一种针对跨水空通信的多载波调制与解算方法

本发明涉及跨介质通信领域，具体涉及一种跨水空通信的多载波调制与解算方法。

背景技术：

1、实现水空跨介质通信是发展海洋战略的重要一环也是一大难点。在海洋资源探测与海洋通信方面，水下传感器探测得到的海洋信息需传到水上设备用来处理或记录，比如在海洋生态研究、海洋石油勘探以及海底网络建设等场景中，水对空跨介质通信技术能够在很大程度上减少时间和设备成本，具有非常重要的潜在应用。

2、实现无中继设备水对空跨介质直接无线信息传输对海洋探测，海洋资源开发，海洋通信等方面来说尤为重要，并且能极大地节约时间成本及设备成本。其中，声波与微波相结合的跨介质方式最具有应用潜力及重要研究价值。

3、声波在水下传播至海面后会引发水面的振动，使用毫米波雷达对这种振动信号进行检测，就可以得出水声信号中的信息，实现跨水空的无线通信。

4、声信号在水中的传播损耗较为严重，且水声信号引发的水面振动较为微弱，难以检测。当使用通信速率较快的多载波通信方式时，由于水声换能器的总功率有限，随着载波数的增加，分配到每个载波上的能量也随之降低。这就导致当通信速率提高时，跨水空通信的距离极为有限。

5、声信号在水中传播时，由于海面的起伏、声速的不同和多径传播等现象。导致声信号在传播过程中，频率和幅值都会产生变化。这导致了一般的解调方法极易产生误码。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种跨水空通信的多载波调制与解算方法，能够在保证测量速度的同时、降低通带带宽从而提高输入信号信噪比、提高测量精度。

2、本发明为了实现上述目的，采用的技术解决方案是：

3、一种针对跨水空通信的多载波调制方法，该方法是通过8b/10b编码串并转换和调制后的信号通过水声换能器发出，引发水面的振动，使用毫米波雷达对水面振动信号进行提取和解算后，获取传输的信息，具体包括如下步骤：

4、步骤一、要传输的信息首先经过ascii码单元转换为八位一字节的信息，再经过上述的8b/10b编码后变为10bit一字节的信息，在进行8b/10b编码时，始终使用编码为1的较小的编码方式，每个字节中编码1的数量最大为5个；

5、步骤二、经过串/并转换单元后，变为发送数据第一位到发送数据第十位共十位数据；这个十位数据，分别通过第一乘法器到第十乘法器、第一载波到第十载波相乘进行调制；

6、步骤三、调制后的数据在加法器单元中合为同一个信号，在前缀添加单元和前导码添加单元中分别添加前缀和前导码；

7、步骤四、添加后得到的信号通过水声换能器转换为声信号，从水底传播至水面后引发水面的振动；

8、步骤六、振动传输后，使用毫米波雷达对水面的振动进行检测，得到的信号通过带通滤波器滤除多余噪声，并进行前导码检测；当前导码未出现时持续检测，在出现前导码后，在前缀解算中解算出前缀所包含的频率和幅值信息；

9、步骤七、利用幅值与频率信息在正交解调单元对信号进行解调，得到接收数据第一位到接收数据第十位，进行并/串转换、10b/8b编码后，得到接收的信息，完成跨水空通信。

10、优选的，在8b/10b编码、串并转换、发送数据第一位到发送数据第十位、第一乘法器到第十乘法器、第一载波到第十载波和加法器单元中，八位的数据根据高低为分为高位的3b和低位的5b数据，根据数据的查找表，分别对3b和5b进行3b/4b编码和5b/6b编码；

11、在进行编码时，始终选取rd＝-1的映射方式，使编码后的单字节1的个数最大为5个；编码后的6b数据为高位，4b数据为地位，重新组合成10bit一字节的数据，在编码后，进行调制。

12、优选的，所述调制的过程如下式(1)进行计算：

13、

14、其中，s(t)为调制后的时域信号，n＝10为每字节符号数量；x[i]为发送数据第i位，取值为0或1；aisin(2πfi)为载波i的表达式，其中ai为载波的幅值、fi为载波的频率；由于进行了rd＝-1的8b/10b，所以的取值为4或5，最大值为5。

15、优选的，在水声换能器的总功率有限的情况下，编码后每个单字节同时传输的载波数量最大为5，水声换能器的功率分配如式(2)所示：

16、

17、其中p总为水声换能器的总功率，pi为每个子载波占用的功率。当每个子载波占用功率相同时，由于最多同时出现5种子载波，每个子载波所占的功率最大为pi＝0.2p总；

18、对比不编码前的ascii码的数据，最高同时存在8种子载波，每种子载波所占最大功率仅为pi＝0.125p总。

19、优选的，在前缀添加单元、前导码添加单元、前导码检测、前缀解算运行中，水声的传播存在多径现象，因此一段信息从水底传播到水面的过程存在两种甚至多种不同的路径；

20、信息连续发送时，前一段信息的慢路径会与后一段信息的快路径同时到达水面，通过加入前缀，用来隔开两段信息；

21、前缀分为两种，lp和hp，其表达式如式(3)所示：

22、

23、其中，tp为前缀的持续时间；在奇数个字节前，添加hp前缀，在偶数个字节前添加lp前缀；hp前缀包含载波一到载波五，lp前缀包含载波六到载波十；前缀和后缀中包含的载波数量都为5，不会影响每种载波分配的功率。

24、优选的，通过加入对频率变化不敏感的前导码，来标志信息的到达，需要根据前缀中包含的频率、幅值等信息，进行对信息进行解算；

25、所添加的前导码的表达式如式(4)所示：

26、

27、其中f1为起始频率、f2为结束频率、a为前导码幅值td为前导码持续时间。

28、优选的，在式(4)中，前导码为一段频率线性变化的信号，在经过水下的传播频率发生变化后会造成f1和f2的变化，不会改变其频率线性变化的特征；

29、在前导码检测中，在信号到达前，持续的使用互相关检测对水面振动进行检测；

30、当前导码出现后，对前缀进行解算，解算出经过在水中传播后的载波频率，使用该频率，对后续传输的信号进行正交解调，解算出信号中包含的信息。

31、有益效果：

32、本发明中提出的一种针对跨水空通信的多载波调制与解算方法，采用8b/10b编码使单字节信息同时存在的最大载波数由8个降为5个。单个载波存在占用的功率由0.125p总提高为0.2p总，极大的提高了传输距离。采用hp和lp两种前缀，包含全部载波的频率和幅值信息，为正交解调提供频率和幅值信息，降低误码率。

技术特征：

1.一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，该方法是通过8b/10b编码串并转换和调制后的信号通过水声换能器发出，引发水面的振动，使用毫米波雷达对水面振动信号进行提取和解算后，获取传输的信息，具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，在8b/10b编码、串并转换、发送数据第一位到发送数据第十位、第一乘法器到第十乘法器、第一载波到第十载波和加法器单元中，八位的数据根据高低为分为高位的3b和低位的5b数据，根据数据的查找表，分别对3b和5b进行3b/4b编码和5b/6b编码；

3.根据权利要求2所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，所述调制的过程如下式(1)进行计算：

4.根据权利要求1所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，在水声换能器的总功率有限的情况下，编码后每个单字节同时传输的载波数量最大为5，水声换能器的功率分配如式(2)所示：

5.根据权利要求1所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，在前缀添加单元、前导码添加单元、前导码检测、前缀解算运行中，水声的传播存在多径现象，因此一段信息从水底传播到水面的过程存在两种甚至多种不同的路径；

6.根据权利要求5所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，通过加入对频率变化不敏感的前导码，来标志信息的到达，需要根据前缀中包含的频率、幅值等信息，进行对信息进行解算；

7.根据权利要求6所述的一种针对跨水空通信的多载波调制方法，其特征在于，在式(4)中，前导码为一段频率线性变化的信号，在经过水下的传播频率发生变化后会造成f1和f2的变化，不会改变其频率线性变化的特征；

技术总结
本发明提供一种针对跨水空通信的多载波调制与解算方法。通过8B/10B编码串并转换和调制后的信号通过水声换能器发出，引发水面的振动，使用毫米波雷达对水面振动信号进行提取和解算后，获取传输的信息。本发明能够降低同时存在的载波数量、提高单个载波的功率从而增加传输距离。使用前导码和前缀，使接收端可以获知信息到达的时间和对声信号在水中传播过程中产生的幅值衰减和频率变化进行补偿，从而降低误码率。

技术研发人员：姚建铨,谭琪,赵正义,盖宇,徐航,丁冠初,张雅婷,胡邈颐,钟帅
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/17