本實用新型公開了一種頻域分集水聲通信調(diào)制解調(diào)器，特別涉及一種采用偽隨機碼(PN)導(dǎo)頻前綴的單載波分塊傳輸頻域分集水聲通信調(diào)制解調(diào)器。

背景技術(shù)：

隨著國家海洋權(quán)益的不斷拓展，水聲通信在國防建設(shè)中的重要戰(zhàn)略意義日益突出。水聲通信是保障現(xiàn)代海軍遂行各種作戰(zhàn)任務(wù)的主要手段之一，在水雷遠程遙控、潛艇通信、蛙人通信等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

水聲通信調(diào)制解調(diào)器是進行水下信息傳輸?shù)幕A(chǔ)。由于聲波在水中的傳播傳播速度約為1500m/s，比電磁波傳播速度小五個數(shù)量級，導(dǎo)致水聲信道多徑時延擴展和多普勒效應(yīng)遠大于空中無線傳播環(huán)境，空-時-頻三維中時變特性復(fù)雜，高速水聲通信調(diào)制解調(diào)器設(shè)計難度加大。

分集接收技術(shù)是提高水聲通信系統(tǒng)性能的常用方法。目前，相關(guān)研究多在時域進行等增益合并或者是針對正交頻分復(fù)用(OFDM)水聲通信系統(tǒng)展開，時域處理方法計算復(fù)雜度高，信道估計和均衡參數(shù)選擇十分復(fù)雜；OFDM水聲通信技術(shù)的計算復(fù)雜度低，但其峰均比(PAPR)高，載波頻率偏移對系統(tǒng)性能影響大。單載波分塊傳輸(SCBT)技術(shù)具有計算復(fù)雜度低，對于頻率偏移不敏感，峰均比適中的優(yōu)點，是中近程高速水聲通信的一種有效傳輸手段。利用水下多陣元接收帶來的空間分集增益，研制適合于高速SCBT水聲通信的低復(fù)雜度、高穩(wěn)健性調(diào)制解調(diào)器，對于未來高速水下通信網(wǎng)建設(shè)和部署具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述分析，本實用新型公開一種單載波分塊傳輸(SCBT)頻域分集水聲通信調(diào)制解調(diào)器，包括發(fā)射部分和接收部分，其特征在于：發(fā)射部分由符號映射模塊101、PN組塊模塊102、信號組幀模塊103、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104、功率放大器105、發(fā)射換能器106依次連接組成；其中

符號映射模塊101將輸入的特定信號時長的0、1數(shù)據(jù)進行分組，按照數(shù)據(jù)分組進行符號調(diào)制，并將調(diào)制符號送至PN組塊模塊102；

PN組塊模塊102將PN序列插入到調(diào)制數(shù)據(jù)之后，形成數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)，PN組塊模塊102將數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)輸出至信號組幀模塊103；

信號組幀模塊103將數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)的多個數(shù)據(jù)分塊組成一個數(shù)據(jù)幀，其幀結(jié)構(gòu)包括線性調(diào)頻LFM信號、保護間隔、PN導(dǎo)頻、數(shù)據(jù)，其中LFM信號主要用于幀同步和符號同步，保護間隔的作用是防止LFM信號對傳輸數(shù)據(jù)造成碼間串?dāng)_，信號組幀模塊103將數(shù)據(jù)幀輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104；

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104將信號組幀模塊103生成的組幀信號調(diào)制到載頻，并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號以聲信號形式進行傳輸，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104將聲信號輸出至聲信號輸入功率放大器105；

聲信號輸入功率放大器105用于完成聲信號的放大；

發(fā)射換能器106用于完成聲信號的調(diào)制解調(diào)，然后將解調(diào)后的聲信號送入水聲信道；

接收部分由接收水聽器107、多通道處理模塊108、頻域分集合并模塊109、IFFT變換模塊110、符號判決模塊111依次連接組成；

接收水聽器107包含K個陣元，K的數(shù)量根據(jù)具體需要進行選擇，每個陣元在接收到水聲信道傳輸?shù)穆曅盘柡?，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將接收聲信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號然后送入多通道處理模塊108；

多通道處理模塊108由K個單通道處理模塊1081-108K組成，分別對應(yīng)處理接收水聽器107的K個陣元接收采樣后的數(shù)字信號， 其將K個陣元接收的過采樣信號進行適當(dāng)?shù)膸胶头柾?，轉(zhuǎn)換為符號速率采樣數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的信號處理，然后將處理過的數(shù)字采樣信號送入頻域分集合并模塊109中；

頻域分集合并模塊109根據(jù)各單通道處理模塊1081-108K輸出的信道頻域沖激響應(yīng)值的大小，對各單通道處理模塊1081-108K輸出的頻域信號進行最大比合并并形成合并數(shù)據(jù)，最大程度利用多陣元接收帶來的空間增益，頻域分集合并模塊109將合并數(shù)據(jù)輸出至IFFT變換模塊110；

IFFT變換模塊110將頻域分集合并模塊109輸出的結(jié)果進行IFFT變換，轉(zhuǎn)換到時域，并將該時域信號輸出至符號判決模塊111；

符號判決模塊111根據(jù)符號調(diào)制星座圖，對IFFT變換模塊110輸出的時域信號進行判決處理，并轉(zhuǎn)換為0，1數(shù)據(jù)輸出。

在本發(fā)明的一個實施例中，K個單通道處理模塊1081-108K分別對各自陣元接收的數(shù)據(jù)進行幀同步和符號同步，并利用前綴PN序列的末尾少部分接收采樣值，進行水聲信道沖激響應(yīng)值和噪聲方差的估計。

在本發(fā)明的一個具體實施例中，2≤K≤10。

在本發(fā)明的一個實施例中，K個單通道處理模塊1081-108K的結(jié)構(gòu)是相同的，其中每一個單通道處理模塊1081-108K均包括同步模塊10811、PN前綴提取模塊10812、數(shù)據(jù)分組提取模塊10813、信道估計模塊10814、FFT變換模塊10815；單通道處理模塊1081-108K的輸入信號首先進入同步模塊10811，同步模塊10811利用數(shù)據(jù)幀中的LFM信號完成幀同步和符號同步，同步模塊10811的輸出兵分兩路，一路進入PN前綴提取模塊10812，PN前綴提取模塊10812提取同步后的接收數(shù)據(jù)中前一個分塊的PN序列數(shù)據(jù)，將其輸出至信道估計模塊10814，信道估計模塊10814利用接收PN序列末尾部分?jǐn)?shù)據(jù)進行信道估計和噪聲方差估計，并將信道估計值末尾補零到分塊長度然后輸出至FFT變換模塊10815；另一路數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)分組提取模塊10813，數(shù)據(jù)分組提取模塊10813提取當(dāng)前分塊數(shù)據(jù)后，將其輸出至 FFT變換模塊10815；FFT變換模塊10815將信道估計模塊10814和數(shù)據(jù)分組提取模塊輸入10813的數(shù)據(jù)以分塊長度進行FFT變換，獲取頻域信號和信道頻域沖激響應(yīng)值。

本實用新型所公開的頻域分集接收機能夠最大限度利用水下多陣元接收帶來的空間增益，提高系統(tǒng)誤碼率性能，同時，利用快速傅里葉變換(FFT)計算頻域最大比分集接收均衡器的參數(shù)，可有效降低傳統(tǒng)時域接收機的復(fù)雜度。本實用新型所公開的頻域分集接收機具有實現(xiàn)簡單，復(fù)雜度低的優(yōu)點，適合于中、近程高速水聲通信，其優(yōu)勢主要包括：

(1)采用單載波體制進行信號傳輸，峰均比低、頻率偏移不敏感，換能器線性范圍要求低；

(2)利用FFT計算頻域最大比分集接收均衡器系數(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜度低；

(3)按照最大比準(zhǔn)則在頻域進行分集接收，可最大限度利用多陣元接收帶來的空間增益。

附圖說明

圖1是本實用新型的系統(tǒng)框圖；

圖2是圖1所示PN組塊模塊的數(shù)據(jù)分塊結(jié)構(gòu)；

圖3是圖1中單通道處理模塊的結(jié)構(gòu)圖；

圖4是圖1所示符號映射模塊輸入信號的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案以及優(yōu)勢更加明晰，下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。

如圖1所示，本實用新型的發(fā)射部分由符號映射模塊101、PN組塊模塊102、信號組幀模塊103、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104、功率放大器模塊105、發(fā)射換能器模塊106順次連接組成。

符號映射模塊101輸入的特定信號時長的0、1數(shù)據(jù)進行分組，按照數(shù)據(jù)分組進行符號調(diào)制，并將調(diào)制符號送至PN組塊模塊102。

PN組塊模塊102將PN序列插入到調(diào)制數(shù)據(jù)之后，并形成如圖2所示的數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)第i-1個數(shù)據(jù)分塊插入的PN序列不僅是第i-1個數(shù)據(jù)分塊的組成部分，同時還作為第i個分塊的循環(huán)前綴，可以將發(fā)射信號與水聲信道的線性卷積，轉(zhuǎn)換為循環(huán)卷積，便于接收部分利用快速傅里葉變換(FFT)進行頻域處理。PN組塊模塊102將數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)輸出至信號組幀模塊103。

信號組幀模塊103將數(shù)據(jù)分組結(jié)構(gòu)的多個數(shù)據(jù)分塊組成一個數(shù)據(jù)幀，其幀結(jié)構(gòu)包括線性調(diào)頻(LFM)信號、保護間隔、PN導(dǎo)頻、數(shù)據(jù)，其中，LFM信號主要用于幀同步和符號同步，保護間隔的作用是防止LFM信號對傳輸數(shù)據(jù)造成碼間串?dāng)_。信號組幀模塊103將數(shù)據(jù)幀輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104將信號組幀模塊103生成的多組數(shù)據(jù)幀信號調(diào)制到載頻，并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以聲信號形式進行傳輸。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊104將聲信號輸出至聲信號輸入功率放大器105。

聲信號輸入功率放大器105用于完成聲信號的放大。

發(fā)射換能器106用于完成聲信號的調(diào)制解調(diào)，然后將解調(diào)后的聲信號送入水聲信道。

如圖1所示，本實用新型的接收部分由接收水聽器107、多通道處理模塊108、頻域分集合并模塊109、逆傅里葉變換(IFFT)模塊110和符號判決模塊111組成順次連接組成。

接收水聽器107是常見的水聲通信組件，其包含K個陣元，每個陣元在接收到水聲信道傳輸?shù)穆曅盘柡螅M行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將接收聲信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號然后送入多通道處理模塊108。

多通道處理模塊108由K個單通道處理模塊1081-108K組成，分別對應(yīng)處理接收水聽器107的K個陣元接收采樣后的數(shù)字信號，其主要功能是將K個陣元接收的過采樣信號進行適當(dāng)?shù)膸胶头?號同步，轉(zhuǎn)換為符號速率采樣數(shù)據(jù)，并進行相應(yīng)的信號處理，然后將處理過的數(shù)字采樣信號送入頻域分集合并模塊109中。

單通道處理模塊1081-108K的結(jié)構(gòu)是相同的，如圖3所示，其包括同步模塊10811、PN前綴提取模塊10812、數(shù)據(jù)分組提取模塊10813、信道估計模塊10814、FFT變換模塊10815。輸入信號首先進入同步模塊10811，同步模塊10811利用數(shù)據(jù)幀中的LFM信號完成幀同步和符號同步。同步模塊10811的輸出兵分兩路，一路進入PN前綴提取模塊10812，PN前綴提取模塊10812提取同步后的接收數(shù)據(jù)中前一個分塊的PN序列數(shù)據(jù)，將其輸出至信道估計模塊10814，信道估計模塊10814利用接收PN序列末尾部分?jǐn)?shù)據(jù)進行信道估計和噪聲方差估計，并將信道估計值末尾補零到分塊長度然后輸出至FFT變換模塊10815；另一路數(shù)據(jù)輸入分組提取模塊10813，分組提取模塊10813按照特定的分塊結(jié)構(gòu)，提取當(dāng)前分塊數(shù)據(jù)后，將其輸出至FFT變換模塊10815。在FFT變換模塊10815中，F(xiàn)FT變換模塊將信道估計模塊10814和數(shù)據(jù)分塊提取模塊輸入10813的數(shù)據(jù)以分塊長度進行FFT變換，獲取頻域信號和信道頻域沖激響應(yīng)值。

頻域分集合并模塊109根據(jù)各單通道處理模塊1081-108K輸出的信道頻域沖激響應(yīng)值的大小，對各單通道處理模塊1081-108K輸出的頻域信號進行最大比合并并形成合并數(shù)據(jù)，最大程度利用多陣元接收帶來的空間增益。頻域分集合并模塊109將合并數(shù)據(jù)輸出至IFFT變換模塊110。

IFFT變換模塊110對頻域分集合并模塊109輸出的結(jié)果進行IFFT變換，轉(zhuǎn)換到時域，并將該時域信號輸出至符號判決模塊111。

符號判決模塊111根據(jù)符號調(diào)制星座圖，對IFFT變換模塊110輸出的時域信號進行判決處理，并轉(zhuǎn)換為0，1數(shù)據(jù)輸出。

作為本實用新型的一種較佳實施例，選擇水聲通信中心頻率6kHz，系統(tǒng)采樣頻率36kHz，帶寬2kHz，LFM信號時長0.5s，保護間隔時長0.4s，調(diào)制方式為QPSK，符號速率為2kbps，數(shù)據(jù)分塊長度為512，PN序列長度為128，每個數(shù)據(jù)幀包含30個數(shù)據(jù)分塊。通 信距離為1.8公里，實際速率為2kbps。

作為本實用新型的一種較佳實施例，發(fā)射信號數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，LFM信號主要用于幀同步和符號同步，取時長為0.5s?？紤]到湖試信道的信道時延不大，LFM信號與傳輸數(shù)據(jù)塊之間的保護間隔設(shè)定為0.4s。分塊傳輸數(shù)據(jù)采用圖3所示的數(shù)據(jù)分塊結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)分塊長度為512，其中導(dǎo)頻PN導(dǎo)頻長度為128，每個分塊可傳輸?shù)腝PSK符號長度為384，即每個數(shù)據(jù)塊可傳輸768個0、1數(shù)據(jù)。0、1數(shù)據(jù)經(jīng)過符號映射模塊101、PN組塊模塊102、信號組幀模塊103后，進入模數(shù)變換模塊104、功率放大器105，經(jīng)發(fā)射換能器106發(fā)射到水聲信道中。

接收部分工作流程如下：聲信號經(jīng)水聲信道傳輸至接收機后，接收水聽器107對多個陣元接收的信號進行離散化處理(采樣頻率為36kHz)，統(tǒng)一將各陣元接收信采樣號送入多通道處理模塊108中進行處理，本實施例中，多通道處理模塊由4個單通道處理單元1081組成，分別處理接收4個陣元采樣的數(shù)據(jù)。具體來講，單通道處理模塊利用同步模塊10811完成幀同步和符號同步后，按照如圖3所示的數(shù)據(jù)分塊結(jié)構(gòu)，分別提取PN導(dǎo)頻10812和分塊數(shù)據(jù)10813，前一個分塊中的PN序列可作為后一個分塊的循環(huán)前綴，同時在信道估計模塊10814中進行信道估計和噪聲方差估計，信道估計值在末尾補零后擴展到分塊長度，進入FFT變換模塊10815進行快速傅里葉變換將其變換到頻域，分塊數(shù)據(jù)也采樣相同方式變換到頻域。各個單通道處理模塊1081分別處理接收數(shù)據(jù)后送入頻域分集合并模塊109，頻域分集合并模塊109根據(jù)各個信道頻域響應(yīng)值的大小，在頻域進行最大比合并，然后輸出至IFFT變換模塊110，利用IFFT將頻域合并結(jié)果變換到時域，最后經(jīng)符號判決模塊111根據(jù)符號調(diào)制星座圖，對IFFT變換模塊110輸出的時域信號進行判決處理，并轉(zhuǎn)換為0，1數(shù)據(jù)后輸出。

該實用新型的主要指標(biāo)如下：

工作水深：5～15米

通信距離：1.8公里

傳輸速率：2kbps

誤碼率：0

工作帶寬：4-8k

中心頻率：6k

該實用新型的顯著特征是復(fù)雜度低、換能器線性范圍要求低、可最大程度上利用水下多陣元接收帶來的空間增益，符合未來中近程高速水聲通信的發(fā)展趨勢。

以上所述僅為本實用新型的一種較佳實施例，但本實用新型的保護范圍并不局限于上述實施例，本領(lǐng)域工程技術(shù)人員在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進行適當(dāng)?shù)母膭雍妥冃?，均?yīng)包含在發(fā)明的保護范圍內(nèi)。