一种水声通信收发系统及其数据传输方法

本发明涉及水声通信，具体涉及一种水声通信收发系统及其数据传输方法。

背景技术：

1、新设计的水声通信技术需要经过实验验证，在实际声场环境中准确评估水声通信算法、通信协议等的实用性能，进而指导理论分析和性能优化的方向。快速、简便地对新型水声通信技术进行验证，研究人员可便捷获取研发技术的实验反馈，全过程中时刻把握技术研究方向，加强技术验证对水声通信技术研发的指导意义。

2、现行的水声通信系统大多采用收发双方信息不互通的设计模式：通信接收端在实验全过程保持采集状态，持续接收由发射机发出的信号。数据传输及处理方法仅针对收发端各自独立展开设计，收发两端的状态信息由实验人员进行交互。然而，该方法操作冗余、工作可靠性不高。仅针对发射或接收某端的单端技术方案中，即使收发两端各自实现稳健数据观测与传输，也无法保证验证实验的顺利开展。由于收发端无法实现信息互通，实验各流程的开展需要人为地对各端状态分别进行判断，并对双端状态进行全过程的监测，当某端出现异常时，需要人为介入对另一端进行相应处置。

3、为了快速可靠地完成对新研制的水声通信技术方法的验证，基于完整的水声通信系统，需要搭建联合收发端的技术验证实验场景，并在此基础上设计相应的数据传输及处理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水声通信收发系统及其数据传输方法，解决当前针对单端设计的技术方案在水声通信技术验证所表现出的冗余和不可靠问题。

2、技术方案：为了实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：

3、第一方面，提供一种水声通信收发系统，包括：水声通信发射机、水声通信接收机以及分别与水声通信发射机和水声通信接收机通信连接的上位机，其中，

4、所述水声通信发射机被配置为：向上位机发送周期性心跳包；响应于从上位机接收到装订发射信号，确认装订并返回装订成功反馈指令至上位机；响应于从上位机接收到收发机控制命令，向水中发射已装订信号；

5、所述水声通信接收机被配置为：向上位机发送周期性心跳包；响应于从上位机接收到收发机控制命令，开始采集水中信号并向上位机发送采集数据帧；

6、所述上位机被配置为：接收水声通信发射机、水声通信接收机的心跳包，监视收发两端的状态；向水声通信发射机装订发射信号，基于从水声通信发射机接收到装订成功反馈指令，向水声通信接收机发送收发机控制命令以启动采集；基于从水声通信接收机接收到采集数据帧，向水声通信发射机发送收发机控制命令以进行发射；对接收到的采集数据帧进行计数，当接收包数大于预计包数时向水声通信接收机发送收发机控制命令以停止采集。

7、于第一方面的某些实施方式中，所述水声通信接收机开始采集水中信号后，所述上位机与所述水声通信发射机、水声通信接收机之间采用重传机制，其中所述水声通信接收机向上位机持续发送带有包计数的采集数据帧；所述上位机还被配置为：接收并判断在一段时间内采集数据帧的包计数是否连续，若连续，则向水声通信发射机发送收发机控制命令以进行发射，若不连续，则向水声通信接收机发送收发机控制命令以使得水声通信接收机执行重启并继续发送带有包计数的采集数据帧。

8、于第一方面的某些实施方式中，所述水声通信发射机、所述水声通信接收机、所述上位机通过对接收到的信息帧进行命令校验来确认是否在预期通信流程中，若是则执行相应操作，若否则丢弃该帧并警示，继续等待正确信息帧的到来，所述信息帧为系统中传输的数据或指令，所述信息帧的结构包括：帧头、信息单元序号、时戳、有效数据、帧尾，其中所述帧头和帧尾分别采用指定控制字来标识帧的起始和结尾，所述信息单元序号采用不同的控制字来标识不同的命令类型，所述命令类型包括心跳包、收发机控制命令、反馈指令，所述时戳标识当前时间，所述有效数据为对应于所述信息单元序号指示的命令类型所包含的具体信息；所述对接收到的信息帧进行命令校验包括对帧头、帧尾和信息单元序号进行校验。

9、于第一方面的某些实施方式中，所述上位机被配置为：对接收到的心跳包和反馈指令进行格式转换，以便进行数据分析，所述格式转换依据有效数据的各字段的指定数据类型和预设范围来转换。

10、于第一方面的某些实施方式中，心跳包有效数据包括：舱内温度、舱内湿度、舱内压力、设备空闲状态、故障码、连接状态、完成唤醒标志位、采样率、增益和接收信号超时标志位字段；收发机控制命令有效数据包括：配置、发射源级、接收机参数、接收机重启字段；反馈指令有效数据包括：状态字和回复id字段。

11、于第一方面的某些实施方式中，所述上位机被配置为：接收特定采集时长内的数据并计算实际采集时间，对数据进行格式转换，转换成确定精度的声压数据。

12、于第一方面的某些实施方式中，所述对数据进行格式转换包括：将有效数据部分以十六进制字符串形式存入动态数组，以六个字符为一组，逐组对动态数组中的十六进制字符进行数据转换，其中组内以两个字符为单元，交换第一单元与第三单元的排列顺序，将重组后的十六进制字符转换为一个整数类型数值，依次判断各整型数值与临界值大小，将大于临界值的整型数值变换为负值，以此确定电压值正负号，将变换后的整型数值除以满量程数值，乘基准电压得到当前采集时刻的电压值，基于水声通信接收机的增益值与灵敏度，由电压值计算得到声压值。

13、第二方面，提供一种水声通信收发系统的数据传输方法，包括以下步骤：

14、(1)水声通信发射机和水声通信接收机向上位机发送周期性心跳包；

15、(2)上位机从水声通信发射机、水声通信接收机接收心跳包，确认收发两端的状态良好，向水声通信发射机装订发射信号；

16、(3)水声通信发射机从上位机接收到装订发射信号，确认装订，并返回装订成功反馈指令至上位机；

17、(4)上位机从水声通信发射机接收到装订成功反馈指令，向水声通信接收机发送收发机控制命令以启动采集；

18、(5)水声通信接收机从上位机接收到收发机控制命令，开始采集水中信号并向上位机发送采集数据帧；

19、(6)上位机从水声通信接收机接收到采集数据帧，向水声通信发射机发送收发机控制命令以进行发射；

20、(7)水声通信发射机从上位机接收到收发机控制命令，向水中发射已装订信号；

21、(8)上位机对接收到的采集数据帧进行计数，当接收包数大于预计包数时向水声通信接收机发送收发机控制命令以停止采集；

22、(9)水声通信接收机停止采集，水声通信收发机进入指令等待状态。

23、于第二方面的某些实施方式中，所述方法还包括：

24、(10)上位机接收特定采集时长内的数据并计算实际采集时间，对数据进行格式转换，转换成确定精度的声压数据。

25、于第二方面的某些实施方式中，所述步骤(10)包括以下步骤：

26、s10-1，判断接收数据帧计数是否小于预计接收总数；

27、s10-2，若当前接收数据帧计数小于预计接收总数，采集未结束，执行s10-3～s10-4；

28、s10-3，判断是否为本次采集的首帧，是则记录首帧数据到达时刻，否则跳过当前步骤；

29、s10-4，数据帧计数更新，去除校验部分，将有效数据部分以十六进制字符串形式存入动态数组；

30、s10-5，若当前接收数据帧计数大于或等于预计接收总数，采集结束，记录末帧数据到达时刻，计算实际采集花费时间，执行s10-6～s10-8；

31、s10-6，以六个字符为一组，逐组对动态数组中的十六进制字符进行数据转换，组内以两个字符为单元，交换第一单元与第三单元的排列顺序，将重组后的十六进制字符转换为一个整数类型数值；

32、s10-7，依次判断各整型数值与临界值大小，将大于临界值的整型数值变换为负值，以此确定电压值正负号，将变换后的整型数值除以满量程数值，乘基准电压得到当前采集时刻的电压值；

33、s10-8，获取水声通信接收机的增益值与灵敏度，由电压值计算得到声压值。

34、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

35、(1)提供了一种能够从收发两端的角度对水声通信收发机产生的各类状态信息进行校验、接收与转换的系统，联合双端的信息实现状态监测和控制反馈，协同收发设备展开通信实验的数据传输及处理，实现快速、稳健地协同调配水声通信机对新型水下通信技术开展验证的目标。

36、(2)有效简化了水声通信技术验证的操作流程与后续处理。基于双端数据的状态监测与硬件控制让实验验证更加简便，无需对收发端分别进行监测与控制。接收端仅采集发射时间段内的水声信号，无需研究人员人为进行后续的信号提取和性能评估。

37、(3)有效提高水声通信技术验证系统智能程度与可扩展性。收发端信息实现联通，接收端可根据发射端的工作状态在时间上进行有针对性的采集与存储。除技术验证功能外，可扩展使用到其他应用场景。例如，作为实验教学系统依次处理多个学员的实验请求时，可实现采集数据与学员的准确对应和分发。

38、(4)水声通信系统的工作稳健性进一步提高。联合双端的系统级状态监测使其拥有协调调配双方工作和自主处理异常的能力。对用户数据报协议无连接特性带来的不可靠性作了考虑设计，采用重传重连机制、命令帧校验、数据帧计数等手段分别对多类异常情况做监测处理，可有效应对水声通信硬件设备、网络情况状态波动。