一种水声通信方法及其装置

本发明涉及一种水声通讯的方法，特别涉及一种simo水声信道中多节点进行数据通讯的方法。

背景技术：

在海水中由于电磁波和光波在水中传播的吸收和衰减十分严重，声波目前成为水中传播的主要方式，声波在海水中传播会因多种因素而有较大的衰减，且水声信道复杂多变，具有多普勒频移效应。水声通信中，由于水面和水底对声波的反射和折射的影响，往往引起接收端的多径效应。另外在实现高速通讯时，有限的信道带宽和信号的多途传输会引起非常严重的码间干扰，造成接收数据的严重误码。往往同一声源发出的声波，由于受海水的温度、盐度、深度的影响，声信道的时变性、空变性，使得水声信息都比无线电信道复杂。

针对水声通讯中存在的诸多影响因素，前人利用多种扩频调制技术来解决水声通信的问题。何成兵等人(基于索引调制的单载波高速扩频水声通讯方法zl202010882994)提出了一种基于索引调制的单载波高速扩频的水声通信方法来提高dsss系统的数据速率问题，但是当外部干扰的强度超过了系统的干扰容限时，系统的性能将会急剧下降。申晓红等人(一种移动水声通讯方法zl2017107935278)提出了基于frft的ofdm水声移动通信系统，利用pei采样型算法作为离散分数阶傅里叶变换算法，降低了利用frft对子载波进行调制解调过程中发射机和接收机的复杂度，另外在接收端增加了阶次扫描迭代搜索算法模块，应对水声移动通信中多普勒频移问题。但是该方法一方面在信号编码中采用bpsk的数字调制方式，在高速传输的水声通讯中往往存在传输效率慢和频谱利用率低的影响，特别在单输入多输出的(singleinputmultipleoutput，simo)水声环境中通过分数阶傅里叶变换进行子载波解调过程往往造成系统开销较大，无法满足实时通讯需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种水声通信方法及其装置，旨在解决水声信号在海洋传播时受到环境复杂性以及多径效应的影响的技术问题。

一方面，提供一种水声通信方法，该方法的通信传输中的数据包帧结构包括：前导码、同步码和数据码；所述前导码与所述同步码之间设置有保护间隔；所述前导码作为接收端判断有用信号的到来和准备接收数据的依据；所述同步码采用与所述数据码具有相同调频率不同中心频率的线性调频信号，作为有用信号到达时间t0和分数域中接收信号的最佳阶次的同步检测信号；所述数据码包括调制到所述线性调频信号上的多种不同类型数字信息；

所述方法包括下述步骤：

s1.发射端对数据源进行信道编码和数字调制后得到所述数据码；在所述数据码前插入所述前导码、所述同步码和所述保护间隔后得到所述数据包；调制到具有正交特性的载波频率的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中；

s2.接收端对接收到的水声信号进行反相调制得到所述数据包；对所述数据包进行分解后基于所述前导码进行有用信号的采集保存；去保护间隔后，根据所述同步码分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；依据所述最佳阶数对所述数据码进行解调得到数据输出。

另一方面，本发明还提供一种水声通信装置，该装置的通信传输中的数据包帧结构包括：前导码、同步码和数据码；所述前导码与所述同步码之间设置有保护间隔；所述前导码作为接收端判断有用信号的到来和准备接收数据的依据；所述同步码采用与所述数据码具有相同调频率不同中心频率的线性调频信号，作为有用信号到达时间t0和分数域中接收信号的最佳阶次的同步检测信号；所述数据码包括调制到所述线性调频信号上的多种不同类型数字信息；

所述水声通信装置包括：发射端、接收端和与二者分别电连接的fpga模块；

所述fpga模块用于检测所述前导码信息并通知所述发射端和所述接收端；

所述发射端对数据源进行信道编码和数字调制后得到所述数据码；在所述数据码前插入所述前导码、所述同步码和所述保护间隔后得到所述数据包；调制到具有正交特性的载波频率的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中；

所述接收端对接收到的水声信号进行反相调制得到所述数据包；对所述数据包进行分解后基于所述前导码进行有用信号的采集保存；去保护间隔后，根据所述同步码分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；依据所述最佳阶数对所述数据码进行解调得到数据输出。

本发明利用线性调频信号在不同频段范围内冲击响应环境不同，对应频带内冲击响应特点得到映射关系，采用四相相移键控qpsk调制方式将四组中心频率不同，调频率相同的lmf信号，代表不同的码元进行信号传输，每种中心频率的载波信号可以表示两位二进制信息从而来提高传输效率。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的水声通信方法流程图；

图2是本发明实施例二提供的水声通信装置的架构流程图；

图3是本发明水声通信方法及装置的ofdm发射端数据包帧结构图；

图4是本发明水声通信方法及装置的双核处理系统前导码帧同步检测原理图；

图5是本发明水声通信方法及装置的接收端信号解调流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-5及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的水声通信方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

其中，qpsk为四相相移键控；fpga为现场可编程逻辑门阵列；simo为单输入多输出(singleinputmultipleoutput)；ofdm为正交频分复用；bpsk为二进制相移键控(binaryphaseshiftkeying)；lmf为线性调频信号(linearfrequencymodulation)；arm为嵌入式微处理器系统；frft为分数阶傅里叶变换；iq调制器为正交载波调制器；

如图1、3所示，一种水声通信方法，该方法的通信传输中的数据包帧结构包括：前导码、同步码和数据码；所述前导码与所述同步码之间设置有保护间隔；所述前导码作为接收端判断有用信号的到来和准备接收数据的依据；所述同步码采用与所述数据码具有相同调频率不同中心频率的线性调频信号，作为有用信号到达时间t0和分数域中接收信号的最佳阶次的同步检测信号，避免了由于发射端和接收端时钟不同步以及水声通信中时延影响带来的采集数据不同步问题；所述数据码包括调制到所述线性调频信号上的多种不同类型数字信息；其中的同步码和数据码作为一个具有正交频分复用(ofdm)数据包通过载波调制后进行水声信号传输。

所述方法包括下述步骤：

s1.发射端对数据源进行信道编码和数字调制后得到所述数据码；在所述数据码前插入所述前导码、所述同步码和所述保护间隔后得到所述数据包；调制到具有正交特性的载波频率的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中；

s2.接收端对接收到的水声信号进行反相调制得到所述数据包；对所述数据包进行分解后基于所述前导码进行有用信号的采集保存；去保护间隔后，根据所述同步码分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；依据所述最佳阶数对所述数据码进行解调得到数据输出。

发射端结合数据包帧结构的设置，通过串并转换将数据包调制到具有相同调频率不同中心频率的线性调频信号的子载波上，叠加后发送出去，从而实现低速到高速的数据传播。

优选的，所述步骤s1包括：

s11.发射端对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据；

s12.通过串/并转换后形成并行数据并插入导频信息，在frft通讯系统中将qpsk调制信号中的00、01、10和11分别用四种不同中心频率的线性调频载波信号表示，形成信号映射后，利用idfrft进行子载波的调制，得到所述数据码；

s13.通过并/串转换，将调制后的所述数据码前加入所述保护间隔；

s14.在所述保护间隔前插入单频信号作为系统采集依据的所述前导码；

s15.在所述保护间隔后插入与所述数据码调频率相同中心频率不同的线性调频信号作为所述同步码，通过d/a转换后得到所述数据包；

s16.将所述数据包发送到iq调制器调制到具有正交特性的载波频率fc，调制后的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中。

在信号编码中对比传统的二相相移键控bpsk的数字调制只能传输一位数据的方式，本发明利用线性调频信号在不同频段范围内冲击响应环境不同，对应频带内冲击响应特点得到映射关系，如步骤s12-s15所示，采用四相相移键控qpsk调制方式将四组中心频率不同，调频率相同的lmf信号，代表不同的码元进行信号传输，每种中心频率的载波信号可以表示两位二进制信息从而来提高传输效率。

在优选的实施例中，对数据进行串/并转换过程中利用带通滤波器对不同子载波进行载波内信息处理来提高信噪比。

优选的，如图5所示，所述步骤s2包括：

s21.接收端接收到的所述水声信号，通过iq调制器进行反相变换调制后得到所述数据包；

s22.所述数据包通过a/d转换器分解；当fpga模块检测到所述前导码信息后，所述接收端的arm模块对所述数据包进行有用信号的采集保存；

s23.将采集到的所述数据包进行去保护间隔；

s24.根据采集到的所述同步码数据进行数据位同步判断，分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；

s25.基于所述最佳阶数进行u域峰值位置搜索，根据qpsk星座图映射关系和子载波最大值点的位置对所述数据码进行解调；

s26.对解调结果进行并/串转换和对信道译码，最后得到数据输出。

优选的，所述步骤s24具体包括：

s241.利用窗函数对采集到的同步码数据进行加窗运算，从而提取同步码信息；

s242.根据所述同步码信息的有效频带范围，将包含同步码信息的所述数据包进行匹配滤波，得到滤波后的水声同步信号sbf(i)，其中i表示采集到的水声同步信号的次数。

s243.利用发射端frft调制所用的frft变换角度a0确定同步信号在u域的初始角度：

式中，fs为接收端采集到的所述水声同步信号的采样频率，n为采样点数，k为线性调频信号的调频率；

s244.以a0为中心在±d的范围内以步长为△d，对滤波后的水声时标信号sbf(i)迭代计算不同阶数下分数阶傅里叶变换的振幅峰值；

在实际操作中，将a0为中心，在±d的范围内如±5％范围内，以步长为△d如0.001大小，对滤波后的同步信号sbf(i)迭代计算不同阶数下分数阶傅里叶变换的振幅峰值。

s245.通过判断信号在u域中会聚性最好的最大振幅峰值，得到所述水声同步信号在分数阶傅里叶变换下对应的最优旋转角度aopt，利用变换角度0<|p|<2,0<|a|<π，得到接收端采集到的所述水声同步信号以及所述数据码在u域中的最佳阶数popt。

优选的，所述步骤s25具体包括：

s251.将得到的所述最优旋转角度aopt保存到寄存器中，当接收到下包数据帧时将aopt的结果带入到所述步骤s243中的a0进行迭代计算；由于信号传输过程中相对时间间隔较短，水声环境变化相对稳定，通过对所述最优旋转角度aopt的多次迭代来减少信号在u域的搜索范围。

s252.去除导频信号后对各子载波进行匹配滤波后使用最佳阶数popt进行u域峰值位置搜索，根据qpsk星座图映射关系和子载波最大值点的位置对数据码进行解调。

优选的，如图4所示，所述发射端和所述接收端均采用双核处理的模式。其具体为fpga作为处理核心专门针对前导码进行数据处理。arm作为处理核心专门针对接收端和收发端的数据处理。在保持收发数据正常的情况下实时对收到的包含有前导码的水声信号进行识别。

在simo系统中当所述水声信号经过所述接收端的换能器接收时，系统中fpga模块一直检测所述前导码的到来；所述接收端一旦检测到所述前导码，系统中arm模块开始采集记录要处理的有用信号；同时，所述发射端发送数据包时，系统的fpga模块一旦检测到水声信道中有前导码信号时，发射端将间隔一个ofdm数据包时长后再发射信号，从而避免水声信道中信号叠加引起系统解调混乱。

本发明的通信方法针对simo水声通讯中通过利用fpga和arm双核处理的方式分别完成对前导码的识别和对收发数据包的数据处理和收发间隙调整。同时，在信号编码中利用单频信号作为系统采集和载波同步的前导码，将抗多普勒效应的线性调频信号作为数据码通过qpsk调试方式实现了进行水声信号高效的传输，另一方面在信号传输方式上利用ofdm在对数据码解调过程中通过对具有相同调频率不同中心频率的同步码进行信号分析和数据的预处理，实现了数据码的快速解调，提高了水声环境中的抗噪声、抗多径以及多普勒效应的影响，实现高速水声通讯方法。

实施例二：

图2示出了本发明实施例一提供的水声通信装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图2、3所示，一种水声通信装置，该装置的通信传输中的数据包帧结构包括：前导码、同步码和数据码；所述前导码与所述同步码之间设置有保护间隔；所述前导码作为接收端判断有用信号的到来和准备接收数据的依据；所述同步码采用与所述数据码具有相同调频率不同中心频率的线性调频信号，作为有用信号到达时间t0和分数域中接收信号的最佳阶次的同步检测信号；所述数据码包括调制到所述线性调频信号上的多种不同类型数字信息；

所述水声通信装置包括：发射端、接收端和与二者分别电连接的fpga模块；

所述fpga模块用于检测所述前导码信息并通知所述发射端和所述接收端；

所述发射端对数据源进行信道编码和数字调制后得到所述数据码；在所述数据码前插入所述前导码、所述同步码和所述保护间隔后得到所述数据包；调制到具有正交特性的载波频率的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中；

所述接收端对接收到的水声信号进行反相调制得到所述数据包；对所述数据包进行分解后基于所述前导码进行有用信号的采集保存；去保护间隔后，根据所述同步码分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；依据所述最佳阶数对所述数据码进行解调得到数据输出。

优选的，所述发射端包括：

编码调制单元，对数据源进行信道编码和数字调制得到串行数据；

数据码生成单元，通过串/并转换后形成并行数据并插入导频信息，在frft通讯系统中将qpsk调制信号中的00、01、10和11分别用四种不同中心频率的线性调频载波信号表示，形成信号映射后，利用idfrft进行子载波的调制，得到所述数据码；

保护间隔插入单元，通过并/串转换，将调制后的所述数据码前加入所述保护间隔；

前导码单元，在所述保护间隔前插入单频信号作为系统采集依据的所述前导码；

打包单元，在所述保护间隔后插入与所述数据码调频率相同中心频率不同的线性调频信号作为所述同步码，通过d/a转换后得到所述数据包；

载波调制单元，将所述数据包发送到iq调制器调制到具有正交特性的载波频率fc，调制后的所述数据包通过发射换能器发送到水声信道中。

优选的，如图5解调原理所示，所述接收端包括：

载波解调单元，接收端接收到的所述水声信号，通过iq调制器进行反相变换调制后得到所述数据包；

解包单元，所述数据包通过a/d转换器分解；当所述fpga模块检测到所述前导码信息后，所述接收端的arm模块对所述数据包进行有用信号的采集保存；

去保护间隔单元，将采集到的所述数据包进行去保护间隔；

同步码分析单元，根据采集到的所述同步码数据进行数据位同步判断，分析所述数据码在分数阶域中的最佳阶数；

数据码解调单元，基于所述最佳阶数进行u域峰值位置搜索，根据qpsk星座图映射关系和子载波最大值点的位置对所述数据码进行解调；

转换译码单元，对解调结果进行并/串转换和对信道译码，最后得到数据输出。

优选的，如图4所示，所述装置还包括：

双核处理单元，用于使所述发射端和所述接收端处于双核处理的模式；其具体为fpga作为处理核心专门针对前导码进行数据处理。arm作为处理核心专门针对接收端和收发端的数据处理。在保持收发数据正常的情况下实时对收到的包含有前导码的水声信号进行识别。

当所述水声信号经过所述接收端的换能器接收时，所述fpga模块一直检测所述前导码的到来；所述fpga模块一旦检测到所述前导码，所述接收端的arm模块开始采集记录要处理的有用信号；同时，所述发射端将间隔一个ofdm数据包时长后再发射信号，从而避免水声信道中信号叠加引起系统解调混乱。

本发明实施例的水声通信方法和装置，通过相同调频率不同中心频率下，线性调频信号在分数阶域中具有相同的最佳阶数特点，利用frft对包含数据同步码的数据进行预处理的分析，实现qpsk调制中包含四组lmf信号码元信息的快速解译，该方式不仅能够很好的抑制时频分析时交叉项以及混响、噪声背景下存在的多普勒影响，而且计算速度快，减少了运算的复杂性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。