本发明涉及水声通信技术领域，尤其是一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法。
背景技术：
随着水下传感器技术和现代通信技术的发展，人类对海洋等水下空间环境的应用需求不断提高，越来越多的国家开始重视水声传感网络的研究。水声传感网络以声通信的方式进行信息交互，为保证数据稳定、实时的传输，亟需设计一种体积小、成本低、功耗低和可靠性高的水声调制解调器。
在现有技术中检索发现，中国专利申请号为201620077806.5，名称为：一种自发电的水声调制解调器，该发明利用海洋能发电模块进行电能的补充。上述水声调制解调器侧重于发电模块的设计，并假设水声换能器一直处于信息收发状态，增加了网络能耗。在实际水下环境中，水声调制解调器供电模块能量有限，且不易更换，如何在保证水声通信质量的前提下，对换能器设计相应的切换机制，以降低网络能耗，显得尤为重要。
再有，中国专利申请号为201220371949.9，名称为：一种水下调制解调器。该发明采用正交相移扩频通信技术，调制方案为绝对相移键控，解调时采用相干解调方案。受水下环境噪声以及水下沉积物等复杂环境影响，相干解调方案在载波恢复时候易出现相位模糊现象，导致解调判断错误。上述不足阻碍了信息在水下环境中的有效传输，进而降低了数据传输的实时性与有效性。
又经检索发现，中国专利申请号为201110224601.7，名称为：一种无线和水声通信浮标，该发明以数字信号处理芯片作为信号处理核心，提供了一种性能可靠、操作简单、维护管理智能化程度高，可用于水声传感网络的水声调制解调器载体。但该发明设备体积重量大、非模块化设计、整体结构复杂、功耗高，进而降低了水声调制解调器的可移植性与使用寿命，使其容易在工作过程中因电量衰竭而死亡，难以满足大规模组网的需求。
因此，如何在水下弱通信环境中考虑不同通信介质，利用模块化方法设计一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的低成本、低功耗的具有收发模式切换能力的水声调制解调器显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法，所述水声调制解调器具有收发一体与收发分置切换能力、功耗低、效率高以及价格低廉等特点。
为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器，以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、usb接口和供电模块；
所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；发送数据时，在微控制器中，可变编码器调用相应的编码算法将水下搜集的信息进行信源编码，调制器再调用数字调制算法将编码后的信号进行数字调制，然后波形成型器调用波形成型算法将调制后的信号转换为模拟信号，并输送到发送端信号放大电路；发送端信号放大电路用于接收微控制器模拟信号，并完成信号放大；发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；
所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路顺次连接；接收数据时，接收换能器将水声信号转换成模拟信号输入给接收端一级信号放大电路，接收端一级信号放大电路完成信号放大，并将放大的信号输送给带通滤波电路；带通滤波电路对接收的一级放大信号进行带通滤波，然后将信号输入给接收端二级信号放大电路；接收端二级信号放大电路再对接收的信号进行信号放大以及实现信号的电平转换并输送到微控制器中；在微控制器中，首先调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，解调器再调用数字解调算法进行判决和数字解调，解码器最后调用解码算法完成信道译码；
所述usb接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；
所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作；
所述模式切换器提供了收发分置和收发一体两种模式，当处于收发分置模式时，发送换能器和接收换能器分别为独立的换能器，当处于收发一体模式时，发送换能器和接收换能器为同一个换能器，即发送信息时称为发送换能器而接收信息时称为接收换能器，在这两种模式中，模式切换器的工作机制均相同；
所述模式切换器是由两个整流管、两个功率电阻和两个开关管组成；第一整流管与第二整流管反向并联后的一端接发射端电路，另一端接发射换能器和第一功率电阻的一端；第一开关管与第二开关管反向并联后的一端接地，另一端连接第一功率电阻的另一端和第二功率电阻的一端，第二功率电阻的另一端连接接收换能器和接收端电路。
所述一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器的调制方法，其内容包括以下步骤：
步骤1、模式切换器可自动对模式进行感知，再根据自身的固有阈值与发送信号或者接收换能器采集的信号进行比较，确定所述水声调制解调器的收发状态，从而选择信息传输方向；
步骤2、当所述水声调制解调器为发射状态时，调用调制算法对传输信号进行调制，并通过发射端信号放大电路发射出去；
当发射信号时，微控制器依据用户的不同请求调用相应的码制进行适应的编码，把字符信号转化为二进制信号；然后打包成数据帧，形成有效的基带数字信号m(t)：
⑴式中，t为时间，概率p为随机值，随信号的不同而不同；相移键控调制是利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息的一种调制形式；具体调制为：
输入串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的序列an和bn，再由电平转换g(t)发生双极性二电平脉冲信号i(t)和q(t)，映射规则为“1”→“+1”，“0”→“-1”。然后对cosωct和sinωct进行调制，得到正交相移键控信号；完成正交相移键控调制后将两路信号相加，进行差分相移键控调制，即用前后码元的相位差来表示数字信息，调制出最后的信息s(t)；
在调制过程中，i(t)、q(t)支路的脉冲成型方式一样，其中，i(t)支路的信号可以表示为：
⑵式中，
其中，s(t)调制信号可以表示为：
⑶式中，g(t)为信号包络波形，为矩形波，幅度为1；ts为时间宽度；ωc为载波角频率；
⑷式中，
由⑷式可知正交相移键控的功率谱主瓣窄，频带利用率较高；
信号调制完后进入到发送端信号放大电路；其为二级信号放大电路；第一级放大电路，采用共集电极放大方式，完整索取信号电压，避免信号传输的失真；第二级放大电路，采用的放大方式也是共集电极方式，此放大方式输出电阻小，处在输出级几乎可以把全部的电压加载在发射换能器上，驱动发射换能器利用超声波把信号从模拟信号转换为水声信号送出去；
步骤3、当所述水声调制解调器为接收状态时，利用接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路，实现信号的放大、滤波和电平转换并输送到微控制器中，最后微控制器调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，进行判决解调和数字解调以及完成信道译码；其具体内容为：
当所述水声调制解调器在接收信号时，接收换能器利用超声波在晶体薄片两端产生的电压，形成微弱的模拟电信号，完成水声信号到模拟电信号的转换，并把微弱的模拟信号送入到接收端一级信号放大电路，将信号电流进行放大；在水声信道中，环境复杂，噪音众多，换能器转换回来的模拟电信号的频率不一，在微控制器将其解调和解码之前，所述水声调制解调器对一级放大信后进行带通滤波，以提取有效的频率信号，消除信号中不必要的毛刺，降低信息传输的误码率；带通滤波后，信号经过接收端二级信号放大电路，完成电压被稳定放大和电流相应减小的调整，方便微控制器完好的采集信号；
微控制器采集的接收信号为正交相移键控信号码元r(t)：
r(t)与两路正交相干的载波相乘分别输出为：
其中
按照
步骤4、如果需要继续进行数据传输，重新执行步骤1进行模式感知；当需要usb接口传输时，微控制器便将内存信息转移到usb接口等待usb接口的传输，与计算机交互信息；如果不需要，则使所述水声调制解调器进入休眠状态，等待下一次数据传输唤醒设备，本次数据传输结束；当需要水声传输时重复步骤2～3。
与现有水声调制解调器相比，本发明提供的一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法具有以下有益效果：
1.本发明采用收发分置和收发一体两种调制解调模式，可以依据信息传输、功耗和寿命时间等要求配置其收发模式，不仅减少故障的产生，降低了维护和制造等成本，还充分发挥了其本身的硬件效率；
2.本发明利用可变编码的方法对信息进行了映射，简单快速地实现了信息的编码，实现了水声信息的稳健传输；
3.本发明采用正交差分相移键控的调制解调方式，可靠性强；理论成熟，易于实现；
4.相比传统的调制解调器，本发明降低了硬件的使用，如在发射端只用到了发送端信号放大电路，省去了避免噪声干扰而设计的滤波电路，此外，本发明的数模转换模块和模数转换模块均集成在微控制器中，不仅节约了成本，还极大降低了功耗。
本发明以微处理器为核心，融合了正交差分相移键控技术，实现了收发一体与收发分置的切换。
附图说明
图1为本发明基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器结构示意图；
图2为本发明基于正交差分相移键控调的模式切换器结构示意图；
图3为本发明基于正交差分相移键控调制技术的调制解调整体流程框图；
图4本为发明基于正交差分相移键控调制技术的调制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
本发明的一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器，如图1所示，该水声调制解调器以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、usb接口和供电模块；
所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；发送数据时，在微控制器中，可变编码器调用相应的编码算法将水下搜集的信息进行信源编码，调制器再调用特定的数字调制算法将编码后的信号进行数字调制，然后波形成型器调用相应的波形成型算法将调制后的信号转换为模拟信号，并输送到发送端信号放大电路；发送端信号放大电路用于接收微控制器模拟信号，并完成信号放大；发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；
所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路顺次连接；接收数据时，接收换能器将水声信号转换成模拟信号输入给接收端一级信号放大电路，接收端一级信号放大电路完成信号放大，并将放大的信号输送给带通滤波电路；带通滤波电路对接收的一级放大信号进行带通滤波，然后将信号输入给接收端二级信号放大电路；接收端二级信号放大电路再对接收的信号进行信号放大以及实现信号的电平转换并输送到微控制器中；在微控制器中，首先调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，解调器再调用特定的数字解调算法进行判决和数字解调，解码器最后调用相应的解码算法完成信道译码；
所述usb接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；
所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作；
所述模式切换器提供了收发分置和收发一体两种模式，当处于收发分置模式时，发送换能器和接收换能器分别为独立的换能器，当处于收发一体模式时，发送换能器和接收换能器为同一个换能器，即发送信息时称为发送换能器而接收信息时称为接收换能器，在这两种模式中，模式切换器的工作机制均相同；
所述模式切换器，如图2所示，它是由两个整流管、两个功率电阻和两个开关管组成；第一整流管1与第二整流管2反向并联后的一端接发射端电路，另一端接发射换能器和第一功率电阻3的一端；第一开关管5与第二开关管6反向并联后的一端接地，另一端连接第一功率电阻3的另一端和第二功率电阻4的一端，第二功率电阻4的另一端连接接收换能器和接收端电路。
如图3所示为本发明的工作流程图，将本发明水声调制解调器置于水中，可进行水下声通信，其调制方法包括以下步骤：
步骤1、模式切换器可自动对模式进行感知，再根据自身的固有阈值与发送信号或者接收换能器采集的信号进行比较，确定所述水声调制解调器的收发状态，从而选择信息传输方向；
所述选择信息传输方向，其具体过程如下：
当发射端发射信号，即发送模式时，信号流过发射端信号经放大电路后，遇到的是两个反向并联的整流管，由于信号电压远大于第一整流管的正向导通电压，信号能够不失真地穿过模式切换器的第一整流管，信号在第一功率电阻的抬升之下驱动发射换能器将信息发送到水声信道中；由于第一功率电阻的隔离，流过发射换能器信号为已被放大的电压信号，所以，当它经过第一功率电阻到达第一开关管后被立即导通，致使信号电压直接接地不能流入接收换能器和接收端电路，流经发射换能器信号电压信号不仅能够驱动发射换能器，有效保护接收端电路，而且避免了换能器的自身干扰，降低了水声调制解调器的误码率；当接收换能器接收信号时，因为第二功率电阻的隔离，产生的电流小，开关管和整流管都不能导通，所以不能驱动发射换能器，却可以很好的进入接收端电路进行解调。
步骤2、当所述水声调制解调器为发射状态时，调用调制算法对传输信号进行调制，并通过发射端信号放大电路发射出去；
发送数据时，微控制器调用相应的算法将水下搜集的信息进行信源编码和数字调制，然后将数字信号转换为模拟信号输出微控制器；而发射部分的硬件由发送端信号放大电路和发射换能器组成，发送端信号放大电路用于接收微控制器输出的模拟信号，完成信号的放大，发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；
由于通信系统的质量，与所采用的调制解调方式关系密切，调制使信号与信道特性相匹配，因此，根据水声传感网络的信道特性，使用正交差分相移键控调制作为本发明的调制解调方案。
当发射信号时，微控制器可以依据用户的不同请求调用相应的码制进行适应的编码，把字符信号转化为二进制信号；然后打包成数据帧，形成有效的基带数字信号m(t)：
式中，t为时间，概率p为随机值，随信号的不同而不同；本发明的相移键控调制是利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息的一种调制形式；具体调制为：
如图4所示为本发明的调制原理框图，输入串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的序列an和bn，再由电平转换g(t)发生双极性二电平脉冲信号i(t)和q(t)，映射规则为“1”→“+1”，“0”→“-1”。然后对cosωct和sinωct进行调制，得到正交相移键控信号；完成正交相移键控调制后将两路信号相加，进行下一步的差分相移键控调制，即用前后码元的相位差来表示数字信息，调制出最后的信息s(t)；
在调制过程中，i(t)、q(t)支路的脉冲成型方式一样，其中，i(t)支路的信号可以表示为
其中，
s(t)调制信号可以表示为
式中，
式中，
信号调制完后进入到发送端信号放大电路；其为二级信号放大电路；第一级放大电路，采用共集电极放大方式，完整索取信号电压，避免信号传输的失真；第二级放大电路，采用的放大方式也是共集电极方式，此放大方式输出电阻小，处在输出级几乎可以把全部的电压加载在发射换能器上，驱动发射换能器利用超声波把信号从模拟信号转换为水声信号送出去。
步骤3、当所述水声调制解调器为接收状态时，利用接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路和解调算法完成信号的接收与处理；其具体内容为：
在接收数据时，因为接收部分的硬件由接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路组成，接收换能器将水声信号转换成接收端一级信号放大电路中的模拟信号，接收端一级信号放大电路完成模拟信号的放大，之后带通滤波电路实现接收端一级信号放大电路放大信号的带通滤波，而接收端二级信号放大电路与带通滤波电路连接，实现信号的电平转换并输送到微控制器中，最后微控制器调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，进行判决解调和数字解调以及完成信道译码；
当所述水声调制解调器在接收信号时，接收换能器利用超声波在晶体薄片两端产生的电压，形成微弱的模拟电信号，完成水声信号到模拟电信号的转换，并把微弱的模拟信号送入到接收端一级信号放大电路，将信号电流进行放大；在水声信道中，环境复杂，噪音众多，换能器转换回来的模拟电信号的频率不一，在微控制器将其解调和解码之前，本发明对一级放大信后进行带通滤波，以提取有效的频率信号，消除信号中不必要的毛刺，降低信息传输的误码率；带通滤波后，信号经过接收端二级信号放大电路，完成电压被稳定放大和电流相应减小的调整，方便微控制器完好的采集信号；
所述解调算法，与正交差分相移键控调制对应，本发明的解调方案采用相干解调加逆码变换技术；相干解调的步骤为：用两路正交的相干载波分离出两路正交的基带信号，两路基带信号判决后就得到i(t)、q(t)两路的码元，经过逆码变换和并串转换，作为串行数据输出；相干解调的具体实现为：
首先接收信号经过带通滤波后，输入到解调器的正交相移键控信号码元r(t)为：
r(t)与两路正交相干的载波相乘分别输出为：
每个支路都有两项，其中
低通滤波器的输出为
按照
绝对码以数据帧的形式进入到数据缓冲区中缓存；解码器再对可变编码表进行查表还原出字符的ascii码，进一步还原字符，恢复原本信息；
步骤4、解调完数据后，当不需要传输数据时，所述水声调制解调器将信息储存起来并处于休眠状态，等待主机的下一步唤醒；若需要发送信息时，所述水声调制解调器会进行发送模式选择；本发明提供两种发送模式选择：水声传输和usb接口传输；当需要水声传输时重复步骤1～3；当需要usb接口传输时，微控制器便将内存信息转移到usb接口等待usb接口的传输，进行与计算机的信息交互。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。