一种基于ZYNQ的高速OTFS调制跨介质通信发送端系统

本发明涉及海洋工程及跨介质通信的，尤其涉及一种基于zynq的高速otfs调制跨介质通信发送端系统。

背景技术：

1、通信领域中，不同的信道传输介质中通常采用不同的通信方式。例如，在空气中通常采用电磁波等通信方式；而在水下，通常采用声信号通信。

2、海洋是地球表面的一个重要组成部分，水的占比超过了70％，海洋借助其广阔的面积和深度提供了巨大的资源和能量，而且海洋的各种生态系统也扮演着重要的生态角色。在这大片海洋中，人类在开展各种活动，如工业生产、渔业、海洋科学研究等方面都需要借助无线通信进行实现。海洋通信、海洋运输、海洋资源开发、大气环流、海洋生物、海洋物理、化学、海洋渔业，海洋地貌勘探、深海开发等急需大力发展，所以需要增加对海洋技术的研发投入。而空－海跨介质通信一直是现代海洋通信中一个难以突破的技术瓶颈及难点。

3、现有的水空跨介质上行通信的发端多采用bpsk(binary phase shift keying)，qpsk(quadrature phase shift keying)，16qam(quadrature amplitude modulation)和2fsk((frequency shift keying))等调制方式对输入信号进行调制，并基于dsp(digitalsignal process)、arm(acorn risc machine)、cpld(complex programmable logicdevice)等传统硬件处理平台来产生声信号，但在水下这样复杂的时变信道中，这样的调制方式在信号传输过程中易受多径干扰且带宽效率较低，同时需要较高的复杂度和功耗才能实现高速数据传输，而传统硬件处理平台可编程性较低、处理能力较弱、数据传输能力较差，并不适合高速大量的数据处理和传输。

4、例如申请号为202111516906.5的发明专利公开了一种灵活的多模态水下通信节点，以解决对复杂的水下环境的适应问题，该发明，可兼容多种换能器的多模态的水下通信装置及方法，包括发送系统和接收系统两部分，其中，发送系统又包括系统控制模块、数字调制模块、可调功放模块、以及发送换能器；接收系统又包括控制系统模块、数字解调模块、前级放大滤波模块、以及接收换能器，数字调制模块和数字解调模块统称数字处理模块。该发明主要应用于水声通信场合，并未发送端系统的数据处理与传输效率，不适合应用于大量数据处理。

5、例如申请号为202310743092.1的发明专利公开了一种跨介质通信方法及系统，利用不同介质中通信技术的优势，下行通信采用激光致声技术，上行通信采用高速单光子通信技术；下行通信中，空中平台采用激光测距测定空中平台距离水面的垂直距离，并基于该垂直距离对发射的激光致声光束的聚焦位置进行调整，使激光致声光束能够在水面有效聚焦，实现稳定的激光致声效果，提高击穿稳定性和声源级指标；在上行通信前，水下平台对激光致声的声传播参数进行分析来确定水下平台与空中平台的位置关系，进而确定二者之间的通信方向，根据确定的通信方向与空中平台建立通信链路，保障了高速单光子通信链路的稳定性，实现了远距离高速率的跨介质通信。但是，该所利用的硬件处理平台较为传统，对于高速大量的数据处理和传输处理能力较弱。

技术实现思路

1、针对现有跨介质传输系统抗干扰能力较差的技术问题，本发明提出一种基于zynq的高速otfs调制跨介质通信发送端系统，拥有较强的处理能力与数据传输能力，适合高速大量的数据处理和传输。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于zynq的高速otfs调制跨介质通信发送端系统，包括计算机、信息处理转换装置和信息输出装置，信息输出装置和计算机均与信息处理转换装置相连接，信息处理转换装置包括zynq硬件平台和音频驱动模块，zynq硬件平台和音频驱动模块相连接，zynq硬件平台、音频驱动模块和信息输出装置均设置在水下。

3、所述zynq硬件平台包括pl模块、ps模块和jtag模块，计算机与ps模块相连接，ps模块通过axi总线与pl模块相连接，jtag模块和计算机相连接，ps模块与音频驱动模块相连接。

4、所述ps模块包括rgmii模块和arm多核处理器，rgmii模块通过axi总线与pl模块相连接，arm多核处理器和音频驱动模块相连接。

5、所述pl模块包括otfs调制模块和音频输出模块，otfs调制模块和音频输出模块相连接，otfs调制模块与rgmii模块相连接，音频输出模块与音频驱动模块相连接。

6、所述otfs调制模块包括依次连接的bram存储器、数据预处理单元、isfft预编码单元和heisenberg变换单元，bram存储器与rgmii模块相连接，heisenberg变换单元与音频输出模块相连接。

7、所述音频输出模块包括文件生成模块和i2s模块，文件生成模块和heisenberg变换单元相连接，i2s模块和音频驱动模块相连接。

8、所述音频驱动模块内设置有wm8731，arm多核处理器、信息输出装置和i2s模块均与wm8731相连接。

9、所述信息输出装置为水下换能器，水下换能器与wm8731相连接。

10、其使用方法为：首先利用计算机利用ascll码将要发送的信息进行数字化处理得到数字化信息，并将数字化信息通过rgmii模块与高速通道axi总线将数字化信息传输至otfs调制模块，并利用otfs调制模块对数字化信息进行调制，将数字化信息转化为音频，并将音频传输至wm8731同时数字化信息通过rgmii模块传入arm多核处理器进行i2s初始化配置和声压级调节，将处理后的信息传输至wm8731；wm8731驱动水下换能器产生声波，声波以压力波的形式向上传播引起水面微幅波，微幅波震动波形与调制声波一致，等待雷达系统来扫描波形来进行接收与解调。

11、所述利用otfs调制模块对数字化信息进行调制的具体方法为：首先利用bram存储器对数字化信息进行存储，并利用数据预处理单元对数字化信息进行预处理并利用isfft预编码单元将预处理后的数据转换成适合进行otfs调制的数据，计算公式如下：

12、

13、其中，x(k,l)为输入信号，m和n表示在二维频域上的索引，为系数；

14、随后，数据通过heisenberg变换单元被变换成otfs调制信号，heisenberg变换公式如下：

15、

16、其中，xisfft(m,n)为经过isfft变换后得到的离散时-频域信号，gtx(t)为滤波函数，t为符号间隔，δf是子载波间隔，指数项ej2πmδ(t-nt)表示将离散时-频域信号在连续时域上的相位旋转。

17、本发明的有益效果为：

18、1、本发明公开了一种基于zynq的高速otfs调制跨介质通信发送端系统，将otfs调制技术与zynq硬件平台相结合，otfs的调制方式可以更好地解决水下声信号传输中的多径干扰等多种问题，同时充分发挥zynq硬件平台相结合性能优势。

19、2、本发明利用otfs调制技术提高了信号传输的有效性和稳定性，避免了噪声干扰，提高了信号传递的准确性，并提高了带宽效率。

20、3、本发明利用zynq硬件平台，充分发挥了arm多核处理器和fpga的协同作用，使信号的处理速度更快、性能更高，且可编程性非常高，使得调制算法更加灵活、高效，内含多种高速通道和高速接口，为高速数据传输和高效信号处理提供了更强的支撑和保障。