一種基于頻域線性調(diào)頻擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)及其通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及水聲通信領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水 聲通信系統(tǒng)及其通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對(duì)海洋資源的開發(fā)利用，水下平臺(tái)與岸上人員、潛水員在水下的實(shí)時(shí)語 音傳輸變得更為重要，實(shí)時(shí)語音通信是一種最重要和最直接的水下通信方式，但是水聲通 信信道環(huán)境非常復(fù)雜的，是隨機(jī)發(fā)生空變和時(shí)變的;并且具有多途擴(kuò)展嚴(yán)重、可用帶寬有限 和高噪聲等特性。給圖像、語音的傳輸帶來了極大的難度，運(yùn)使得遠(yuǎn)距離可靠通信成為一個(gè) 難題。
[0003] 針對(duì)運(yùn)種復(fù)雜多變的水聲通信信道，目前，可W通過算法來消除噪聲干擾等進(jìn)而 改善水下語音通信質(zhì)量，保證語音穩(wěn)定、高質(zhì)量、遠(yuǎn)距離傳輸。水聲通信中的正交頻分復(fù)用 (OFDM)技術(shù)具有抗多途能力強(qiáng)、頻帶利用率高、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)；線性調(diào)頻信號(hào)（chirp) 擴(kuò)頻技術(shù)具有很強(qiáng)的抗多普勒頻移能力和顯著的抗干擾和抗衰落特性。將兩者結(jié)合為一種 基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)不僅提高了系統(tǒng)的抗多徑等干擾、抗噪聲 和抗衰落等特性，同時(shí)極大降低通信系統(tǒng)的復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的問題是克服傳統(tǒng)的正交頻分復(fù)用(OFDM)水聲通信系統(tǒng)性能不足 的問題W及系統(tǒng)高復(fù)雜度，提供一種在復(fù)雜多變的水聲通信信道中，具有強(qiáng)抗多徑、抗噪聲 和抗衰落等特性，并且低復(fù)雜度的基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)。
[000引為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的方案如下：
[0006] -種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端兩個(gè) 部分，發(fā)送端包括信道編碼單元、頻域線性調(diào)頻(chirp)映射單元、子載波映射單元、快速傅 立葉反變換(IFFT)單元、加入循環(huán)前綴單元和加窗單元;接收端包括時(shí)間同步單元、載波同 步單元、去循環(huán)前綴單元、多路混頻濾波單元、線性調(diào)頻(chirp)相關(guān)解調(diào)單元、信道解碼單 元和頻率跟蹤單元；
[0007] 發(fā)送端的信道編碼單元輸入端輸入數(shù)據(jù)，信道編碼單元輸出端接頻域線性調(diào)頻 (ch i巧）映射單元輸入端，頻域線性調(diào)頻(ch i rp)映射單元輸出端接子載波映射單元輸入 端，子載波映射單元輸出端接快速傅立葉反變換（IFFT)單元輸入端，快速傅立葉反變換 (IFFT)單元輸出端接加入循環(huán)前綴單元輸入端，加入循環(huán)前綴單元輸出端接加窗單元輸入 端；
[0008] 接收端的時(shí)間同步單元輸入端接所述發(fā)送端的加窗單元輸出端信號(hào)、時(shí)間同步單 元輸出端接載波同步單元輸入端，載波同步單元輸出端接去循環(huán)前綴單元輸入端，去循環(huán) 前綴單元輸出端接多路混頻濾波單元輸入端，多路混頻濾波單元輸出端接線性調(diào)頻 (chirp)相關(guān)解調(diào)單元輸入端，線性調(diào)頻(chirp)相關(guān)解調(diào)單元輸出端接信道解碼單元輸入 端，信道解碼單元輸出端輸出數(shù)據(jù)，載波同步單元輸出端同時(shí)接頻率跟蹤單元輸入端。
[0009] 一種基于頻域線性調(diào)頻(cM巧)擴(kuò)頻的水聲通信方法，采用上述一種基于頻域線 性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)，所述水聲通信方法包括W下步驟：
[0010] 1)在水聲通信發(fā)送端:首先將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，對(duì)編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域 線性調(diào)頻(cM巧）映射，即根據(jù)編碼后的數(shù)據(jù)(0或者1)選擇頻域上調(diào)頻信號(hào)(up-chirp)和 頻域下調(diào)頻信號(hào)（down-chirp),然后對(duì)頻域線性調(diào)頻(chirp)映射后的數(shù)據(jù)進(jìn)行子載波映 射，再經(jīng)過傅里葉反變換（IFFT)，接著加入循環(huán)前綴和加窗，最后將信號(hào)發(fā)送到水聲信道 中；
[0011] 2)在水聲通信系統(tǒng)接收端:首先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步和載波同步、頻率 跟蹤過程，再經(jīng)過去除循環(huán)前綴，接著對(duì)接收到的信號(hào)分別和每個(gè)頻域線性調(diào)頻(chirp)數(shù) 據(jù)的中屯、頻率進(jìn)行混頻濾波，得到多路混頻濾波后的信號(hào)，然后將多路混頻濾波后的信號(hào) 分別與時(shí)域上調(diào)頻信號(hào)(up-ch i巧)和下調(diào)頻信號(hào)(down-chi巧)作線性調(diào)頻(ch i巧)相關(guān)解 調(diào)，再對(duì)相關(guān)結(jié)果作判決得到(0或者1)，最后通過信道譯碼，輸出還原回來的數(shù)據(jù)。
[0012] 在步驟1)中，所述對(duì)頻域線性調(diào)頻（chirp)信號(hào)的映射，是先對(duì)時(shí)域的線性調(diào)頻 (chirp)信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到頻域的線性調(diào)頻(chirp)信號(hào)，所述線性調(diào)頻 (chirp)信號(hào)包括上調(diào)頻信號(hào)(up-chirp)和下調(diào)頻信號(hào)(down-cM;rp)兩種，進(jìn)行快速傅立 葉變換(FFT)后得到頻域上調(diào)頻信號(hào)(叫-chirp)數(shù)據(jù)和頻域下調(diào)頻信號(hào)（down-chirp)數(shù) 據(jù)，根據(jù)信道編碼后的數(shù)據(jù)(0或者1)，選擇對(duì)應(yīng)的上調(diào)頻信號(hào)（up-chirp)或下調(diào)頻信號(hào) (down-chi巧)頻域數(shù)據(jù)即完成頻域線性調(diào)頻(chi巧)映射。
[0013] 在步驟2)中，所述多路混頻濾波，是指將接收到的信號(hào)分別和每個(gè)頻域線性調(diào)頻 (chirp)數(shù)據(jù)的中屯、頻率進(jìn)行混頻濾波，得到多路混頻濾波后的信號(hào)。
[0014] 在步驟2)中，所述線性調(diào)頻(chirp)相關(guān)解調(diào)，是指將多路混頻濾波后的信號(hào)分別 與時(shí)域上調(diào)頻信號(hào)(up-ch i巧)和下調(diào)頻信號(hào)(down-chi巧)做相關(guān)運(yùn)算，再通過對(duì)相關(guān)的結(jié) 果判決得到解調(diào)數(shù)據(jù)(0或者1)。
[0015] 在步驟2)中，所述頻率跟蹤，是指發(fā)送信號(hào)的最邊緣的有效子載波為兩個(gè)單頻率 信號(hào)，頻率分別為-^和^，（其中8為信號(hào)有效帶寬），對(duì)運(yùn)兩個(gè)單頻信號(hào)做載波同步運(yùn)算 Z 么 后，可W求得最邊緣兩個(gè)子載波的頻率誤差A(yù) fi、Δ f2,然后經(jīng)過線性內(nèi)插運(yùn)算得到第i子載 波頻率誤差為
其中N為有效子載波數(shù)。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明的有益效果如下：
[0017] 在水下具有多種通信方式，其中，最重要和最直接的通信方式是語音通信，但水下 的語音通信信道環(huán)境是多變復(fù)雜的，存在噪聲高和多徑強(qiáng)等特點(diǎn)。在運(yùn)種信道環(huán)境極其惡 劣的情況下，保證語音穩(wěn)定、高質(zhì)量、遠(yuǎn)距離的傳輸，對(duì)于潛水員的生命和水下潛水任務(wù)的 成敗具有重要的意義。由于線性調(diào)頻(chirp)信號(hào)本身具有抗多徑、抗噪聲、抗多普勒頻移 的特點(diǎn)，所W本發(fā)明與傳統(tǒng)的水聲通信系統(tǒng)相比，提高了水聲通信系統(tǒng)的抗多徑、抗噪聲、 抗多普勒頻移等特性，本發(fā)明在接收端用多路混頻濾波代替傅里葉變換(FFT)極大降低水 聲通信系統(tǒng)的復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系統(tǒng)組 成框圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信方法中 的子載波映射圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信方法中 的在高斯噪聲環(huán)境下的誤碼率曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于頻域線性調(diào)頻（chirp)擴(kuò)頻的水聲通信系 統(tǒng)，包括發(fā)送端和接收端兩個(gè)部分，發(fā)送端包括信道編碼單元、頻域線性調(diào)頻(chirp)映射 單元、子載波映射單元、快速傅立葉反變換（IFFT)單元、加入循環(huán)前綴單元和加窗單元;接 收端包括時(shí)間同步單元、載波同步單元、去循環(huán)前綴單元、多路混頻濾波單元、線性調(diào)頻 (chirp)相關(guān)解調(diào)單元、信道解碼單元和頻率跟蹤單元；
[0022] 發(fā)送端的信道編碼單元輸入端輸入接數(shù)據(jù)信號(hào)，信道編碼單元輸出端接頻域線性 調(diào)頻(chirp)映射單元輸入端，頻域線性調(diào)頻(chirp)映射單元輸出端接子載波映射單元輸 入端，子載波映射單元輸出端接快速傅立葉反變換（IFFT)單元輸入端，快速傅立葉反變換 (IFFT)單元輸出端接加入循環(huán)前綴單元輸入端，加入循環(huán)前綴單元輸出端接加窗單元輸入 端；
[0023] 接收端的時(shí)間同步單元輸入端通過信道接收所述發(fā)送端的加窗單元輸出端信號(hào)、 時(shí)間同步單元輸入端接載波同步單元輸入端，載波同步單元輸出端接去循環(huán)前綴單元輸入 端，去循環(huán)前綴單元輸出端接多路混頻濾波單元輸入端，多路混頻濾波單元輸出端接線性 調(diào)頻(chirp)相關(guān)解調(diào)單元輸入端，線性調(diào)頻(chirp)相關(guān)解調(diào)單元輸出端接信道解碼單元 輸入端，信道解碼單元輸出端輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，載波同步單元輸出端同時(shí)接頻率跟蹤單元輸 入端。
[0024] 參見圖2和3,本發(fā)明實(shí)施例所述一種基于頻域線性調(diào)頻(chirp)擴(kuò)頻的水聲通信 方法，具體的實(shí)施流步驟是:發(fā)送端首先將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，對(duì)編碼后的信號(hào)進(jìn)行頻 域線性調(diào)頻(chirp)映射，根據(jù)編碼后的數(shù)據(jù)(0或者1)選擇頻域上調(diào)頻信號(hào)(up-chirp)和 下調(diào)頻信號(hào)(down-chirp),然后對(duì)頻域線性調(diào)頻(chirp)映射后的數(shù)據(jù)進(jìn)行子載波映射，再 經(jīng)過傅里葉反變換（IFFT)，接著加入循環(huán)前綴和加窗發(fā)送到水聲信道中；在接收端首先對(duì) 接收到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同