CN105187133B - 一种载波频率自适应水下通信方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种载波频率自适应水下通信方法及其装置，利用水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信；中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析。本发明使得载波频率值可配置，可根据信道的具体情况进行调整，以适应信道的特性；并且本发明性能稳定、精度高、频率转换速度快、频率改变时相位输出连续、抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信领域，尤其是一种载波频率自适应水下通信方法及其装置。
背景技术
实际水声信道非常复杂，它存在着水面和水底两个界面。由于温度、盐度和静压力的影响，水中不同深度声速是不同的，存在着声速垂直分布，会使声波产生折射。上下边界的反射和在水中的折射使得实际水声信道不是单途径信道而是多径信道。为了降低多径干扰的影响，通常采用非相干检测方法。移频键控通信方式可以采用非相干检测方法实现。因此，移频键控在水声通信中得到了广泛的应用。
对于传统的应用于水声通信中的移频键控通信方式，载波频率是固定的，这对适应不同海洋环境下复杂多变的水声信道造成了很大的局限性。水下的声传播主要由传播损失、噪声及信道的时变和空变性决定。传播损失、噪声和信道的特性受信道所处的环境和位置影响比较大。比如，近岸地区与深海地区的声传播特性和信道特性差异就非常大。水声通信链路依据距离可分为五类：超长、长、中等、短、极短程信道。对一个工作距离在10-100km的长程***言，带宽限制在几kHz内。中等距离(1-10km)***的带宽在数十KHz的量级上。只有在距离小于100m的条件下，才可以获得多于100kHz的带宽。考虑水声信道这些复杂多变的情况和特性，本水下通信方法的载波频率值可根据工作距离进行调整，以适应信道的特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种载波频率值可根据工作距离进行调整的水下通信方法及其装置，以适应复杂多变的水声信道特性。
本发明所采用的技术方案为：一种载波频率自适应水下通信方法，水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信；中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析，具体包括以下步骤：
1)水下移动通信终端最初被投放到水中预定位置时，根据与中继平台的距离依据数据确定初始载波频率进行通信；
2)移动水下移动通信终端，在水下移动通信终端移动过程中，对水下移动通信终端与中继平台的距离进行测量；
3)根据步骤2)测得的距离确定载波基准频率及进行2FSK通信的传号频率和空号频率；
4)待步骤3)中的所有新的通信频率确定后，水下移动通信终端向中继平台发送报文告知新的通信频率，并等待中继平台发送确认报文；收到确认报文后，水下移动通信终端和中继平台将通信频率更改为新的通信频率；
5)以步骤4)中确定的新的通信频率进行通信，并更改调制器的载频和解调器的相关参数。
进一步的说，本发明所述的步骤2)中的测量方法为：通过发送时间信息收集报文进行测量，将发送报文的时刻以时间戳的方式写入到报文中；由公式测得水下移动通信终端与中继平台的距离:l＝340td；其中，报文从水下移动通信终端沿正向路径发送报文的发送时间戳为Tz1,中继平台沿正向路径接收到的报文的接收时刻为Tz2；水下移动通信终端沿反向路径接收报文的接收时刻为Tf1,中继平台沿反向路径发送报文的发送时间戳为Tf2；水下移动通信终端与中继平台的传输时延为td。
再进一步的说，本发明所述的步骤3)中，采用线性内插法计算水下移动通信终端与中继平台的距离所对应的载波基准频率为：其中，la、lb为设定的基准距离，fa、fb为所对应的载波频率，且la＜l＜lb。
同时，本发明还提供一种载波频率自适应水下通信方法所用到的装置，包括水下移动通信终端、中继平台以及陆地通信装置；所述的水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信；中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析；所述的水下移动通信终端包括测量模块、控制模块、编码解码模块、调制器、解调器以及水声换能器；所述的测量模块将测量或监测得到的水下信息，传送给控制模块；所述的控制模块将数据由编码解码模块进行编码，然后由调制器进行2FSK数字调制；2FSK通过水声换能器由数字信号变成声信号，通过水声信道传输；所述的中继平台发送的命令和确认信息经水声信道传输后，通过水声换能器由声音信号变为电信号，经数字解调，解码后传送给控制模块。
进一步的说，所述的调制器包括频率控制字寄存器组、二选一数据选择器、相位累加器、正弦ROM查找表、D/A转换器以及低通滤波器；单片机向所述的频率控制字寄存器组写入与FSK载波频率所对应的的频率控制字；基带信号控制所述的二选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到相位累加器的输入端；所述的D/A转换器输出经低通滤波器得到相应的FSK信号。
再进一步的说，所述的解调器包括依次连接的水声换能器声信号接收装置、接收电路、数字波形采集装置以及信号处理装置；所述的水声换能器声信号接收装置将接收到的FSK信号经水声换能器将声信号转换为电信号，经接收电路处理后输入数字波形采集装置进行数字波形采集，然后由所述的信号处理器进行信号处理。
本发明的有益效果是：使得载波频率值可配置，可根据信道的具体情况进行调整，以适应信道的特性；并且本发明性能稳定、精度高、频率转换速度快、频率改变时相位输出连续、抗干扰能力强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是水下通信终端与陆地通信装置进行通信的原理框图；
图2是水下移动通信终端的功能框图；
图3是FSK调制器功能结构框图；
图4是解调器的原理框图。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的水下通信终端与陆地通信装置进行通信的框图；
一般来说，水下移动通信终端为测量或检测装置，用来测量或监测水下信息，如温度、压力、声音等。中继平台作为水下通信和水上通信的中继点，可以是固定的，如在岸边的固定装置；也可以是移动的，如某些中继平台位于移动着的母船上。水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信。中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析。
水下移动通信终端的功能框图如图2。其中测量模块测量或监测得到的水下信息，传送给控制模块，控制模块将数据由编码模块进行编码，然后由调制器进行2FSK数字调制，2FSK通过水声换能器由数字信号变成声信号，通过水声信道传输，经中继平台接收后，将采集的信息转发到陆地通信装置进行存储及分析。中继平台发送的命令和确认信息经水声信道传输后，通过水声换能器由声音信号变为电信号，经数字解调，解码后传送给控制模块。
工作过程与步骤为：
1、水下移动通信终端最初被投放到水中预定位置时，根据与中继平台的距离依据经验数据确定初始载波频率进行通信。
2、在水下移动通信终端移动过程中，对水下移动通信终端与中继平台的距离进行测量，测量方法为：
通过发送时间信息收集报文进行测量，将发送报文的时刻以时间戳的方式写入到报文中。假设报文从水下移动通信终端沿正向路径发送报文的发送时间戳为Tz1,中继平台沿正向路径接收到的报文的接收时刻为Tz2；水下移动通信终端沿反向路径接收报文的接收时刻为Tf1,中继平台沿反向路径发送报文的发送时间戳为Tf2；设水下移动通信终端与中继平台的传输时延为td,两个节点的时钟偏差为Δt；
则
Tz2＝Tz1+td+Δt 式1
Tf1＝Tf2+td-Δt 式2
由上式可得
式3
则此时水下移动通信终端与中继平台的距离:l＝340td
3、根据距离确定载波基准频率及进行2FSK通信的传号频率和空号频率。确定方法为：
首先选择几组典型距离值和所对应的被使用的载波频率作为基准距离值和频率值。采用线性内插法来计算距离在相应的基准距离范围内所对应的载波频率。如,基准距离la、lb所对应的载波频率分别为fa、fb，则根据线性内插法所计算的水下移动通信终端与中继平台的距离l(la＜l＜lb)所对应的载波基准频率为：
在所得到的基准频率基础上，进行适当的调整，可得到进行2FSK通信的传号频率和空号频率，如传号频率为0.9f,空号频率为1.1f。
下面以基准距离为1Km,10Km的情况说明具体实施方式。对于基准距离为1Km,10Km的距离，根据水声信道情况与经验数据，往往选择相应的载波频率为50KHz左右和10KHz左右的频率为载波基准频率。
根据以上计算方法，对于水下移动通信终端与中继平台的距离l为5Km的情况，则所对应的载波基准频率为：34KHz。进行适当的调整，可得到进行2FSK通信的传号频率和空号频率，如传号频率为30.6KHz,空号频率为37.4KHz。
4、新的通信频率确定后，水下移动通信终端向中继平台发送报文告知新通信频率，并等待中继平台发送确认报文。收到确认报文后，水下移动通信终端和中继平台即准备更改通信频率为新的通信频率。
5、以新的通信频率进行通信，需要更改调制器的载频和解调器的相关参数。
FSK调制器功能结构框图如图3，主要功能结构由相位累加器、正弦ROM查找表、D/A转换、低通滤波器、频率控制字寄存器组、二选一数据选择器等组成。
单片机向频率寄存器组写入与FSK载波频率所对应的的频率控制字；假设所确定新的FSK载波频率分别为f0，f1，则产生相应频率的频率控制字分别为：K0为对f0/10取整，K1为对f1/10取整。
基带信号控制二选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到相位累加器的输入端；根据DDS的工作原理，D/A转换输出经低通滤波可得到相应的FSK信号。
具体实施过程中，可以设置载波频率值的范围为100Hz-200KHz,频率步进10Hz。以上频率范围和频率步进的参数可以满足大部分实际水下环境的需要。
设K为频率控制字，选取***时钟fc＝655.36KHz，
根据频率步进得到N＝16，即相位累加器字长为16。
输出频率考虑所设置载波频率值的范围为100Hz-200KHz，则频率控制字取值范围为10≤K≤20000。
假设所确定新的FSK载波频率分别为传号频率为30.6KHz，空号频率为37.4KHz，则产生相应频率的频率控制字分别为：K0为3060，K1为3740。
同时需改变水下移动通信终端和中继平台的解调器的相应参数。解调器的原理框图如图4。接收到的FSK信号经水声换能器将声信号转换为电信号，经接收电路处理后进行数字波形采集，即A/D转换，然后由数字信号处理器进行信号处理。信号处理由软件完成，对于接收到的FSK信号载频更改为新频率的情况，需要改变相应信号处理模块的参数，如滤波器的系数等参数。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。
Claims (4)
1.一种载波频率自适应水下通信方法，其特征在于：水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信；中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析，具体包括以下步骤：
1)水下移动通信终端最初被投放到水中预定位置时，根据与中继平台的距离依据数据确定初始载波频率进行通信；
2)移动水下移动通信终端，在水下移动通信终端移动过程中，对水下移动通信终端与中继平台的距离进行测量；
3)根据步骤2)测得的距离确定载波基准频率及进行2FSK通信的传号频率和空号频率；
4)待步骤3)中的所有新的通信频率确定后，水下移动通信终端向中继平台发送报文告知新的通信频率，并等待中继平台发送确认报文；收到确认报文后，水下移动通信终端和中继平台将通信频率更改为新的通信频率；
5)以步骤4)中确定的新的通信频率进行通信，并更改调制器的载频和解调器的相关参数；
所述的步骤2)中的测量方法为：通过发送时间信息收集报文进行测量，将发送报文的时刻以时间戳的方式写入到报文中；由公式测得水下移动通信终端与中继平台的距离:l＝340td；其中，报文从水下移动通信终端沿正向路径发送报文的发送时间戳为Tz1,中继平台沿正向路径接收到的报文的接收时刻为Tz2；水下移动通信终端沿反向路径接收报文的接收时刻为Tf1,中继平台沿反向路径发送报文的发送时间戳为Tf2；水下移动通信终端与中继平台的传输时延为td。
2.如权利要求1所述的一种载波频率自适应水下通信方法，其特征在于：所述的步骤3)中，采用线性内插法计算水下移动通信终端与中继平台的距离所对应的载波基准频率为：其中，la、lb为设定的基准距离，fa、fb为所对应的载波频率，且la＜l＜lb。
3.一种如权利要求1所述的载波频率自适应水下通信方法所用到的装置，其特征在于：包括水下移动通信终端、中继平台以及陆地通信装置；所述的水下移动通信终端与中继平台通过水声信道进行通信；中继平台获得的数据再通过有线信道或无线信道与陆地通信装置进行通信，将采集的信息送给陆地通信装置进行存储及分析；所述的水下移动通信终端包括测量模块、控制模块、编码解码模块、调制器、解调器以及水声换能器；所述的测量模块将测量或监测得到的水下信息，传送给控制模块；所述的控制模块将数据由编码解码模块进行编码，然后由调制器进行2FSK数字调制；2FSK通过水声换能器由数字信号变成声信号，通过水声信道传输；所述的中继平台发送的命令和确认信息经水声信道传输后，通过水声换能器由声音信号变为电信号，经数字解调，解码后传送给控制模块；
所述的调制器包括频率控制字寄存器组、二选一数据选择器、相位累加器、正弦ROM查找表、D/A转换器以及低通滤波器；单片机向所述的频率控制字寄存器组写入与FSK载波频率所对应的的频率控制字；基带信号控制所述的二选一数据选择器输出相应的载波频率控制字信号到相位累加器的输入端；所述的D/A转换器输出经低通滤波器得到相应的FSK信号。
4.如权利要求3所述的一种载波频率自适应水下通信装置，其特征在于：所述的解调器包括依次连接的水声换能器声信号接收装置、接收电路、数字波形采集装置以及信号处理装置；所述的水声换能器声信号接收装置将接收到的FSK信号经水声换能器将声信号转换为电信号，经接收电路处理后输入数字波形采集装置进行数字波形采集，然后由所述的信号处理器进行信号处理。
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