一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法技术

一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法，所述解调器以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、USB接口和供电模块；所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；所述USB接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作。本发明专利技术融合了正交差分相移键控技术，实现了收发一体与收发分置的切换。

An underwater acoustic modem and modulation method based on orthogonal differential phase shift keying modulation

An underwater acoustic modem and modulation method based on positive differential phase shift keying modulation. The demodulator is based on a microcontroller, and also includes a mode switcher, a transmitting part, a receiving part, a USB interface, and a power supply module. The transmitting part is a transmission end signal amplification circuit, a transmitter and a transmitter, and a transmitter, and a transmitter and a power supply module. The software part consists of a variable encoder, modulator and a waveform shaper that performs functional functions through a program. The receiving part is performed by the hardware part of the receiving transducer, the receiver first level signal amplification circuit, the bandpass filter circuit, the receiver two level signal amplification circuit and the soft part through the program. The USB interface is used to interact with the computer when the underwater acoustic modem is separated from the surface of the water; the power supply module is used to power the underwater acoustic modem to make it work normally. The invention integrates the cross differential phase shift keying technology, and realizes the switch between transceiver and transceiver.

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法
本专利技术涉及水声通信
，尤其是一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法。
技术介绍
随着水下传感器技术和现代通信技术的发展，人类对海洋等水下空间环境的应用需求不断提高，越来越多的国家开始重视水声传感网络的研究。水声传感网络以声通信的方式进行信息交互，为保证数据稳定、实时的传输，亟需设计一种体积小、成本低、功耗低和可靠性高的水声调制解调器。在现有技术中检索发现，中国专利申请号为201620077806.5，名称为：一种自发电的水声调制解调器，该专利技术利用海洋能发电模块进行电能的补充。上述水声调制解调器侧重于发电模块的设计，并假设水声换能器一直处于信息收发状态，增加了网络能耗。在实际水下环境中，水声调制解调器供电模块能量有限，且不易更换，如何在保证水声通信质量的前提下，对换能器设计相应的切换机制，以降低网络能耗，显得尤为重要。再有，中国专利申请号为201220371949.9，名称为：一种水下调制解调器。该专利技术采用正交相移扩频通信技术，调制方案为绝对相移键控，解调时采用相干解调方案。受水下环境噪声以及水下沉积物等复杂环境影响，相干解调方案在载波恢复时候易出现相位模糊现象，导致解调判断错误。上述不足阻碍了信息在水下环境中的有效传输，进而降低了数据传输的实时性与有效性。又经检索发现，中国专利申请号为201110224601.7，名称为：一种无线和水声通信浮标，该专利技术以数字信号处理芯片作为信号处理核心，提供了一种性能可靠、操作简单、维护管理智能化程度高，可用于水声传感网络的水声调制解调器载体。但该专利技术设备体积重量大、非模块化设计、整体结构复杂、功耗高，进而降低了水声调制解调器的可移植性与使用寿命，使其容易在工作过程中因电量衰竭而死亡，难以满足大规模组网的需求。因此，如何在水下弱通信环境中考虑不同通信介质，利用模块化方法设计一种既能保证水下信息可靠获取，又能实现水面数据高效回传的低成本、低功耗的具有收发模式切换能力的水声调制解调器显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器及调制方法，所述水声调制解调器具有收发一体与收发分置切换能力、功耗低、效率高以及价格低廉等特点。为了解决上述存在的技术问题实现专利技术目的，本专利技术采取如下技术方案：一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器，以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、USB接口和供电模块；所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；发送数据时，在微控制器中，可变编码器调用相应的编码算法将水下搜集的信息进行信源编码，调制器再调用数字调制算法将编码后的信号进行数字调制，然后波形成型器调用波形成型算法将调制后的信号转换为模拟信号，并输送到发送端信号放大电路；发送端信号放大电路用于接收微控制器模拟信号，并完成信号放大；发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路顺次连接；接收数据时，接收换能器将水声信号转换成模拟信号输入给接收端一级信号放大电路，接收端一级信号放大电路完成信号放大，并将放大的信号输送给带通滤波电路；带通滤波电路对接收的一级放大信号进行带通滤波，然后将信号输入给接收端二级信号放大电路；接收端二级信号放大电路再对接收的信号进行信号放大以及实现信号的电平转换并输送到微控制器中；在微控制器中，首先调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，解调器再调用数字解调算法进行判决和数字解调，解码器最后调用解码算法完成信道译码；所述USB接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作；所述模式切换器提供了收发分置和收发一体两种模式，当处于收发分置模式时，发送换能器和接收换能器分别为独立的换能器，当处于收发一体模式时，发送换能器和接收换能器为同一个换能器，即发送信息时称为发送换能器而接收信息时称为接收换能器，在这两种模式中，模式切换器的工作机制均相同；所述模式切换器是由两个整流管、两个功率电阻和两个开关管组成；第一整流管与第二整流管反向并联后的一端接发射端电路，另一端接发射换能器和第一功率电阻的一端；第一开关管与第二开关管反向并联后的一端接地，另一端连接第一功率电阻的另一端和第二功率电阻的一端，第二功率电阻的另一端连接接收换能器和接收端电路。所述一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器的调制方法，其内容包括以下步骤：步骤1、模式切换器可自动对模式进行感知，再根据自身的固有阈值与发送信号或者接收换能器采集的信号进行比较，确定所述水声调制解调器的收发状态，从而选择信息传输方向；步骤2、当所述水声调制解调器为发射状态时，调用调制算法对传输信号进行调制，并通过发射端信号放大电路发射出去；当发射信号时，微控制器依据用户的不同请求调用相应的码制进行适应的编码，把字符信号转化为二进制信号；然后打包成数据帧，形成有效的基带数字信号m(t)：⑴式中，t为时间，概率p为随机值，随信号的不同而不同；相移键控调制是利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息的一种调制形式；具体调制为：输入串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的序列an和bn，再由电平转换g(t)发生双极性二电平脉冲信号I(t)和Q(t)，映射规则为“1”→“+1”，“0”→“-1”。然后对cosωct和sinωct进行调制，得到正交相移键控信号；完成正交相移键控调制后将两路信号相加，进行差分相移键控调制，即用前后码元的相位差来表示数字信息，调制出最后的信息s(t)；在调制过程中，I(t)、Q(t)支路的脉冲成型方式一样，其中，I(t)支路的信号可以表示为：⑵式中，g(t)为信号包络波形，为矩形波，幅度为1；TS为时间宽度；ωc为载波角频率；an就是被调制的信息，取值为“+1”或“-1”；g(t)是一段模拟信号，它与an和cosωct相乘，就完成了调制；在设计g(t)的波形时，把通信系统的整个响应设计成在接收端的每个采样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全为零，避免了把g(t)设计成矩形脉冲时信号相位在翻转时的调制波形出现不连续的跳变现象，消除了码间串扰问题，降低了误码率；其中，s(t)调制信号可以表示为：⑶式中，g(t)为信号包络波形，为矩形波，幅度为1；TS为时间宽度；ωc为载波角频率；为第n个码元对应的相位；即调制信号s(t)表示成正交形式为：⑷式中，由⑷式可知正交相移键控的功率谱主瓣窄，频带利用率较高；信号调制完后进入到发送端信号放大电路；其为二级信号放大电路；第一级放大电路，采用共集电极放大方式，完整索取信号电压，避免信号传输的失真；第二级放大电路，采用的放大方式也是共集电极方式，此放大方式输出电阻小，处在输出级几乎可以把全部的电压加载在发射换能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.水声调制解调器以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、USB接口和供电模块；所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；发送数据时，在微控制器中，可变编码器调用相应的编码算法将水下搜集的信息进行信源编码，调制器再调用数字调制算法将编码后的信号进行数字调制，然后波形成型器调用波形成型算法将调制后的信号转换为模拟信号，并输送到发送端信号放大电路；发送端信号放大电路用于接收微控制器模拟信号，并完成信号放大；发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路顺次连接；接收数据时，接收换能器将水声信号转换成模拟信号输入给接收端一级信号放大电路，接收端一级信号放大电路完成信号放大，并将放大的信号输送给带通滤波电路；带通滤波电路对接收的一级放大信号进行带通滤波，然后将信号输入给接收端二级信号放大电路；接收端二级信号放大电路再对接收的信号进行信号放大以及实现信号的电平转换并输送到微控制器中；在微控制器中，首先调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，解调器再调用数字解调算法进行判决和数字解调，解码器最后调用解码算法完成信道译码；所述USB接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作；所述模式切换器提供了收发分置和收发一体两种模式，当处于收发分置模式时，发送换能器和接收换能器分别为独立的换能器，当处于收发一体模式时，发送换能器和接收换能器为同一个换能器，即发送信息时称为发送换能器而接收信息时称为接收换能器，在这两种模式中，模式切换器的工作机制均相同；所述模式切换器是由两个整流管、两个功率电阻和两个开关管组成；第一整流管与第二整流管反向并联后的一端接发射端电路，另一端接发射换能器和第一功率电阻的一端；第一开关管与第二开关管反向并联后的一端接地，另一端连接第一功率电阻的另一端和第二功率电阻的一端，第二功率电阻的另一端连接接收换能器和接收端电路。...

【技术特征摘要】
1.水声调制解调器以微控制器为核心，还包括模式切换器、发射部分、接收部分、USB接口和供电模块；所述发射部分由硬件部分的发送端信号放大电路、发送换能器以及软件部分通过程序来完成功能作用的可变编码器、调制器和波形成型器组成；发送数据时，在微控制器中，可变编码器调用相应的编码算法将水下搜集的信息进行信源编码，调制器再调用数字调制算法将编码后的信号进行数字调制，然后波形成型器调用波形成型算法将调制后的信号转换为模拟信号，并输送到发送端信号放大电路；发送端信号放大电路用于接收微控制器模拟信号，并完成信号放大；发射换能器与发送端信号放大电路连接，完成模拟信号到水声信号的转换；所述接收部分由硬件部分的接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路、接收端二级信号放大电路以及软件部分通过程序来完成功能作用的解调器和解码器组成；接收换能器、接收端一级信号放大电路、带通滤波电路和接收端二级信号放大电路顺次连接；接收数据时，接收换能器将水声信号转换成模拟信号输入给接收端一级信号放大电路，接收端一级信号放大电路完成信号放大，并将放大的信号输送给带通滤波电路；带通滤波电路对接收的一级放大信号进行带通滤波，然后将信号输入给接收端二级信号放大电路；接收端二级信号放大电路再对接收的信号进行信号放大以及实现信号的电平转换并输送到微控制器中；在微控制器中，首先调用相应的算法将模拟信号转换为数字信号，解调器再调用数字解调算法进行判决和数字解调，解码器最后调用解码算法完成信道译码；所述USB接口用于所述水声调制解调器脱离水面时与计算机进行信息交互；所述供电模块用于给所述水声调制解调器供电，使其正常工作；所述模式切换器提供了收发分置和收发一体两种模式，当处于收发分置模式时，发送换能器和接收换能器分别为独立的换能器，当处于收发一体模式时，发送换能器和接收换能器为同一个换能器，即发送信息时称为发送换能器而接收信息时称为接收换能器，在这两种模式中，模式切换器的工作机制均相同；所述模式切换器是由两个整流管、两个功率电阻和两个开关管组成；第一整流管与第二整流管反向并联后的一端接发射端电路，另一端接发射换能器和第一功率电阻的一端；第一开关管与第二开关管反向并联后的一端接地，另一端连接第一功率电阻的另一端和第二功率电阻的一端，第二功率电阻的另一端连接接收换能器和接收端电路。2.根据权利要求1所述一种基于正交差分相移键控调制的水声调制解调器得调制方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：步骤1、模式切换器可自动对模式进行感知，再根据自身的固有阈值与发送信号或者接收换能器采集的信号进行比较，确定所述水声调制解调器的收发状态，从而选择信息传输方向；步骤2、当所述水声调制解调器为发射状态时，调用调制算法对传输信号进行调制，并通过发射端信号放大电路发射出去；当发射信号时，微控制器依据用户的不同请求调用相应的码制进行适应的编码，把字符信号转化为二进制信号；然后打包成数据帧，形成有效的基带数字信号m(t)：⑴式中，t为时间，概率p为随机值，随信号的不同而不同；相移键控调制是利用基带数字信号控制载波相位的变化来传输数字信息的一种调制形式；具体调制为：输入串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的序列an和bn，再由电平转换g(t)发生双极性二电平脉冲信号I(t)和Q(t)，映射规则为“1”→“+1”，“0”→“-1”。然后对cosωct和sinωct进...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晛，钟瑞林，闫敬，田旭阳，孙彦龙，王雪翔，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北,13