CN116112099A - 一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及*** - Google Patents

一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及***，属于磁感应通信领域，提出基于正交调制的最小移键控(QM‑VMSK/2)编码调制方法，在保持与最小移键控(VMSK)编码调制信号有相同带宽的条件下，通过正交调制实现并行传输使数据率提高两倍；提出基于双相码检测的解码方法，相比基于过零点检测和双相码脉宽判别的检测方法，有更好的抗噪声干扰能力，在误比特率为10‑2时，有约2.5dB以上的信噪比增益。QM‑VMSK/2调制与解调技术可以为水下磁感应通信提供一种窄带调制方法，减少水下色散信道中高速率信号的失真；可以在载波频率与数据率有同样数量级的条件下，实现较高速率的跨界磁感应通信，改善磁感应通信的通信范围×数据率性能限。

Description

一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及***
技术领域
本发明属于磁感应通信技术领域，具体涉及一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及***。
背景技术
近年来，基于磁感应(MI)耦合的水下通信的研究受到关注。MI通信具有独特的优势，但MI信号随距离和频率的增加而快速衰减，使得MI通信无法同时满足通信范围和数据率的要求。因此，水下磁感应通信研究大多放在提高通信范围×数据率性能的技术上。
目前，对MI通信中的调制的研究很少，大多数情况下采用常规的调制技术，如频移键控(FSK)、正交振幅调制(QAM)等。但应用于水下MI通信中的调制与常规调制略有不同，它需要与MI信道的传播特性相适应。众所周知，无论采用单载波还是多载波调制，以较高速率传输的信号通常占据较大的带宽。而海水介质对电磁波来说是色散介质，不同的频率分量可能会遭受不同的幅度衰减和相速度，会造成宽带信号畸变。因此，对水下MI通信来说，调制信号应在以较高数据率传输的同时，占据较窄的带宽以减少信号失真；同时采用较低的载波频率以减少信号衰减。
最小移键控(VMSK,VeryMinimumShiftKeying)编码调制是由H.R.Walker提出的超窄带调制方法，其显著特点之一是信号的主要能量集中在一个很窄的频带内，这使得其可能适合于跨域磁感应通信中。
我们对基于VMSK编码的调制技术进行研究，目的在于找到一种适用于跨空水界面(简称跨界)MI通信的窄带调制技术，可以在较窄的带宽内，以较低的载波频率，实现较高的数据率。我们首先研究了VMSK/2编码调制与基于过零点检测判别的解码方法，并通过海试验证了该调制在跨界MI通信中的可行性。海试数据处理结果表明，在发射磁矩约为100Am2，载波频率为500Hz时，采用VMSK/2编码调制的跨域磁感应通信可实现从空中到水下9m，数据率为100bps的无误传输。但其通信数据率和解码可靠性仍具有进一步提高的潜力。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法及***，在本方法中提出了正交调制VMSK/2(QM-VMSK/2)调制方案，通过两路VMSK/2信号的并行传输，来提高数据率。同时还提出了基于双相码检测的VMSK/2信号解码方法，以提高VMSK/2信号在低信噪比(SNR)条件下解码的可靠性，达到更大的入水深度。数值分析表明，所提出调制和解码方案可以有效改善跨界MI通信的范围×数据率性能。同时具备信号带宽窄、跨界传输数据率高、抗噪声能力强的特点。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法，该调制解调方法包括：
步骤1：编码调制，发送端的发送数据b(t)经过QM-VMSK/2编码调制输出信号xQM-VMSk/2(t)，通过天线将信号发送出去；
步骤2：解调译码，接收端对接收到的信号r(t)进行QM-VMSK/2解调译码后，输出发送信号b(t)的估计。
在上述技术方案步骤1中，QM-VMSK/2编码调制的具体过程为：
发送数据b(t)首先经串并转换后变成两个子数据流，分别进行VMSK/2编码，得到编码输出aI(t)和aQ(t)；然后对aI(t)和aQ(t)分别进行同相和正交调制后相加，得到调制输出信号xQM-VMSk/2(t)。
在上述技术方案步骤1中，QM-VMSK/2解调译码的具体过程为：
接收端将接收信号r(t)与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，解调后信号再依次经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信号b(t)的估计。
一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调***，该调制解调***包括发送端和接收端，
发送端包括，
串并转换模块，将输入的发送数据b(t)转换成两个子数据流；
第一VMSK/2编码器，接收其中一个子数据流进行编码，得到编码输出aI(t)；
第二VMSK/2编码器，接收另一个子数据流进行编码，得到编码输出aQ(t)；
同相调制模块，对数据aI(t)进行同相调制；
正交调制模块，对数据aQ(t)进行正交调制；
集合模块，将同相和正交调制后的两路数据进行相加，得到调制输出信号xQM-VMSk/2(t)；
接收端将接收信号r(t)与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，解调后信号再依次经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信号b(t)的估计。
在上述技术方案中，接收端还包括
同相解调模块，对接收信号r(t)进行同相解调；
正交解调模块，对接收信号r(t)进行正交解调；
第一双相码检测模块，对同相解调信号进行双相码检测，输出一路估计的VMSk/2编码信号；
第二双相码检测模块，对正交解调信号进行双相码检测，输出另一路估计的VMSk/2编码信号；
第一VMSK/2译码器，对通过第一双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
第二VMSK/2译码器，对通过第二双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
并串转换模块，将分别经第一VMSK/2译码器和第二VMSK/2译码器译码后的信号进行并串转换后相加，输出发送信息b(t)的估计。
本发明的有益效果：
1、本发明中提出了QM-VMSK/2编码调制方法，在不增加带宽的条件下通过并行传输使数据率提高两倍。且数值分析表明，QM-VMSK/2调制可以在窄带宽和载波频率与数据率有同样数量级的条件下实现较高速率的跨界磁感应通信，改善磁感应通信的范围×数据率性能。
2、本发明中还提出了基于双相码检测的解码方法，相比基于过零点检测和双相码脉宽判别的检测方法，有更好的抗噪声干扰能力，在误比特率为10-2时，相比常规检测方法有约2.5dB以上的信噪比增益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中QM-VMSK/2编码调制原理图；
图2是本发明中基于双相码检测的解调译码原理图；
图3是发送端的模块框图；
图4是接收端的模块框图；
图5是调制信号的功率谱图；
图6是窄带调制的误码率曲线图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明具体提供了一种适用于跨空水界面磁感应通信中的窄带调制解调方法，该调制解调方法包括：
步骤1：编码调制，发送端的发送数据b(t)经过QM-VMSK/2编码调制输出信号x-VMSK/2(t)，通过天线将信号发送出去；
步骤2：解调译码，接收端对接收到的信号r(t)进行QM-VMSK/2解调译码后，输出发送信号b(t)的估计。
VMSK/2编码规则
VMSK编码调制由H.R.Walker提出的超窄带调制方法，是一种类似曼切斯特编码的数字基带调制，采用非归零码双相码，每个比特按照比特值占用固定数量的时钟周期。VMSK信号利用过零点时刻随发送数据的变化来传递信息，其基本思路是设法使表示符号“0”和“l”的载波波形有微小的不同或抖动，如果这种波形的微小抖动受控于传输信息，则可以最大限度压缩用于传输信息的频谱，产生没有频谱扩展的调制信号，达到一种带宽极窄的调制效果。
将VMSK基带信号中的每个比特周期都分成两部分，使每个周期都包含两个比特信息，由此产生的编码称为VMSK/2编码。
VMSK/2编码在每个比特周期内编码信号仅反相一次，反相时刻由比特值决定。假设每个比特占用M个时钟周期,则当M为奇数或偶数时，对于比特“1”，基带编码信号分别在第(M+1)/2或M/2+1个时钟周期后反相；对于比特“0”，基带编码信号在第(M-1)/2或M/2个时钟周期后反相.
由此可给出长度为M的VMSK/2的编码规则：(1)当相邻两比特为“10”时，编码器输出的双相码在M-1个时钟后反相；(2)当相邻比特为“01”时，双相码在M+1个时钟后反相；(3)当相邻比特为“11”或“00”时，双相码在M个时钟后反相.
VMSK/2的解码规则是：当检测到信号在M-1个时钟后反相时，解码器输出比特“0”；当检测到信号在M+1个时钟后反相时，输出比特“1”；当信号在M个时钟后反相时，输出与前一个相同的比特。
由上述介绍可知，VMSK/2编译码过程并不复杂，其难点在于如何在解码时，精确地检测出信号过零点时刻的细微差别，得到正确的信息码。
为了提高数据率，我们提出正交调制的的VMSK/2(QM-VMSK/2)编码调制方案。在该方案中，QM-VMSK/2编码调制的具体过程为：
发送数据b(t)首先经串并转换后变成两个子数据流，分别进行VMSK/2编码，得到编码输出aI(t)和aQ(t)；然后对aI(t)和aQ(t)分别进行同相和正交调制后相加，得到输出信号xQM-VMSK/2(t)。
利用正交调制同时携带两路信号，实现两路信号并行传输。由此可在同样的带宽上，使数据率加倍。QM-VMSK/2的调制原理如图1所示。
VMSK信号利用过零点时刻的变化来传递信息，因此，其解码通常采用过零点检测和双相码脉宽判别来进行。只有精确地检测出过零点时刻的细微差别，并将其转换为双相码的脉宽变化才能进行正确解码。但在低信噪比条件下，解调信号的过零点时刻很容易受噪声的干扰，影响双相码脉宽的判别，导致解码出错。
提出了基于双相码检测的解码方法来提高解码的抗噪声能力。该方法首先借助于幅度判别进行每个时钟周期双相码的检测，然后按照编码规则中不同比特占有的时钟周期数进行比特译码。由于跨域磁感应通信的信号频率和数据率都较低，当采样频率远大于时钟频率时，一个时钟周期内将有足够多的采样点用于双相码判别，且其抗噪声能力要比过零点时刻检测的更强。
QM-VMSK/2解调译码的具体过程为：
接收信号r(t)分别与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，则再经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信息b(t)的估计。图2为窄带调制信号的解调和译码原理框图。
在实用时，可以在要发送的信号前加上同步信号，来保证接收信号检测的同步。
本发明还提供了一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调***，该调制解调***包括发送端和接收端。
如图3所示，发送端包括，
串并转换模块，将输入的发送数据b(t)转换成两个子数据流；
第一VMSK/2编码器，接收其中一个子数据流进行编码，得到编码输出aI(t)；
第二VMSK/2编码器，接收另一个子数据流进行编码，得到编码输出aQ(t)；
同相调制模块，对数据aI(t)进行同相调制；
正交调制模块，对数据aQ(t)进行正交调制；
集合模块，将同相和正交调制后的两路数据进行相加，得到输出信号xQM-VMSk/2(t)。
接收端将接收信号r(t)与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，解调后信号再依次经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信号b(t)的估计。如图4所示，接收端包括
同相解调模块，对接收信号r(t)进行同相解调；
正交解调模块，对接收信号r(t)进行正交解调；
第一双相码检测模块，对同相解调信号进行双相码检测，输出一路估计的VMSk/2编码信号；
第二双相码检测模块，对正交解调信号进行双相码检测，输出另一路估计的VMSk/2编码信号；
第一VMSK/2译码器，对通过第一双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
第二VMSK/2译码器，对通过第二双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
并串转换模块，将分别经第一VMSK/2译码器和第二VMSK/2译码器译码后的信号进行并串转换后相加，输出发送信息b(t)的估计。
1.窄带调制的数值分析
设载波频率fc＝500Hz，比特率fb＝100bps，采样频率fs＝25kHz。在进行VSMK/2编码时，每个比特占用M＝4个时钟周期。跨域MI信道可以用加性白高斯噪声信道来模化。由于VMSK/2调制信号的带宽窄，假设信号中各频率分量受到相同的信道衰减。
图5为常规相移键控(PSK)和VMSK/2类窄带调制信号的功率谱。由图3可见，QM-VMSK/2的频谱与VMSK/2非常接近，所占据的频带要比PSK信号小得多。因此，QM-VMSK/2这类调制很适合于MI信道。
仿真得到的窄带调制的误码率曲线如图6所示，分别采用采用双相码检测(BPCD)和过零检测(ZCD)的解码方法。
从由图6中得到以下结论。
(1)当给定数据率fb和采样频率fs时，可以通过减少每比特内的采样点数来降低载波频率fc。图6中给出了fc＝500Hz和fc＝200Hz时的窄带调制的误码率曲线。由图可见，采用fc＝200Hz时的误码率要略高于fc＝500Hz时的误码率，这是因为采样点数的减少会影响信号检测的抗噪声性能。但误码率相差不大的结果暗示我们在不显著增加误码率的条件下，可以降低载波频率，从而降低MI信号的传输衰减，达到更大的入水深度。窄带调制允许采用较低的载波频率的关键在于VMSK/2的编码可以使编码信号有连续的“1”或“0”比特符号，因而比单比特符号能容忍更低的采样点数。
要达到BER＝10-2，采用QM-VMSK/2调制比采用VMSK/2调制需要增加约2dB的信噪比，但其传输数据率为2fb＝200bps，是VMSK/2的两倍。若VMSK/2调制要达到200bps的数据率，且在一个比特码元内保持同样的采样点数，则其载波频率要增加到fc＝1000Hz。按照分层介质中磁感应场的计算[1]，fc＝1000Hz的磁感应强度要比fc＝500Hz时衰减增加约2.6倍。这意味着相比采用VMSK/2调制，在同样的入水深度上，采用QM-VMSK/2调制的跨域通信可以以多2db信号功率的代价实现2倍数据率的增加；若保持同样的数据率，则跨域通信可达到更大的入水深度。
(2)相比过零检测方法，采用双相码检测方法在BER＝10-2时，可分别获得约3dB的信噪比增益。这说明采用双相码检测方法有更好的抗噪声性能，在同样的信号功率和BER条件下，可达到更大的入水深度。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法，其特征在于，该调制解调方法包括：
步骤1：编码调制，发送端的发送数据b(t)经过QM-VMSK/2编码调制输出信号xQM-VMSk/2(t)，通过天线将信号发送出去；
步骤2：解调译码，接收端对接收到的信号r(t)进行QM-VMSK/2解调译码后，输出发送信号b(t)的估计。
2.根据权利要求1所述的一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法，其特征在于，在上述步骤1中，QM-VMSK/2编码调制的具体过程为：
发送数据b(t)首先经串并转换后变成两个子数据流，分别进行VMSK/2编码，得到编码输出aI(t)和aQ(t)；然后对aI(t)和aQ(t)分别进行同相和正交调制后相加，得到调制输出信号xQM-VMSk/2(t)。
3.根据权利要求1所述的一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调方法，其特征在于，在上述步骤2中，QM-VMSK/2解调译码的具体过程为：
接收端将接收信号r(t)与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，解调后信号再依次经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信号b(t)的估计。
4.一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调***，该调制解调***包括发送端和接收端，其特征在于，
发送端包括，
串并转换模块，将输入的发送数据b(t)转换成两个子数据流；
第一VMSK/2编码器，接收其中一个子数据流进行编码，得到编码输出aI(t)；
第二VMSK/2编码器，接收另一个子数据流进行编码，得到编码输出aQ(t)；
同相调制模块，对数据aI(t)进行同相调制；
正交调制模块，对数据aQ(t)进行正交调制；
集合模块，将同相和正交调制后的两路数据进行相加，得到调制输出信号xQM-VMSk/2(t)；
接收端将接收信号r(t)与本地的同相和正交载波相乘后得到同相和正交解调信号，解调后信号再依次经双相码检测、VMSK/2译码、并串转换后相加，输出发送信号b(t)的估计。
5.根据权利要求4所述的一种适用于跨界磁感应通信中的窄带调制解调***，其特征在于，接收端还包括
同相解调模块，对接收信号r(t)进行同相解调；
正交解调模块，对接收信号r(t)进行正交解调；
第一双相码检测模块，对同相解调信号进行双相码检测，输出一路估计的VMSk/2编码信号
第二双相码检测模块，
对正交解调信号进行双相码检测，输出另一路估计的VMSk/2编码信号；
第一VMSK/2译码器，对通过第一双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
第二VMSK/2译码器，对通过第二双相码检测模块检测后的信号进行VMSK/2译码；
并串转换模块，将分别经第一VMSK/2译码器和第二VMSK/2译码器译码后的信号进行并串转换后相加，输出发送信息b(t)的估计。
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