一种水声通信系统中时频编码的方法技术方案

一种水声通信系统中时频编码的方法，涉及水声通信。发送端：将待发送的二进制序列分组；将分组的码元进行时频编码；在时频编码后的信号前添加同步信号和保护间隔，通过换能器将信号发送出去；接收端：接收到的信号先通过窄带滤波器滤波，得到四个通道的窄带信号；对每一通道信号进行同步处理，将接收端对应通道的本地Chirp信号与接收到的信号做相关运算，得到相关峰的位置，即得到同步信号的起始点，根据发送数据的数据格式，得到时频编码信号的起始点；每一通道取得同步位置后，解调模块对每一通道的信号进行处理；将对应的四个时隙的相关最大值求和，最后比较十六个组合器输出值，和值最大的组合器所代表的码组即判定为发送的码组。

【技术实现步骤摘要】
一种水声通信系统中时频编码的方法
本专利技术涉及水声通信，尤其是涉及一种水声通信系统中时频编码(TimeFrequencyShiftKeying,TFSK)的方法，属于水声信号处理

技术介绍
在传统的短波数据传输系统中(沈琪琪，朱德生.短波通信.西安：西安电子科技大学出版社，1989)，严重的衰落以及由于多径效应所造成的码元串扰，限制了通信质量的进一步提高。对此，采用了各种有效的抗衰落和抗多径的措施。目前，在短波线路上广泛采用的抗衰落和抗多径的技术措施有以下几种：高频自适应技术、抗衰落良好的调制键控技术、分集接收技术、差错控制技术。分集接收技术是指接收端消息的恢复是在多重接收的基础上，并利用接收到的多个信号的适当组合或选择，来缩短信号电平徒降到不能利用的那部分时间，从而达到提高通信质量和可通率的技术。在短波通信中，最常用的分集方式有空间分集、频率分集、时间分集。频率和时间分集适用于多路传输的无线电线路，此时，消息被重复传输。频率分集有带内和带外频率分集之分，二重带外频率分集需要两部调在不同高频上的发射机同时发射同一消息，并用两部独立的接收机来接收。这种方式付出代价大，频谱利用低。声频电报系统(WTK系统)广泛采用带内频率分集，只需要两个频率间隔足够大的窄带报路传送同一消息，即可获得频率分集的效果。频率分集的缺点是功率分散，若采用m个不同频率同时发送同一消息，则每一通道上的发送功率仅为总功率的1/m。时间分集是建立在快衰落是具有时间独立性的基础之上的，只要两次时间重发的间隔足够大，各次发送的信号经过信道后，出现的衰落将是彼此独立的，因此，时间分集具有可以有效地抗深度衰落。除此之外，时间分集还可以抗宽带噪声所造成的突发错误，这是由于这类噪声与空间、频率等高度相关，唯独与时间无关。为了达到纠正突发错误的目的，要求时间分集系统多次重发同一数据信号，这就直接使得时间分集系统不适用于速率要求较高的系统。频率—时间分集系统的误码效果优于频率分集和时间分集，但是它们的不足还是无法避免，特别是频率分集的功率分散问题。时频编码是一种抗衰落良好的调制键控技术，也可看做分集的一种方式。时频编码是指在一个或一组二进制符号的持续时间内，用若干个窄的高频脉冲的组合来传送原二进制数据流，每一个高频脉冲在不同时隙内具有不同的频率。以四进制四时四频为例，在四个时隙采用四个频率载波来传送一个四进制数(即两个二进制码元)。例如，当发送二进制码元组为“00”时，第一个时隙发送频率为“f1”的载波，第二个时隙发送频率为“f2”的载波，第三个时隙发送频率为“f3”的载波，第四个时隙发送频率为“f4”的载波(简写为“f1f2f3f4”)。当发送码组为“01”时，则用“f2f4f1f3”这种编排次序来表示。若将时频编码和跳频系统相比较，可以将这种时频调制传输系统看做一种比较简单的或派生的跳频系统，因为它具有跳频系统的一些特点，如跳频速率高于信码，跳频的规律决定于预先给信码规定的频率编排等。只要选用的频率之间具有足够大的频差，则它们具有相关性不大的衰落性，从而起到分集的效果，但却克服了分集接收的一些不足之处，如频率分集中功率分散的问题，且时频编码通信体制编解码简单，系统的稳健性比较高。对于水声通信系统来说，为了克服多径效应引起的码间干扰(ISI,IntervalSignalInterference)，码间距离越大越好，但是码间距离增大会导致速率迅速降低，同时为了提高通信距离，又希望码元有足够的宽度，这也会导致通信速率的降低。因此，如何协调解决提高通信速率、增大通信距离、减小频带占用率、降低系统复杂度之间的矛盾，一直是困恼水声通信的问题。国内外研究者对PSK、DPSK、以及MFSK等水声通信体制进行了研究，并取得了部分成果。时频编码在一定的通信速率的条件下，将码元间距调整到足够宽，时频编码通信体制具有较强的抗多途、抗衰落的能力。在水声通信系统中，现有的研究主要是基于四进制四时四频时频编码方法的(王瑜，王辉，相敬林.时频编码水声通信技术及性能分析.西北工业大学学报，2004年10月)。当系统采用四进制四时四频制时(选用的四个频点是正交的)，抗衰落的性能基本上接近四重频率分集。但是，这种四进制四时四频的编码方案对于频带的利用率比较低，而且通信速率也不高。水声信道可利用的频带本来就窄(通常采用2～6kHz)，而四进制四时四频通信体制在保证频率之间正交性的情况下只采用了四个频点，频带的利用率较低。另外，当载波宽度为10ms时，通信速率为50bits/s，而载波宽度为5ms时，通信速率也才达到100bits/s。综上所述，时频编码编码相较于频率分集、时间分集以及频率—时间分集，在具有分集接收效果的基础上，能够避免分集接收的一些不足。而且，目前研究的四进制四时四频时频编码方案仍存在水声频谱利用率低、通信速率不高等不足，因此，设计一种与分集接收的抗衰落性能相接近、有效利用有限水声带宽且通信速率较高的时频编码方案具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供在抗衰落性能接近频率四重分集的基础上实现有限水声频带的有效利用，同时提高通信速率的一种水声通信系统中时频编码的方法。本专利技术所述水声通信系统中时频编码的方法如下：发送端：1)将待发送的二进制序列进行分组，每四个码元为一组；2)将分组的码元根据表1中的码组与载波频率组合之间的对应关系进行时频编码；表1表1中，fij表示第i组中的第j个频率,Ci表示第i个组合器；3)在时频编码后的信号前添加同步信号和保护间隔，所述同步信号采用的是具有强自相关性的线性调频(Chirp)信号；在步骤3)中，所述线性调频信号可以最大限度地利用传输带宽，对水声信道上多途传输和多普勒展宽造成的衰落和失真均不敏感，所以在水声通信系统中考虑采用线性调频信号作为同步信号，由于在接收端采用多通道处理技术，因此采用多个窄带线性调频信号。添加保护间隔是防止线性调频信号对时频编码信号产生干扰。4)通过换能器将信号发送出去；接收端：所述接收端包括窄带滤波器、同步处理模块、解调模块和组合器模块，具体操作如下：1)窄带滤波：接收到的信号先通过窄带滤波器滤波，得到2～3kHz，3～4kHz，4～5kHz，5～6kHz四个通道的窄带信号；2)同步处理：对每一通道信号进行同步处理，将接收端对应通道的本地Chirp信号与接收到的信号做相关运算，得到相关峰的位置，即得到同步信号的起始点，根据发送数据的数据格式，得到时频编码信号的起始点；3)解调：每一通道取得同步位置后，解调模块对每一通道的信号进行处理，具体操作如下：a)取一个时隙TC的信号，将其与每一通道对应的四个本地载波信号做相关运算，取相关最大值，例如取2～3kHz通道第一个时隙的信号，将其与本地这一通道的四个频率f11、f21、f31、f41载波做相关运算，得到四个相关最大值，其他三个通道进行同样的操作，对于一个时隙的信号有十六个相关最大值；b)照步骤a)的操作，经过四个时隙之后，得到六十四个相关最大值并送入相应的组合器，组合器与码组的对应关系以及组合器所要取的相关最大值对应的频率如表1所示。例如，组合器C1取以下四个值：2～3kHz通道第一个时隙信号与频率为f11载波的相关峰值、3～4kHz通道第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水声通信系统中时频编码的方法，其特征在于其具体步骤如下：发送端：1)将待发送的二进制序列进行分组，每四个码元为一组；2)将分组的码元根据表1中的码组与载波频率组合之间的对应关系进行时频编码；表1表1中，fij表示第i组中的第j个频率,Ci表示第i个组合器；3)在时频编码后的信号前添加同步信号和保护间隔，所述同步信号采用的是具有强自相关性的线性调频信号；4)通过换能器将信号发送出去；接收端：所述接收端包括窄带滤波器、同步处理模块、解调模块和组合器模块，具体操作如下：1)窄带滤波：接收到的信号先通过窄带滤波器滤波，得到2～3kHz，3～4kHz，4～5kHz，5～6kHz四个通道的窄带信号；2)同步处理：对每一通道信号进行同步处理，将接收端对应通道的本地Chirp信号与接收到的信号做相关运算，得到相关峰的位置，即得到同步信号的起始点，根据发送数据的数据格式，得到时频编码信号的起始点；3)解调：每一通道取得同步位置后，解调模块对每一通道的信号进行处理，具体操作如下：a)取一个时隙TC的信号，将其与每一通道对应的四个本地载波信号做相关运算，取相关最大值，例如取2～3kHz通道第一个时隙的信号，将其与本地这一通道的四个频率f11、f21、f31、f41载波做相关运算，得到四个相关最大值，其他三个通道进行同样的操作，对于一个时隙的信号有十六个相关最大值；b)照步骤a)的操作，经过四个时隙之后，得到六十四个相关最大值并送入相应的组合器，组合器与码组的对应关系以及组合器所要取的相关最大值对应的频率如表1所示；例如，组合器C1取以下四个值：2～3kHz通道第一个时隙信号与频率为f11载波的相关峰值、3～4kHz通道第二个时隙信号与频率为f12载波的相关峰值、4～5kHz通道第三个时隙信号与频率为f13载波的相关峰值以及5～6kHz通道第四个时隙信号与频率为f14载波的相关峰值；组合器C2取以下四个值：2～3kHz通道第三个时隙信号与频率为f11载波的相关峰值、3～4kHz通道第一个时隙信号与频率为f12载波的相关峰值、4～5kHz通道第四个时隙信号与频率为f13载波的相关峰值以及5～6kHz第二个时隙信号与频率为f14载波的相关峰值，以此类推，十六个组合器都会有对应的四个相关最大值输入；4)组合器模块：将对应的四个时隙的相关最大值求和，最后比较十六个组合器输出值，和值最大的组合器所代表的码组即判定为发送的码组。...

【技术特征摘要】
1.一种水声通信系统中时频编码的方法，其特征在于其具体步骤如下：发送端：1)将待发送的二进制序列进行分组，每四个码元为一组；2)将分组的码元根据表1中的码组与载波频率组合之间的对应关系进行时频编码；表1表1中，fij表示第i组中的第j个频率,Ci表示第i个组合器；3)在时频编码后的信号前添加同步信号和保护间隔，所述同步信号采用的是具有强自相关性的线性调频信号；4)通过换能器将信号发送出去；接收端：所述接收端包括窄带滤波器、同步处理模块、解调模块和组合器模块，具体操作如下：1)窄带滤波：接收到的信号先通过窄带滤波器滤波，得到2～3kHz，3～4kHz，4～5kHz，5～6kHz四个通道的窄带信号；2)同步处理：对每一通道信号进行同步处理，将接收端对应通道的本地线性调频信号与接收到的信号做相关运算，得到相关峰的位置，即得到同步信号的起始点，根据发送数据的数据格式，得到时频编码信号的起始点；3)解调：每一通道取得同步位置后，解调模块对每一通道的信号进行处理，具体操作如下：a)取一个时隙TC的信号，将其与每一通道对应的四个本地载波信号做相关运算，取相关最大值，例如取2～3kHz通道第一个时隙的信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王德清，林玉容，解永军，苏为，胡晓毅，许芳，陈华宾，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35