一种双通信体制水声Modem及其实现方法

摘要

本发明公开了一种双通信体制的水声Modem，集成了扩频通信体制和SC-FDMA通信体制，分别适用于低速无误码和高速低误码水声通信环境。在发送端，水声Modem可以根据上层控制模块下达的具体命令，发送扩频通信信号或SC-FDMA通信信号；在接收端，水声Modem具有通信体制自动鉴别功能，在缺乏接收信号通信体制先验信息的情况下可自动鉴别接收信号的通信体制，进行有效通信。本发明具有很高的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种水声Modem及其实现方法。

背景技术

随着人类对海洋的探索、开发和利用的程度不断加深，无论是军事还是民用领域，都对 水声通信有着巨大的需求。在军用方面，水声通信的主要用途有水雷遥控、各种水上水下作 战平台间战场信息的传输。在民用方面，水声通信主要可以应用于水文站的数据采集、工业 用海岸遥测、环境系统中的污染监测数据传输等等。水声通信的应用情况多种多样，有时需 要传输的数据量较少，但是需保持零误码，例如深海水下机器人遥控，此时需要低速无误码 的通信；有时需要传输的数据量较大，但是具有一定的误码容忍度，例如水下语音通信，此 时需要高速低误码的通信。因此水声通信需要不同的通信体制来适应不同的情况。

扩频通信技术是扩展频谱SS（Spread Spectrum）技术的简称，它是一种信息传输方式， 在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传输信息必需的带宽，在接收端 采用相同的扩频码进行相关解扩以恢复所传输的信息数据。它通过扩展带宽得到的高的时间 分辨力来区分多路径，从而抗码间干扰，同时还具有抗干扰能力强，通信信噪比需求低，保 密性能好等优势。但是，扩频通信的缺点是速率相对偏低。

单载波频分复用（SC-FDMA，Single Carrier-Frequency Division MultiplexingAccess）是宽 带通信中一种低峰平比（PAPR，Peak to Average Power Ratio）多址接入技术。SC-FDMA通 信体制具有数据传输速率高，抗干扰能力强和峰平比低等优点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，将扩频通信体制和SC-FDMA通信体制集成在一个水 声Modem中，旨在适用于低速无误码通信和高速低误码通信，提供一种双通信体制水声 Modem及其实现方法。

本发明为解决技术问题采取如下技术方案：

一种双通信体制水声Modem，它的发射端由依次连接的收发合置换能器、功率放大器、 发射信号处理模块组成，它的接收端由依次连接的收发合置换能器加N元接收阵、前置放大 滤波器、A/D转换模块、接收信号处理模块组成；

所述的发射信号处理模块由上层命令解析模块、扩频信号产生器、SC-FDMA信号产生器 和通信体制鉴别信号装载器组成，其中扩频信号产生器由信道编码器，信息序列产生器，信 息序列映射器，同步序列产生器和相加器组成，SC-FDMA信号产生器由信道编码器，QPSK 映射器，导频序列产生器和SC-FDMA调制器组成；

所述的接收信号处理模块由通信体制鉴别模块/同步模块、扩频信号处理器和SC-FDMA 信号处理器组成，其中扩频信号处理器由扩频多径消除处理器、扩频多普勒补偿器、扩频解 码器和信道解码器组成，SC-FDMA信号处理器由SC-FDMA多径消除处理器、SC-FDMA多普 勒补偿器、信道均衡器、SC-FDMA解码器和信道解码器组成。

一种双通信体制水声Modem的实现方法，该方法包括以下具体步骤：

发射端发射信号，具体工作步骤为：

步骤一：上层命令解析模块通过接口电路从上层控制模块接收到发射命令，经过解析得 到发射原始数据、发射通信体制等发射参数；

步骤二：如果发射体制为扩频通信体制，则扩频信号产生器开始工作：原始数据经过信 道编码器编码后，通过信息序列映射器，从信息序列中挑选出待发信息序列，同步序列产生 器产生同步序列，相加器将待发信息序列与同步序列相加得到待发扩频信号；

如果发射体制为SC-FDMA通信体制，则SC-FDMA信号产生器开始工作：原始数据经过 信道编码器编码后，进行QPSK映射，得到待发信息序列，导频序列产生器产生导频序列，然 后SC-FDMA调制器将待发信息序列和导频序列调制到可用频带上，得到待发SC-FDMA信号；

步骤三：通信体制鉴别信号装载器在待发扩频信号或待发SC-FDMA信号前装载上区分通 信体制的帧头信号，扩频体制为正线性调频信号，SC-FDMA体制为反线性调频信号，得到最 终的发射信号；

步骤四：发射信号经过功率放大器放大驱动收发合置换能器，将电信号转换成声信号， 辐射到水中；

接收端接收信号，具体工作步骤为：

步骤五：接收阵列将接收到的N+1路声信号转换为电信号，然后电信号先后经过前置放 大滤波器和A/D转换模块，分别进行放大滤波和采样，采样后的数字信号被送入通信体制鉴 别模块/同步模块。

步骤六：此复用模块在信号同步的同时，根据不同通信体制信号装载的帧头信号不同， 扩频体制为正线性调频信号，SC-FDMA体制为反线性调频信号，通过比较本地正/反线性调 频信号与接收帧头信号的相关峰大小来自动鉴别通信体制；

步骤七：如果本地正线性调频信号与接收帧头信号的相关峰大于本地反线性调频信号， 则接收信号的通信体制为扩频通信体制，扩频信号处理器开始工作：接收信号先后经过扩频 多径消除处理器和扩频多普勒补偿器，分别进行信道多径自适应消除和多普勒补偿，补偿后 的信号进入扩频解码器进行解扩，解扩后的信号经过信道解码器，得到解码信息；

如果本地反线性调频信号与接收帧头信号的相关峰大于本地正线性调频信号，则接收信 号的通信体制为SC-FDMA通信体制，SC-FDMA信号处理器开始工作：接收信号先后经过 SC-FDMA多径消除处理器和SC-FDMA多普勒补偿器，分别进行信道多径自适应消除和多普 勒补偿，补偿后的信号进入信道均衡器进行信道估计和均衡，信道均衡后的信号进入 SC-FDMA解码器进行SC-FDMA解调，解调后的信号经过信道解码器，得到解码信息；

步骤八：将解码信息通过接口电路送入上层控制模块。

本发明的主要优点有：

1、本发明将扩频通信体制和SC-FDMA通信体制集成在一个水声Modem中，既可以适用 于低速无误码通信，又可以适用于高速低误码通信。

2、水声Modem接收端具有通信体制自动鉴别功能，在缺乏接收信号通信体制先验信息的 情况下可自动鉴别接收信号的通信体制，进行有效通信。

3、SC-FDMA体制发射信号的PAPR较低，可以有效减小水下移动平台发射功放的动态范 围，增加发射功放效率，延长终端续航能力。

附图说明

图1是双通信体制的水声Modem结构框图；

图2是扩频信号产生器结构框图；

图3是SC-FDMA信号产生器结构框图；

图4是扩频信号处理器结构框图；

图5是SC-FDMA信号处理器结构框图；

图6是扩频发射信号示意图；

图7是SC-FDMA发射信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

作为本发明的一种较佳实施例，主要完成船基端与水下移动平台之间的水声通信。船基 端发送给水下移动平台的控制命令信息量较少，但是需要保证无误码地在水下移动平台解码， 因此下行通信方式采用扩频通信体制。水下移动平台把探测到的海底地貌图像发送给船基端， 海底地貌图像的数据量较大，且具有一定的误码容忍度，所以上行通信方式采用SC-FDMA通 信体制，同时SC-FDMA发射信号的峰平比较低，可以降低水下移动平台的功耗，延长续航能 力。

如图1所示，本水声Modem发射端由依次连接的收发合置换能器，功率放大器，发射信号 处理模块组成。

作为本发明的一种较佳实施例，发射信号处理模块由上层命令解析模块，扩频信号产生 器，SC-FDMA信号产生器和通信体制鉴别信号装载器组成。

上层命令解析模块通过接口电路从上层控制模块接收到发射命令，经过解析得到发射原 始数据、发射通信体制、信号长度等一系列发射参数，并将这些参数发送给对应的发射信号 产生器。

如果发射体制为扩频通信体制，则扩频信号产生器开始工作：如图2所示，所述的扩频信 号产生器由信道编码器，信息序列产生器，信息序列映射器，同步序列产生器和相加器组成。 信道编码器对原始数据进行turbo编码。信息序列产生器产生备选伪随机（PN）信息序列，编 码数据通过信息序列映射器从备选PN信息序列中，得到一条待发PN信息序列。同步序列产生 器产生一条PN同步序列，相加器将待发信息序列与同步序列相加得到待发扩频信号。PN序列 可以是m序列、gold序列等正交序列。

如果发射体制为SC-FDMA通信体制，则SC-FDMA信号产生器开始工作：如图3所示，所 述的SC-FDMA信号产生器由信道编码器，QPSK映射器，导频序列产生器和SC-FDMA调制器 组成。信道编码器对原始数据进行turbo编码。编码后的数据经过QPSK映射器后得到待发的 信息序列。导频序列产生器产生导频序列，然后SC-FDMA调制器将待发信息序列和导频序列 进行调制，包括将待发信息序列进行FFT处理，把结果和导频序列布置在可用频带上，再进 行IFFT处理，插入保护间隔等。最后得到待发SC-FDMA信号。

通信体制鉴别信号装载器根据发射信号的通信体制产生相应的帧头，扩频通信体制对应 正线性调频信号，SC-FDMA通信体制对应反线性调频信号，然后将帧头装载在待发扩频信号 /待发SC-FDMA信号之前，形成最终的发射信号。装载的帧头在接收端会有3个作用：1、同 步接收信号，抓取信号到达时间；2、在接收端的多径消除处理中作为探针信号；3、鉴别接 收信号的通信体制。

本实施例中，扩频发射信号如图6所示，中心频率f0为8kHz。第1部分为正线性调频信号， 带宽6-10kHz，既用于同步接收信号，又作为多径消除处理中的探针信号，同时还用于鉴别接 收信号的通信体制。第2部分为保护间隔，消除帧头信号的多径影响。第3部分为扩频符号， 带宽6-10kHz。第4部分为保护间隔，消除数据信号的多径影响。

本实施例中，SC-FDMA发射信号如图7所示，中心频率f0为8kHz。第1部分为反线性调频 信号，带宽6-10kHz，既用于同步接收信号，又作为多径消除处理中的探针信号，同时还用于 鉴别接收信号的通信体制。第2部分为保护间隔，消除帧头信号的多径影响。第3部分为 SC-FDMA符号，带宽6-10kHz。第4部分为保护间隔，消除数据信号的多径影响。

本实施例中，发射信号处理模块在硬件上主要由单片机，DSP和FPGA联合实现。通过发 射信号处理模块产生的发射信号经过功率放大器，放大驱动收发合置换能器，将电信号转换 成声信号，辐射到水中。

如图1所示，本水声Modem的接收端由依次连接的收发合置换能器加N元接收阵，前置放 大滤波器，A/D转换模块，接收信号处理模块组成。

作为本发明的一种较佳实施例，在上行通信过程中，船基接收端除了与发射端共用的收 发合置换能器外，还扩展连接了一条4元阵，工作频段为500Hz-14kHz。在下行通信过程中， 水下移动平台的接收端仅为收发合置换能器。

作为本发明的一种较佳实施例，前置放大滤波器将收发合置换能器和4元阵接收的信号进 行放大滤波，然后发送给A/D转换模块，经A/D采样后送入接收信号处理模块进行后续处理。

作为本发明的一种较佳实施例，所述的接收信号处理模块由通信体制鉴别模块/同步模 块、扩频信号处理器和SC-FDMA信号处理器组成。

本实施例中，通信体制鉴别模块/同步模块主要完成信号同步和通信体制鉴别的功能，此 复用模块在信号同步的同时，根据不同通信体制信号装载的帧头信号不同（扩频体制为正线 性调频信号，SC-FDMA体制为反线性调频信号），通过比较本地正/反线性调频信号与接收 到的帧头信号的相关峰大小来自动鉴别通信体制。

本实施例中，如果本地正线性调频信号与接收帧头信号的相关峰大于本地反线性调频信 号，则鉴定接收信号的通信体制为扩频通信体制，接收信号进入扩频信号处理器。如图4所示， 所述的扩频信号处理器由扩频多径消除处理器、扩频多普勒补偿器、扩频解码器和信道解码 器组成。接收信号先经过扩频多径消除处理器，该模块主要利用时间反转法，自适应消除信 道的多径影响。因为下行通信的接收器并没有扩展连接4元阵，只有收发合置换能器。所以扩 频多径消除处理器输入为1路，输出为1路。主要工作流程是：捕获1路接收信号的探针信号， 以到达时刻为起点，取2倍探针信号长度的信号x，将信号x与本地探针信号做相关，得到结果 y，然后将y与后续的扩频数据信号进行匹配滤波，将结果作为多径消除处理器的输出。

本实施例中，扩频多径消除处理器的输出连接扩频多普勒补偿器的输入。扩频多普勒补 偿器主要通过频谱搬移和时域抽取对接收信号进行多普勒补偿。它将补偿后的信号与本地同 步序列进行相关运算，搜索得到令相关峰最高的频谱搬移量fd和时域抽取集合nd。最后把用 fd和nd进行多普勒补偿的接收信号作为扩频多普勒补偿器的输出。

本实施例中，扩频多普勒补偿器的输出连接扩频解码器的输入。扩频解码器把多普勒补 偿后的信号与本地备选信息序列进行相关运算，得到相关峰最大的备选信息序列的序列号， 然后按照发射端的映射规则，逆映射得到解扩信息。

本实施例中，扩频解码器的输出连接信道解码器的输入。信道解码器的解码方式为Turbo 解码，解码结果经由接口电路上传给上层控制器。

本实施例中，如果本地反线性调频信号与接收帧头信号的相关峰大于本地正线性调频信 号，则鉴定接收信号的通信体制为SC-FDMA通信体制，接收信号进入SC-FDMA信号处理器。 如图5所示，所述的SC-FDMA信号处理器由SC-FDMA多径消除处理器、SC-FDMA多普勒补 偿器、信道均衡器、SC-FDMA解码器和信道解码器组成。接收信号先经过SC-FDMA多径消 除处理器。因为上行通信的接收器除了收发合置换能器外，扩展连接了4元阵，所以SC-FDMA 多径消除处理器输入为5路，输出为1路。主要工作流程是：分别捕获5路接收信号的探针信号， 统一以最先到达的时刻为起点，每个通道分别取2倍探针信号长度的信号x，将信号x与本地探 针信号做相关，得到结果y，然后将y与后续的SC-FDMA数据信号进行匹配滤波，最后将5个 通道的匹配滤波结果相加得到1路多径消除处理器的输出。

本实施例中，SC-FDMA多径消除处理器的输出连接SC-FDMA多普勒补偿器的输入。 SC-FDMA多普勒补偿器主要通过频谱搬移和时域抽取对接收信号进行多普勒补偿。它将补偿 后的信号做FFT，抽取出同步序列。然后将抽取出的同步序列与本地同步序列进行相关运算， 搜索得到令相关峰最高的频谱搬移量fd和时域抽取集合nd。最后把用fd和nd进行多普勒补偿 的接收信号作为SC-FDMA多普勒补偿器的输出。

本实施例中，SC-FDMA多普勒补偿器的输出连接信道均衡器输入。对补偿后的信号做 FFT，抽取出接收信号的导频序列，联合本地导频序列，用最小二乘法估计出导频序列所在 频点的信道估计，再利用线性插值得到信息序列所在频点的信道估计，最后对接收到的信息 序列做均衡，结果作为信道均衡器的输出。

本实施例中，信道均衡器的输出连接SC-FDMA解码器的输入。均衡后的信息序列先后经 过IFFT处理和QPSK逆映射得到SC-FDMA解调信息。

本实施例中，SC-FDMA解码器的输出连接信道编码器的输入。信道解码器的解码方式为 Turbo解码，解码结果经由接口电路上传给上层控制器。

本实施例中，接收信号处理模块在硬件上与发射信号处理模块是复用的，也主要由单片 机，DSP和FPGA联合实现。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保 护范围。