4. 194304MHz o见图I所示，本发明的相位累加单元包括加法器和相位寄存器，加法器的输入端接同步寄存器、输出端接相位寄存器，且相位寄存器的数据反馈端接加法器，因此当调制器系统时钟每发送一个时钟脉冲信号，累加器就将载波频率控制字数据与相位寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后数据的结果再送至相位寄存器的数据输入端，相位寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到累加器的输入端，以使累加器在下一个时钟脉冲的作用下继续与载波频率控制字数据相加。这样，相位累加单元在调制器系统时钟作用下，不断对载波频率控制字数据进行线性相位累加，以得到正弦载波的相位数据，再经正弦ROM查找表将得到正弦载波幅值数据。见图I所示，单片机通过键盘接受设置者的输入，得到当前移频键控调制方式和相应载波频率控制字的值，显示单元可进行显示以辅助设置者进行参数输入与修改等设置，相应的参数被存入单片机内部的E2PR0M以便开机可以自动加载。单片机通过地址、数据及控制总线向FPGA中的频率控制字寄存器组写入相应的频率控制字。单片机提供“寄存器组设置完成指示”信号给信息发送方，当该信号为低电平时，指示频率控制字寄存器组已经设置完成，可以进行通信；该信号为高电平时，指示频率控制字寄存器组尚未设置完成，不能进行通信。见图2所示，本发明的FSK调制器接收外部载波频率控制字/信号、外部时钟信号以及基带信号，输出载波频率值和载波频率数目都可以进行配置的移频键控调制信号。图3为4fsk信号的仿真波形图。移频键控调制信号经过滤波与放大电路接入到水声换能器，即可将已调频移键控(FSK)信号发送到水声信道传输。以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式
，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式
做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。
权利要求
1.一种载波频率可配置的移频键控调制方法，其特征在于所述的方法为单片机向频率寄存器组写入设定的频率控制字；基带信号控制多选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到同步寄存器的输入端；根据基带信号控制数据选择器选择端数目的不同，实现不同的载波频率数目和移频键控调制。
2.如权利要求I所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法，其特征在于所述的基带信号由至少4根信号线组成，连接到多选一数据选择器的控制端，实现2fsk, 4fsk, 8fsk, 16fsk或2Nfsk不同方式的移频键控。
3.如权利要求I所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法，其特征在于所述的移频键控调制方法设置载波频率值的范围为ΙΟΟΗζ-ΙΟΟΚΗζ，频率步进100Hz。
4.如权利要求I所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法，其特征在于所述的单片机向频率控制字寄存器组设置的频率控制字由基带信号控制输出到多选一数据选择器输出端后，所输出的载波频率控制字信号输入至同步寄存器内，时钟处理单元的输入端接外部时钟信号、输出端分别接同步寄存器和相位累加单元，外部时钟信号经时钟处理单元处理后得到系统时钟并提供给同步寄存器和相位累加单元，当系统时钟每发送一个时钟脉冲，相位累加单元就将载波频率控制字数据与累加相位数据进行相加，使相位累加单元在每一个系统时钟脉冲输入时，把载波频率控制字数据累加，相位累加单元输出的数据为合成正弦载波信号的相位数据，该正弦载波相位数据经正弦ROM查找表将得到正弦载波幅值数据，正弦载波幅值数据连接到输出使能控制单元，信息发送方可通过设置“移频键控信号输出使能”控制端，将正弦载波幅值数据允许输出或禁止输出，输出的正弦载波幅值数据连接到D/A转换并通过低通滤波电路，得到移频键控载波输出。
5.一种如权利要求I所述的载波频率可配置的移频键控调制方法的应用结构，其特征在于包括同步寄存器、相位累加单元、正弦ROM查找表、输出使能控制单元、D/A转换、低通滤波器、时钟处理单元、频率控制字寄存器组、多选一数据选择器、单片机及其附属电路；所述的同步寄存器的输出端通过相位累加单元和正弦ROM查找表经输出使能控制单元接D/A转换的输入端，D/A转换输出经低通滤波得到载波频率值和载波频率数目都可以进行配置的FSK信号；时钟处理单元的输入端接外部时钟信号、输出端分别接同步寄存器和相位累加单元。
6.如权利要求5所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法的应用结构，其特征在于所述的频率控制字寄存器组、多选一数据选择器、同步寄存器、相位累加单元、正弦ROM查找表、输出使能控制单元、时钟处理单元放在一片FPGA中。
7.如权利要求5所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法的应用结构，其特征在于时钟处理单元包括锁相环倍频单元和分频处理单元，锁相环倍频单元的输入端接外部时钟信号、输出端接分频处理单元；外部输入的时钟通过锁相环倍频单元进行倍频处理和分频处理单元进行分频处理；分频处理单元输出端分别接同步寄存器和相位寄存器的时钟端，给同步寄存器和相位寄存器提供系统时钟脉冲信号。
8.如权利要求5所述的一种载波频率可配置的移频键控调制方法的应用结构，其特征在于相位累加单元包括加法器和相位寄存器，加法器的输入端接同步寄存器、输出端接相位寄存器，且相位寄存器的数据反馈端接加法器。
全文摘要
本发明涉及一种载波频率可配置的移频键控调制方法及其应用结构，单片机向频率寄存器组写入设定的频率控制字；基带信号控制多选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到同步寄存器的输入端；根据基带信号控制数据选择器选择端数目的不同，实现不同的载波频率数目和移频键控调制。本发明使得载波频率值可配置，可根据信道的具体情况进行调整，以适应信道的特性；并且本方法性能稳定、精度高、频率转换速度快、频率改变时相位输出连续、抗干扰能力强。
文档编号H04L27/12GK102664846SQ20121014741
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者乔宏哲, 刘翠梅, 王艳, 陶国正 申请人:常州机电职业技术学院