專利名稱：一種調頻水聲通信系統的解調方法
技術領域：
本發明屬于水聲通信領域，特別涉及一種加窗雙直線插值FFT (快速傅里葉變換) 方式解調水聲FSK (Frequency-shift keying，頻移鍵控)信號的方法。
背景技術：
隨著現代信息技術的飛速發展，水聲通信技術是當代海洋資源開發和海洋環境立 體監測系統中的重要技術組成部分。特別在水下遙測遙控、污染監測、海洋資源調查和開發 中廣泛應用，是我國海洋高技術急待研究開發的項目之一。水聲信道是一個極其復雜，且隨機時、空、頻變的信道，其主要特征表現為復雜 性、多變性、強多途，以及有限的使用頻帶寬和嚴重的多普勒干擾，特別是多途時域擴展產 生的碼間干擾，是水下高速率數據傳輸的根本障礙。海洋聲信道隨機起伏、時空頻變的多途 特征使水聲通信技術成為當代最為復雜的通信技術之一([1]許肖梅.淺海水聲數據傳輸 技術研究[D].廈門廈門大學博士學位論文，2002 ； [2]陶毅.淺海水聲信道抗多途跳頻通 信系統研究[D].廈門廈門大學博士學位論文，2008 ;[3]劉伯勝等.水聲學原理[M].哈 爾濱哈爾濱工業大學出版社，1993)。移頻鍵控(FSK)等調頻非相干檢測方法的信號設計，通常被認為是淺海中、遠距 離多途嚴重、位相快速變化信道中的唯一選擇。尤其是多載波移頻鍵控(MFSK)，是目前克服 多途干擾的重要方法之一。它解決了載波位相跟蹤問題，系統抗干擾、抗衰落性能好，且信 號易于產生、解調容易，所以目前仍廣泛地用于水聲中、低速率傳輸設備中。如美國Woods Hole海洋研究所使用載頻20 30kHz，采用MFSK為調制信號(其中把系統分為16個子帶， 每個子帶內是4FSK，總的使用64個頻率)，最大傳輸速率達51Ait/S，在淺海水平信道工作 距離為4km，系統的誤碼率為10_2 10_3數量級([1]許肖梅.淺海水聲數據傳輸技術研究 [D],廈門廈門大學博士學位論文，2002)。利用FFT對水聲調頻信號進行鑒頻解調，由于其系統結構簡單、運算快速簡便、實 時性強，一直被廣泛采用。FFT解調的一般過程為對抽樣后的離散信號s (η)進行FFT得 到頻譜分布序列，通過其中的最大值來確定信號的頻率f，再根據一定的調制編碼將解調結 果譯回相應的二進制信息β]。實際應用中，離散信號的FFT結果S (η)也是一系列離散的 點，S (η)中整數點所在位置的頻率信息是準確的，但非整點位置的頻率信息未知。水聲信道 中，帶寬嚴重受限，所設計的頻點間隔往往較窄。與此同時，多普勒頻偏、碼間干擾(ISI)都 會造成接收到的信號與調制時設計的準確頻點產生一定程度上的偏移。一旦信號接收端的 FFT的解調結果與發射端FSK信號原始設計的偏差存在，就會造成實際最大峰值不在S (η) 的離散點上，鑒頻解調容易因此造成誤判，產生通信誤碼。傳統提高FFT鑒頻精度的方法很多，歸根結底，均根據頻率分辨率df與采樣率fs、 采樣點數N的關系來實現df =—
N
一般來說，提高頻率分辨率df的辦法通是降低采樣率fs或增加采樣點數N，常用 方法有(1)增加發射端的信號長度，從而提高接收端采樣點數N。信號長度增加，會導致 發送、接收信號的時間變長，且點數N的增加會使FFT的運算量增大，降低系統效率。(2)通過補零的方式進行FFT運算。快速傅立葉變換在計算的過程中可以通過補 零來增加N，同樣會提高系統的計算量。(3)降低采樣率fs進行重采樣，即欠采樣技術([4]陳國通.數字通信原理[M]. 哈爾濱哈爾濱工業大學出版社，1996)。采樣率受到奈斯奎特(Nyquist)采樣定律的限制， 最低采樣率fs必須滿足fs > 2fmax,能獲得較高的頻率分辨率，但需要相對較長的采樣時 間；此外，分頻段的重采樣增加了系統的復雜度，提高系統成本。上述三類方法均能有效提高鑒頻的精度，但提高精度的同時也使系統的運算量增 加，應用于水聲系統中會使系統復雜度高、運算效率低，增加水聲設備的成本。另一種思路是使用插值，應用插值對FFT的結果S(n)進行一定的擬合，通過已知 的譜線信息合理地估計最大值頻率所在的位置([5]齊國清，賈欣樂.插值FFT估計正弦信 號頻率的精度分析[J].電子學報，2004，32 ) :625-6 )。對于水聲FSK系統，最后的解調 判決一般只需要峰值所在的頻率信息，因此，只要應用適當的插值公式對鑒頻結果進行優 化，就滿足水聲FSK解調的需要。由于插值估計方法簡單，不需復雜的編程，且運算復雜度 低，非常適合實時性要求高的水聲通信系統，但插值函數的選取至關重要，直接影響系統性 能。水聲調頻信號的解調必須考慮水下多普勒頻移等影響，聲波在水中傳播速度只有 1500m/s,遠不及光速，要比電磁波低5個數量級，所以水聲通信中的相對多普勒效應要比 陸地無線通信高幾個數量級[2’3]。加之海洋信道對聲吸收隨著頻率的增加而增加，水聲通信 所使用的聲波頻率一般只局限在幾十到幾百kHz[1]。因此，水聲通信較無線電更易受多普勒 頻移的影響，多普勒效應會影響載波估計，從而使整個系統性能嚴重下降。盡量減小或消除 多普勒效應的影響，也是水聲通信中的難點問題之一。FSK系統的解調鑒頻窗穩定能抵抗多 普勒頻移影響，而在水聲調頻系統中常使用加窗，使頻譜能量有效聚集，抑制頻譜泄漏，提 高解調的準確度，穩定鑒頻窗。但傳統一些插值算法在加窗后，誤差急劇變化，導致FSK鑒 頻窗口的寬度不穩定，造成解調誤差。若將其運用到水聲調頻系統中，仍有待進一步的研究 與討論。
發明內容
本發明的目的是針對現有水聲調頻系統解調中頻率分辨率不高、易受多普勒影響 等不足，提供一種基于加窗雙直線插值，不僅具有簡單實用、運算速度快、鑒頻精度高、解調 判決窗口穩定等優點，而且可在最大程度上容許多普勒頻偏的影響，提高水聲調頻系統的 通信成功率的調頻水聲通信系統的解調方法。本發明包括以下步驟1)將從換能器端采集到的水聲信號經放大、濾波后，得到N個采樣點的離散信號 序列s (η)；2)構造長度為N的Harming窗函數，對離散信號序列s (η)進行加窗處理，得到s， (η)；3)將s，(η)進行N點的FFT運算，得到信號的頻域信息序列S(η)；4)搜索信號的頻域信息序列S(n)中的峰值譜線(記為k)、左側譜線(記為k-1) 和右側譜線(記為k+Ι)，所述峰值譜線的幅值記為Atl，所述左側譜線的幅值記為A1,右側譜 線的幅值記為A2;5)對峰值譜線、左側譜線和右側譜線3條譜線使用雙直線插值修正法進行頻譜校 正，得到校正后的峰值位置kmax ；6)根據頻率與采樣率關系，從kmax計算得到校正后的頻率fmax ；7)根據頻點最逼近算法，將峰值頻率f進行譯碼，恢復出原始的二進制信息。在步驟5)中，所述校正后的峰值位置kmax由雙直線插值公式計算
權利要求
1.一種調頻水聲通信系統的解調方法，其特征在于包括以下步驟1)將從換能器端采集到的水聲信號經放大、濾波后，得到N個采樣點的離散信號序列 s (η)；2)構造長度為N的Harming窗函數，對離散信號序列s(η)進行加窗處理，得到s’(η)；3)將s’(η)進行N點的FFT運算，得到信號的頻域信息序列S(n)；4)搜索信號的頻域信息序列S(n)中的峰值譜線(記為k)、左側譜線(記為k-Ι)和右 側譜線(記為k+Ι)，所述峰值譜線的幅值記為Atl，所述左側譜線的幅值記為A1，右側譜線的 幅值記為A2 ；5)對峰值譜線、左側譜線和右側譜線3條譜線使用雙直線插值修正法進行頻譜校正， 得到校正后的峰值位置kmax ；6)根據頻率與采樣率關系，從kmax計算得到校正后的頻率fmax；7)根據頻點最逼近算法，將峰值頻率f進行譯碼，恢復出原始的二進制信息。
2.如權利要求1所述的一種調頻水聲通信系統的解調方法，其特征在于在步驟5)中， 所述校正后的峰值位置kmax由雙直線插值公式計算k -Jr IA2~A-2U_min(4，4))其中，k為S(n)中的峰值位置，kmax為修正后的峰值位置，HA2分別為峰值譜線的 幅值S(k)、左側譜線的幅值S(k-l)、右側譜線的幅值S(k+1)。
3.如權利要求1所述的一種調頻水聲通信系統的解調方法，其特征在于在步驟6)中， 所述校正后的頻率fmax為f = k · Hf^ max lvmax ^j- °
4.如權利要求1所述的一種調頻水聲通信系統的解調方法，其特征在于在步驟7)中， 所述根據頻點最逼近算法，將峰值頻率f進行譯碼的公式為f = int(fmaxXM)/M。
全文摘要
一種調頻水聲通信系統的解調方法，將從換能器端采集到的水聲信號經放大得N個采樣點的離散信號序列s(n)；構造長度為N的Hanning窗函數，對s(n)加窗處理得s’(n)；將s’(n)進行N點的FFT運算得信號的頻域信息序列S(n)；搜索S(n)中的峰值譜線和左右側譜線；對峰值譜線、左右側譜線使用雙直線插值修正法進行頻譜校正，得校正后的峰值位置kmax；根據頻率與采樣率關系，從kmax計算得到校正后的頻率fmax；根據頻點最逼近算法，將峰值頻率f進行譯碼，恢復出原始的二進制信息。簡單實用、運算速度快、鑒頻精度高、解調判決窗口穩定，可在最大程度上容許多普勒頻偏的影響，提高水聲調頻系統的通信成功率。
文檔編號H04L27/14GK102118335SQ20111002096
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者張小康, 彭陽明, 朱兆彤, 許肖梅, 鄒哲光, 陶毅 申請人:廈門大學