一种mfsk水声通信方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，具体设及一种MFSK水声通信方法及系统。
【背景技术】
[0002] 多频移键控技术（MFSK)是用不同频率、波形形式相同的波形代表不同的码元，其 能有效的克服码间干扰和相位崎变，并能具有较强的抗时间扩散和频率扩散能力，因此该 方法在水声通信中得到了广泛应用。但其有如下缺点：需要较宽的频带宽度及单位带宽的 通信速率低。为了提高MFSK通信的速率，希望尽量降低频点和频点之间的间隔，并降低每 个码元的持续时间，运样就造成了解调时准确估计频率的难度。
[0003] 主要的频率估计方法可分为非参数化方法和参数化方法两类，前者W傅里叶变换 为基础，计算量较小，但分辨率往往较低；后者包括MUSIC、ESPRIT等方法，具有较高的频率 分辨率，但设及到矩阵的分解和求逆，计算量较大，难W实时实现。因此，基于DFT的频率估 计应用的较多。由于DFT得到的是离散频率值，频率的分辨率限制了频率估计精度，只有当 信号频率为DFT频率分辨率的整数倍时，DFT得到的频率估计值才是准确的。
[0004] 而为了提高MFSK通信的速率，希望尽量降低频点和频点之间的间隔，并降低每个 码元的持续时间，但运样就造成了频率难W准确估计。
【发明内容】
阳0化]本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种MFSK水声通信方法及系统， 该方法信号调制时采用m序列对数字信号进行调制W展宽信号的频谱后再调制到射频信 号发送出去，在信号解调时基于CZT变换的频率估计方法来对频率进行估计，能够使接收 信号频谱更细化，最小频率间隔更小。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种MFSK水声通信方法，包括信号调制步骤与信号调解步骤，所述信号调解步骤 包括有频率估计步骤，其特征在于，在所述信号调制步骤中采用m序列对数字信号进行调 制W展宽信号的频谱后再调制到射频信号发送出去；在信号调解步骤中，先用m序列与接 收信号做相关运算，估计每个码元的波峰起始位置实现码元同步后对码元解扩，然后进行 频率估计，所述频率估计步骤中采用CZT变换算法对解扩后的频带信号的频谱进行细化， 得到细化频谱，然后根据细化的频谱进行信道译码后输出。
[0008] 所述对解扩后的频带信号采用CZT变换算法对频谱进行细化的具体步骤为：
[0009] 确定细化频带和输出点数；
[0010] 将所述细化频带转换为单位圆上的一段圆弧，确定CZT的路径，包括起点、终点和 间隔点的位置；
[0011] 计算给定路径上的CZT;
[0012] 根据所述细化频带内频率点位置和CZT的结果，得到细化频谱。
[0013] 所述对码元解扩中，还包括有去掉码元间的保护间隔的步骤。
[0014] 本发明的目的还在于提供一种MFSK水声通信系统，包括：
[0015] 信号调制发送装置，用于采用m序列对数字信号进行调制W展宽信号的频谱后再 调制到射频信号发送出去；
[0016] 信号接收解调装置，用于在接收到射频信号后，先用m序列与接收信号做相关运 算，先用m序列与接收信号做相关运算，估计每个码元的波峰起始位置实现码元同步后对 码元解扩，然后进行频率估计，所述频率估计步骤中采用CZT变换算法对解扩后的频带信 号的频谱进行细化，得到细化频谱，然后根据细化的频谱进行信道译码后输出。
[0017] 所述信号接收解调装置包括：
[0018] 码元同步单元，用于在接收到射频信号后，用m序列与接收信号做相关运算，估计 每个码元的波峰起始位置实现码元同步并进行解扩；
[0019] 频率估计单元，用于采用CZT变换算法对解扩后的频带信号的频谱进行细化，得 到细化频谱；
[0020] 信道译码单元，用于根据细化的频谱进行信道译码后输出。
[0021] 所述信号接收解调装置包括：
[0022] 保护间隔去除单元，用于在码元同步后去掉码元间的保护间隔，将保护间隔去除 后信号送到所述频率估计单元。
[0023] 所述信号调制发送装置包括调制用m序列产生器，用于产生调制信号用的m序列， 对应的，所述信号接收解调装置包括解调用m序列产生器，用于产生解调用的m序列。
[0024] 本发明通过在所述信号调制步骤中采用m序列对数字信号进行调制W展宽信号 的频谱后再调制到射频信号发送出去；在信号调解步骤中，先用m序列与接收信号做相关 运算，估计每个码元的波峰起始位置实现码元同步后对码元解扩，然后进行频率估计，所述 频率估计步骤中采用CZT变换算法对解扩后的频带信号的频谱进行细化，得到细化频谱， 然后根据细化的频谱进行信道译码后输出，特别是通过在所述频率估计步骤中采用CZT变 换算法对频谱进行细化，而基于CZT变换的频率估计方法来对频率进行估计，能够使接收 信号频谱更细化，最小频率间隔更小，从而降低了频率估计时对码元长度的要求，提高了通 信速率，也可进一步降低频率间隔，提高了频率利用效率，而采用m序列对数字信号进行调 制W展宽信号的频谱后再调制到射频信号发送出去，除了应用了扩频通信抗噪性能较好的 特点，也利用了m序列优良的自相关性，更精确地进行码元同步。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例提供的MFSK水声通信方法的流程图； 阳0%] 图2A~2B为MFSK调制方式下频带的示意图；
[0027] 图3为本发明实施例提供的CZT的变换路径的示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局 限于所列的实施例。
[0029] 参见图1所示，一种MFSK水声通信方法，包括信号调制步骤与信号调解步骤，所 述信号调解步骤包括有频率估计步骤，在所述信号调制步骤中采用m序列对数字信号进 行调制W展宽信号的频谱后再调制到射频信号发送出去；在信号调解步骤中，先用m序列 与接收信号做相关运算，估计每个码元的波峰起始位置实现码元同步后对码元解扩，然后 进行频率估计，所述频率估计步骤中采用CZT变换算法对解扩后的频带信号的频谱进行细 化，得到细化频谱，然后根据细化的频谱进行信道译码后输出。
[0030] 进一步的，所述对码元解扩的步骤中，还包括有去掉码元间的保护间隔的步骤。
[0031] 其中，所述对解扩后的频带信号采用CZT变换算法对频谱进行细化的具体步骤 为：
[0032] 确定细化频带和输出点数；
[0033] 将所述细化频带转换为单位圆上的一段圆弧，确定CZT的路径，包括起点、终点和 间隔点的位置；
[0034] 计算给定路径上的CZT;
[0035] 根据所述细化频带内频率点位置和CZT的结果，得到细化频谱。
[0036] 在扩频系统中，伪随机序列有着重要的作用，应用伪随机序列可提高系统的抗干 扰性能。二元m序列是一种狭义的伪随机序列，它具有优良的自相关特性，且容易产生和 复制。它是由线性移位寄存器加上反馈之后生成的，因此也被称为最长线性反馈移位寄存 器序列。在扩频通信及码分多址技术中，m序列已经得到了广泛的应用。本发明将m序列 应用于MFSK系统中，利用其优良的自相关及互相关特性，在时域上更好分辨每个码元的位 置，有助于更好地解调MFSK信号。具体实现时，本发明将载波形式设定为m序列形式，在接 收端，用此m序列与接收信号做相关，根据m序列的相关特性，在时间轴上可W得到相关峰， 可有效估计每个码元的波形的起始位置，有利于码元同步，能有效求出每个码元在时间坐 标上的位置，实现码元同步更为精确。
[0037] 参见图1所示，具体在水声通信过程中，在解调时具体通过W下步骤进行：
[0038] 调制发送装置发出的信号由换能器接收后，经过前置放大器放大，经过A\D模数 转换变成数字信号、经下变频器变频处理、通过m序列与接收信号做相关，估计每个码元 的波形的起始位置，使码元同步后解扩并去掉码元间的保护间隔，然后采用CZT变换算法 进行频率估计，通过信道译码步骤计算并去除信道对接收信号的影响，最终实现MFSK的解 调，输出相应的数字信号。
[0039] 下面，结合MFSK调制方式对CZT实现频谱细化进行详细说明： W40] 参见图2A-2B所示，目前，MFSK调制方式有如下特点：
[0041] 1)整个系统带宽为F，可分为Nl个子频带，每个子频段中含N2个频点；子频点之 间的频率间隔为AF，如图2A所示。
[0042] 2)每个码元中同时包括Nl个频率；每个码元的长度为T，图2B所示。
[0043] 3)在MFSK方式中可通过加入保护时间来降低码元间干扰，设置频率裕度来降低 多普勒频移干扰。
[0044] 若T为码元持续时间，为了能够较为准确的估计出每个频带发射的频点，通常要 求MFSK信号的最小频率间隔AF等于1/2T。 W45] 为了得到较高的通信速率，要求每个码元包含的载波信号很短，频率分辨率比较 高，使用传统的FFT法，难W达到目的。而CZT可W计算单位圆上任一曲线上的Z变换，做 CZT时输入的点数N和输出的点数M，可W不相等，从而达到频域"细化"的目的。CZT变换 可W对窄带信号频谱或对部分感兴趣的频谱进行细化分析。因此利用运一特性，可减少码 元长度，提高通信速率。
[0046] 下面，对CZTW及CZT细化频谱说明。
[0047] 1、CZT的定义（参见图3所示）： W48] 设X(n)为已知的时间信号，其Z变换是
[0052] S为拉普拉斯变量，A=e°T为实数，圆频率CO=QTg为一角度。现对上式的Z作 一修改。令
[0053] Zf= (3)
[0054] 式中J= 4€州，好'二巧怎训 阳05引则瓦产屋怎為巧Te''邱（牛)
[0056] A。，W。为任意的正实数，给定A。，W。，0。，％，当r=O，l，…，°o时，可得到在z平面 上的一个个点Z。，Zi,…，z"，取运些点上的Z变换，有
[0057]
阳化引 由4式可知，当r= 0时，Z。= ^6^0%该点在Z平面上的幅度为A。，幅角为0。，是CZT的起点。当r= 1时，Z, = 4)所，Zi点的幅度变为4)而-1，角度在0。的基础上 有增量