专利名称：一种水声通信系统的制作方法
技术领域：
本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种水声通信系统。
背景技术：
水声通信技术所应用的自然环境一般为浅海。在浅海中，主要的环境噪声有水动力噪声 (500Hz 50kHz)、海水热噪声(50kHz 200kHz)等，远程水声信道大多只能传输15kHz以 下的信号。与无线电通信和有线通信相比，水声信道是一个时变、空变、频变的随机窄带信 道，严重的多途干扰和多普勒频偏是水声通信误码率居高不下的主要原因，多径传播效应、 海流影响、能量在海底的传播等因素引起信号时域展宽，从而引起频率选择性衰落；收发平 台间相对运动、海流(如潮汐、内波、漩涡等)的影响、海面运动引起的散射、海水中的信 号衰落等会引起多径信号的多普勒扩展，即一种由多普勒频移现象引起的信号衰落过程的频 率扩展，又称时间选择性衰落。当水质一定时，多普勒频移与载波频率以及移动台的移动速 度都成正比。扩频调制是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的射频通 信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。扩频技术 具有抗干扰、抗多途、保密性强和易于实现码分多址许多窄带通信所不具备的优良性能，而 且扩频信号的相关增益可以使得在负信噪比的条件下进行信号的恢复，适用于水下低性噪比 的环境。扩频技术包含直接序列扩频、跳频、码分多址(Code Diversion Multiple Access, CDMA) 和直接序列扩频码分多址(Direct Sequence Code Diversion Multiple Access, DS-CDMA)等技 术。但水声通信可用频带有限，多径效应使码元速率不可太大，所以扩频序列脉宽通常较大； 若把现有的扩频调制技术直接地、单独地引入到水声通信系统中，将导致扩频水声系统承载 的信息速率很低。克服信道多径所产生的码间干扰的最简单方法是在各码片之间留有足够长的等待时隙， 使其码元间的时间间隔大于多径最大时延，但该方法会导致通信速率很低。目前，对克服多 径干扰、提高通信质量所进行的大部分研究都集中在扩频或正交频分复用调制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术上，且OFDM技术一般应用在信道带宽较宽的通信系统(如无线电通信系统)中；而对如何克服水声通信中多径干扰的研究尚在初期。单载波频域均衡(Single Carrier-Frequency Domain Equalization, SC-FDE)和OFDM都是 正EE802. 16体系制定空中接口标准的物理层关键技术，两者在原理和实现结构上都有很多相 似之处，如都利用了快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)，并在每一帧符号前面添 加循环前缀(Cyclic Prefix, CP)，以克服多径引起的码间干扰，区别主要在于快速傅立叶变换 和反快速傅立叶变换(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)的位置不同，对于单载波频域均 衡来说，FFT和IFFT位置全部在接收端。单载波频域均衡的计算复杂度比相应的时域均衡计 算复杂度小很多，其复杂度随信道色散长度(码元扩展长度)的对数成线性变化，而时域均 衡随信道色散长度成线性变化。单载波频域均衡系统可以弥补OFDM系统的不足，并同时具有许多OFDM所没有的优点(1) SC-FDE不存在多个载波的叠加，与OFDM相比大大减小了峰均功率比，这意味着对 功率放大器的线性要求降低了，可以采用较低廉的功率放大器；(2) SC-FDE对于载波频偏不像OFDM那样敏感；(3) SC-FDE在信道冲击响应持续时间很长的情况下，能够提供和OFDM几乎相同的性能， 如克服频率选择性衰落、频谱效率高、抗多径能力强；(4) SC-FDE系统和OFDM系统在结构上相似，在计算复杂度上基本相当。 解决多径干扰问题也可以通过分集技术。多入多出(Multiple I叩ut Multiple Output,MIMO)技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，各发射天线同时发送的信号 占用同一个频带，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容 量。MIMO技术在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落。 MIMO技术大致可分为空时编码和空间复用两种，其中空时编码技术能够提高分集增益，从 而降低信号的误码率。空间复用可以在不需要增加频带的条件下，增大信道容量，从而提高 传输速率。收发信机可以采用水声换能器阵方式实现MIMO技术。 由信息论可知，平坦MIMO信道的信道容量为<formula>formula see original document page 5</formula>式中，g定义为其中i/为信道矩阵，p^《/iV。为平均接收信噪比， 、 分别为接收天线和发送天线数。当各天线之间的信道^不相关时，￡(//7/')所有的特征值"都近似相等。MIMO信道的 容量可以表示为C min("r,) log(l + Z " (3)由上式可见，MIMO信道容量是随发射天线和接收天线数目的最小值z-min["f，"']呈线 性增加的。如果两个不同空间位置间距大于天线之间的相关距离(通常相隔十个信号波长以 上)，就认为两处的信号完全不相关，所以天线间距应适当拉开，以保证发射、接受信号的相 互独立性，实现增大MIMO信道容量。MIMO技术可以利用传播中的多径分量，即抗多径衰落，并能在不增加带宽的条件下增 大信道容量，提高信息传输速率，但是对于频率选择性深衰落，MIMO技术依旧无能为力。 SC-FDE技术可以抑制信号的频率选择性衰落，提高频谱利用率，扩频技术能够抗干扰、抗 多径、并能在低信噪比下实现可靠通信，保密性好，但是水下多径效应使码元速率不可太大， 从而扩频水声系统承载的信息速率很低，所以，有必要将MIMO技术、扩频技术和SC-FDE 技术结合起来，不仅能抑制水声信道的多径干扰，还能克服信号的频率选择性深衰落，增大 信道容量，提高信息传输速率。发明内容本发明的目的是针对现有技术的缺陷与不足，提出了一种抗多径干扰、提高频谱利用率、 增大信道容量、提高信息传输速率、提高保密性、补偿多普勒频移、实现低信噪比(甚至负 信噪比)的水声通信系统。本发明的目的通过以下技术方案实现的 一种水声通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于所述发射机包括多入多出空间复用单元(即MIMO空间复用单元)、若干个扩频单元、若干个单载波频域均衡预处理模块(即SC-FDE预处理模块)和若干个发射声纳，其中多入多出空间复用单元的若干个输出端与若干个扩频单元一一对应连接，每个扩频单元连 接到一个单载波频域均衡预处理模块，每个单载波频域均衡预处理模块连接到一个发射声纳；所述接收机包括若干个接收声纳、若干个滤波检测单元、若干个单载波频域均衡模块(即 SC-FDE模块)、若干个解扩单元和多入多出解复用单元(即MIMO解复用单元)，其中每个 接收声纳与一个滤波检测单元相连，每个滤波检测单元连接到一个单载波频域均衡模块，每个单载波频域均衡模块连接到一个解扩单元，若干个解扩单元与多入多出解复用单元的若干 输入端一一对应连接。所述每个扩频单元包括一个复制模块、若干个扩频相乘器；复制模块的输入端与多入多 出空间复用单元的一个输出端连接，复制模块的若干个输出端与若干个扩频相乘器一一对应 连接；每个扩频相乘器与单载波频域均衡预处理模块连接；所述每个解扩单元包括若干个解 扩相乘器、 一个合并模块；每个解扩相乘器与单载波频域均衡模块连接；合并模块的若干个 输入端与若干个解扩相乘器一一对应连接，合并模块的输出端与多入多出解复用单元的一个 输入端连接。所述每个单载波频域均衡预处理模块包括依次连接的添加循环前缀子模块(即添加CP子模块)、加导频和同步信号子模块、并串变换子模块；添加循环前缀子模块与扩频单元连接， 并串变换子模块与发射声纳连接；所述每个单载波频域均衡模块包括依次连接的串并变换子模块、删除循环前缀子模块、快速傅立叶变换子模块(即FFT变换子模块)、信道估计与均 衡子模块、反快速傅立叶变换子模块(即IFFT变换子模块)；串并变换子模块与滤波检测单 元连接，反快速傅立叶变换子模块与解扩单元连接。所述加导频和同步信号子模块为加梳妆导频和同步信号子模块，即所添加的导频信号为 梳妆导频信号。所述添加循环前缀子模块的循环前缀的时间长度为水声信道的最大时延扩展均方根值的 2 4倍；符号周期长度是循环前缀长度的5倍。所述发射声纳为将信号调制到载频上、并在通信数据所占频带之外增加用于检测多普勒 频移的固定普线信号的发射声纳；所述滤波检测单元为对信号进行滤波、多普勒频移补偿的 滤波检测单元。本发明的通信原理为在发送端，由发射机将通信数据通过MIMO空间复用单元进行分 层空时编码，之后得到发射到若干个扩频单元的数据；各个扩频单元将数据由同一个扩频码 扩频，将扩频后的数据发给各个SC-FDE预处理模块；各个SC-FDE预处理模块对通信数据 进行信号映射、添加同步信号，经过并串变换后发送到各个发射声纳单元；各个发射声纳单 元往通信数据内添加用于检测多普勒频移的固定谱线信号后，将通信数据发送到水声信道。 在接收端，由接收机的若干个接收声纳从水声信道接收信号，并发送给各个滤波检测单元； 各个滤波检测单元利用同步信号对所接收的信号进行滤波、多普勒频移补偿，再将信号发送 给各个SC-FDE模块；各个SC-FDE模块对信号进行串并变换、删除CP、 FFT变换后，得到 频域通信数据和导频信息，利用导频信息对信道进行信道估计，并利用估计得到的信道频域特性对通信数据进行频域均衡，再将均衡后的数据进行IFFT变换得到时域通信数据，并进行 解映射，发送到各个解扩单元；解扩单元用扩频单元中用过的同一个扩频码对时域通信数据 进行解扩，将解扩后的数据通过MIMO解复用单元后获得发送端所发送的通信数据。由上述技术方案及通信原理可知，本发明在数字信号处理技术和高速器件发展的基础上， 将MIMO编码技术、扩频技术和SC-FDE技术通过硬件结合在一起，充分利用各自的优点， 实现高可靠性通信的水声通信系统。和现有技术相比，具有如下优点-1、 由于MIMO空间复用技术可以在不需要增加频带的条件下，增大信道容量，提高传 输速率，并能抗水声信道多径干扰。2、 扩频通信技术具有抗干扰、抗多途、保密性强等优点，而且扩频信号的相关增益可以 使得在负信噪比的条件下进行信号的恢复，适用于水下低性噪比的环境。3、 SC-FDE技术频谱利用率高，抗频率选择性衰落能力强，抗多径干扰能力强，且峰均 功率比低，并且能够用简单的信道均衡技术满足系统性能要求。4、 通过对固定谱线的频移检测，可估计多普勒频移，以对信号进行频移补偿。
图1为本发明发射机的结构示意图，其中，IO"MIMO空间复用单元，20—复制模块， 30—SC-FDE预处理模块，310—添加CP子模块，320—加导频和同步信号子模块，330—并 串变换子模块，40—发射声纳；图2为本发明所述CP的添加方式示意图；图3为本发明所述梳状导频的插入方式示意图；图4为本发明接收机的结构示意图，其中，50—接收声纳，60—滤波检测单元，70— SC-FDE模块，710—串并变换子模块，720"删除CP子模块，730—FFT变换子模块，740— 信道估计与均衡子模块，750—IFFT变换子模块，80—合并模块，90"MIMO解复用单元。
具体实施方式
下面结合附图来详细描叙本发明，但本发明的实施方式不限于此。本发明的发射机电路模块如图1所示，主要由MIMO空间复用单元10、 Nt个复制模块 20、 NXNt个相乘器、Nt个SC-FDE预处理模块30、 Nt个添加CP子模块310、 Nt个加导频 和同步信号子模块320、 Nt个并串变换子模块330、 Nt个发射声纳40等构成。MIMO空间复用单元10将需要传送的通信数据SW经过分层空时编码分为Nt条支路并8行传送，成为^^)，&(f)'…^w々》，分别发送到Nt个扩频单元所在的支路。对Nt个扩频单元中的任一个来说，每个扩频单元由1个复制模块20和N个扩频相乘器 组成，发送到其中每个信息符号，通过复制模块20复制为N个相同的数据；再由一个特定的长度为N的扩频码片对其扩频。设第f条支路上的数据S(f)(/ = 1，2"'"^')中第/个符号W)，通过复制模块20复制为长度为N的序列(s,(y)，s,(力，…，s,c/》；再将扩频码(C(l),C(2),…，C(iV))与序歹U {W)，SU,C/)}相乘实现扩频，得到序列"(7')^e(l)，S'(yyC(2)，…，S'C/"C(A0、其中扩频码序列可采用伪随机码(即PN码)序列，PN序列是别人不知道的，相当于对称加密的密钥，即起到保密的作用。扩频后的数据送入与 之相连的SC-FDE预处理模块30。SC-FDE预处理模块30将接收到的数据进行信号映射，送入添加CP子模块310对数据 进行添加CP，再通过加导频和同步信号子模块320添加导频信息，对于水下快变化信道环境，采用梳状导频。即数据{^)*(:(1)，5^)!^(2)，'''，&(力^(^被映射为{^2，'''，~};再将仏^2，'"，6J按图2的方式添加cp (V^,V^，…，6J，得到^,62,…，^+J，在实际应用 中， 一般添加的CP的时间长度应该为水声信道的最大时延扩展均方根值的2 4倍，才能有 效克服码间干扰，选择一帧的信号长度是CP长度的5倍，亦即使添加CP后的的信号周期为 CP长度的5倍，这样由于插入保护比特所造成的信噪比损耗只有ldB左右；再对 (《，^，…，Zv+J按图3的方式添加梳状导频，得到Wp^,…,^^+J;再添加同步信号，同步 信号可以是N+m+n个l，即第一帧的数据信号都置为1:再通过并串变换子模块330进行并 串变换，最后将串行数据Wp^，…，^,+J发送到与之相连的发射声纳40。 Nt个发射声纳40将接收到的信号调制到载频上，并在通信数据所占频带之外，增加固定的、持续的、用于检 测多普勒频移的谱线信号， 一起通过水声信道发送出去。本发明的接收机电路模块如图4所示，主要由Nr个接收声纳50、 Nr个滤波检测单元60、 Nr个SC-FDE模块70、 Nr个串并变换子模块710、 Nr个删除CP子模块720、 Nr个FFT变 换子模块730、 Nr个信道估计与均衡子模块740、 Nr个IFFT变换子模块750、 NXNr个解扩 相乘器、Nr个合并模块80、 MIMO解复用单元90等构成。对Nr个接收声纳50中的任一个来说，每个接收声纳50接收水声信道中的信号，并将其发送到与之相连的滤波检测单元60。滤波检测单元60利用同步信号对接收信号进行滤波、多普勒频移补偿，得到串行数据^,^,…,Ch再将数据一个个发送到与之相连的SC-FDE模块70。SC-FDE模块70将各个滤波检测单元60发送过来的串行数据^;，^，…，^^通过串并 变换子模块710进行串并变换，得到并行数据{^，^,...,^:}并发送到删除CP子模块720 进行删除CP，得到数据^;，^，一,^}并发送到FFT变换子模块730进行FFT变换，得到通 信数据(5，K,…，:^〉和导频信息(^,^，…，^^ ,信道估计与均衡子模块740利用导频 信息对信道进行信道估计，并利用估计得到的信道频域特性对通信数据(K，可，…,万^进行频 域均衡，得到(^，:^，…，^^，再将均衡后的数据通过IFFT变换子模块750进行IFFT变换，得到&,^,.并对数据进行解映射，得^l^ca),巧7^c(2)，…，巧7^c(A^，再将其发送到各个合并模块80。合并模块80将接收信号(巧7^C(l)，巧7^C(2),…，巧7^C(AO)乘以扩频因子 {CG),C(2),..，C(A0}，并进行合并得到解扩信号巧万，将此数据发送到MIMO解复用单元 90。 MIMO解复用单元90将Nr个合并模块80发送来的数据{^,^7^..,^77^进行分层空时解码后获得所述通信数据^。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。10
权利要求
1. 一种水声通信系统，包括发射机和接收机，其特征在于所述发射机包括多入多出空间复用单元、若干个扩频单元、若干个单载波频域均衡预处理模块和若干个发射声纳，其中多入多出空间复用单元的若干个输出端与若干个扩频单元一一对应连接，每个扩频单元连接到一个单载波频域均衡预处理模块，每个单载波频域均衡预处理模块连接到一个发射声纳；所述接收机包括若干个接收声纳、若干个滤波检测单元、若干个单载波频域均衡模块、若干个解扩单元和多入多出解复用单元，其中每个接收声纳与一个滤波检测单元相连，每个滤波检测单元连接到一个单载波频域均衡模块，每个单载波频域均衡模块连接到一个解扩单元，若干个解扩单元与多入多出解复用单元的若干输入端一一对应连接。
2. 根据权利要求1所述的一种水声通信系统，其特征在于所述每个扩频单元包括一个复制模块、若干个扩频相乘器；复制模块的输入端与多入多 出空间复用单元的一个输出端连接，复制模块的若干个输出端与若干个扩频相乘器一一对应 连接；每个扩频相乘器与单载波频域均衡预处理模块连接；所述每个解扩单元包括若干个解扩相乘器、 一个合并模块；每个解扩相乘器与单载波频 域均衡模块连接；合并模块的若干个输入端与若干个解扩相乘器一一对应连接，合并模块的 输出端与多入多出解复用单元的一个输入端连接。
3. 根据权利要求2所述的一种水声通信系统，其特征在于所述扩频相乘器的扩频码序 列为伪随机码序列。
4. 根据^l利要求1所述的一种水声通信系统，其特征在于所述每个单载波频域均衡预处理模块包括依次连接的添加循环前缀子模块、加导频和同步信号子模块、并串变换子模块；添加循环前缀子模块与扩频单元连接，并串变换子模块与 发射声纳连接；所述每个单载波频域均衡模块包括依次连接的串并变换子模块、删除循环前缀子模块、 快速傅立叶变换子模块、信道估计与均衡子模块、反快速傅立叶变换子模块；串并变换子模 块与滤波检测单元连接，反快速傅立叶变换子模块与解扩单元连接。
5. 根据权利要求4所述的一种水声通信系统，其特征在于所述加导频和同步信号子模 块为加梳妆导频和同步信号子模块。
6. 根据权利要求4所述的一种水声通信系统，其特征在于所述添加循环前缀子模块的循环前缀的时间长度为水声信道的最大时延扩展均方根值的2~4倍；符号周期长度是循环前 缀长度的5倍。
7.根据权利要求1所述的一种水声通信系统，其特征在于-所述发射声纳为将信号调制到载频上、并在通信数据所占频带之外增加用于检测多普勒 频移的固定普线信号的发射声纳；所述滤波检测单元为对信号进行滤波、多普勒频移补偿的滤波检测单元。
全文摘要
本发明公开了一种水声通信系统，其发射机包括MIMO空间复用单元、若干个扩频单元、若干个SC-FDE预处理模块和若干个发射声纳，MIMO空间复用单元的若干个输出端与若干个扩频单元一一对应连接，每个扩频单元连接到一个SC-FDE预处理模块，每个SC-FDE预处理模块连接到一个发射声纳；其接收机包括若干个接收声纳、若干个滤波检测单元、若干个SC-FDE模块、若干个解扩单元和MIMO解复用单元，其中每个接收声纳与一个滤波检测单元相连，每个滤波检测单元连接到一个SC-FDE模块，每个SC-FDE模块连接到一个解扩单元，若干个解扩单元与MIMO解复用单元的若干输入端一一对应连接。本发明能抗多径干扰、提高频谱利用率、增大信道容量、提高信息传输速率、提高保密性、补偿多普勒频移、降低信噪比。
文档编号H04B13/00GK101534269SQ20091003860
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者玲 崔, 军 张, 岗 韦 申请人:华南理工大学