一種mfsk水聲通信方法及系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于通信技術領域，具體設及一種MFSK水聲通信方法及系統。
【背景技術】
[0002] 多頻移鍵控技術（MFSK)是用不同頻率、波形形式相同的波形代表不同的碼元，其 能有效的克服碼間干擾和相位崎變，并能具有較強的抗時間擴散和頻率擴散能力，因此該 方法在水聲通信中得到了廣泛應用。但其有如下缺點：需要較寬的頻帶寬度及單位帶寬的 通信速率低。為了提高MFSK通信的速率，希望盡量降低頻點和頻點之間的間隔，并降低每 個碼元的持續時間，運樣就造成了解調時準確估計頻率的難度。
[0003] 主要的頻率估計方法可分為非參數化方法和參數化方法兩類，前者W傅里葉變換 為基礎，計算量較小，但分辨率往往較低；后者包括MUSIC、ESPRIT等方法，具有較高的頻率 分辨率，但設及到矩陣的分解和求逆，計算量較大，難W實時實現。因此，基于DFT的頻率估 計應用的較多。由于DFT得到的是離散頻率值，頻率的分辨率限制了頻率估計精度，只有當 信號頻率為DFT頻率分辨率的整數倍時，DFT得到的頻率估計值才是準確的。
[0004] 而為了提高MFSK通信的速率，希望盡量降低頻點和頻點之間的間隔，并降低每個 碼元的持續時間，但運樣就造成了頻率難W準確估計。
【發明內容】
陽0化]本發明的目的在于解決上述的技術問題而提供一種MFSK水聲通信方法及系統， 該方法信號調制時采用m序列對數字信號進行調制W展寬信號的頻譜后再調制到射頻信 號發送出去，在信號解調時基于CZT變換的頻率估計方法來對頻率進行估計，能夠使接收 信號頻譜更細化，最小頻率間隔更小。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] 一種MFSK水聲通信方法，包括信號調制步驟與信號調解步驟，所述信號調解步驟 包括有頻率估計步驟，其特征在于，在所述信號調制步驟中采用m序列對數字信號進行調 制W展寬信號的頻譜后再調制到射頻信號發送出去；在信號調解步驟中，先用m序列與接 收信號做相關運算，估計每個碼元的波峰起始位置實現碼元同步后對碼元解擴，然后進行 頻率估計，所述頻率估計步驟中采用CZT變換算法對解擴后的頻帶信號的頻譜進行細化， 得到細化頻譜，然后根據細化的頻譜進行信道譯碼后輸出。
[0008] 所述對解擴后的頻帶信號采用CZT變換算法對頻譜進行細化的具體步驟為：
[0009] 確定細化頻帶和輸出點數；
[0010] 將所述細化頻帶轉換為單位圓上的一段圓弧，確定CZT的路徑，包括起點、終點和 間隔點的位置；
[0011] 計算給定路徑上的CZT;
[0012] 根據所述細化頻帶內頻率點位置和CZT的結果，得到細化頻譜。
[0013] 所述對碼元解擴中，還包括有去掉碼元間的保護間隔的步驟。
[0014] 本發明的目的還在于提供一種MFSK水聲通信系統，包括：
[0015] 信號調制發送裝置，用于采用m序列對數字信號進行調制W展寬信號的頻譜后再 調制到射頻信號發送出去；
[0016] 信號接收解調裝置，用于在接收到射頻信號后，先用m序列與接收信號做相關運 算，先用m序列與接收信號做相關運算，估計每個碼元的波峰起始位置實現碼元同步后對 碼元解擴，然后進行頻率估計，所述頻率估計步驟中采用CZT變換算法對解擴后的頻帶信 號的頻譜進行細化，得到細化頻譜，然后根據細化的頻譜進行信道譯碼后輸出。
[0017] 所述信號接收解調裝置包括：
[0018] 碼元同步單元，用于在接收到射頻信號后，用m序列與接收信號做相關運算，估計 每個碼元的波峰起始位置實現碼元同步并進行解擴；
[0019] 頻率估計單元，用于采用CZT變換算法對解擴后的頻帶信號的頻譜進行細化，得 到細化頻譜；
[0020] 信道譯碼單元，用于根據細化的頻譜進行信道譯碼后輸出。
[0021] 所述信號接收解調裝置包括：
[0022] 保護間隔去除單元，用于在碼元同步后去掉碼元間的保護間隔，將保護間隔去除 后信號送到所述頻率估計單元。
[0023] 所述信號調制發送裝置包括調制用m序列產生器，用于產生調制信號用的m序列， 對應的，所述信號接收解調裝置包括解調用m序列產生器，用于產生解調用的m序列。
[0024] 本發明通過在所述信號調制步驟中采用m序列對數字信號進行調制W展寬信號 的頻譜后再調制到射頻信號發送出去；在信號調解步驟中，先用m序列與接收信號做相關 運算，估計每個碼元的波峰起始位置實現碼元同步后對碼元解擴，然后進行頻率估計，所述 頻率估計步驟中采用CZT變換算法對解擴后的頻帶信號的頻譜進行細化，得到細化頻譜， 然后根據細化的頻譜進行信道譯碼后輸出，特別是通過在所述頻率估計步驟中采用CZT變 換算法對頻譜進行細化，而基于CZT變換的頻率估計方法來對頻率進行估計，能夠使接收 信號頻譜更細化，最小頻率間隔更小，從而降低了頻率估計時對碼元長度的要求，提高了通 信速率，也可進一步降低頻率間隔，提高了頻率利用效率，而采用m序列對數字信號進行調 制W展寬信號的頻譜后再調制到射頻信號發送出去，除了應用了擴頻通信抗噪性能較好的 特點，也利用了m序列優良的自相關性，更精確地進行碼元同步。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明實施例提供的MFSK水聲通信方法的流程圖； 陽0%] 圖2A~2B為MFSK調制方式下頻帶的示意圖；
[0027] 圖3為本發明實施例提供的CZT的變換路徑的示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面，結合實例對本發明的實質性特點和優勢作進一步的說明，但本發明并不局 限于所列的實施例。
[0029] 參見圖1所示，一種MFSK水聲通信方法，包括信號調制步驟與信號調解步驟，所 述信號調解步驟包括有頻率估計步驟，在所述信號調制步驟中采用m序列對數字信號進 行調制W展寬信號的頻譜后再調制到射頻信號發送出去；在信號調解步驟中，先用m序列 與接收信號做相關運算，估計每個碼元的波峰起始位置實現碼元同步后對碼元解擴，然后 進行頻率估計，所述頻率估計步驟中采用CZT變換算法對解擴后的頻帶信號的頻譜進行細 化，得到細化頻譜，然后根據細化的頻譜進行信道譯碼后輸出。
[0030] 進一步的，所述對碼元解擴的步驟中，還包括有去掉碼元間的保護間隔的步驟。
[0031] 其中，所述對解擴后的頻帶信號采用CZT變換算法對頻譜進行細化的具體步驟 為：
[0032] 確定細化頻帶和輸出點數；
[0033] 將所述細化頻帶轉換為單位圓上的一段圓弧，確定CZT的路徑，包括起點、終點和 間隔點的位置；
[0034] 計算給定路徑上的CZT;
[0035] 根據所述細化頻帶內頻率點位置和CZT的結果，得到細化頻譜。
[0036] 在擴頻系統中，偽隨機序列有著重要的作用，應用偽隨機序列可提高系統的抗干 擾性能。二元m序列是一種狹義的偽隨機序列，它具有優良的自相關特性，且容易產生和 復制。它是由線性移位寄存器加上反饋之后生成的，因此也被稱為最長線性反饋移位寄存 器序列。在擴頻通信及碼分多址技術中，m序列已經得到了廣泛的應用。本發明將m序列 應用于MFSK系統中，利用其優良的自相關及互相關特性，在時域上更好分辨每個碼元的位 置，有助于更好地解調MFSK信號。具體實現時，本發明將載波形式設定為m序列形式，在接 收端，用此m序列與接收信號做相關，根據m序列的相關特性，在時間軸上可W得到相關峰， 可有效估計每個碼元的波形的起始位置，有利于碼元同步，能有效求出每個碼元在時間坐 標上的位置，實現碼元同步更為精確。
[0037] 參見圖1所示，具體在水聲通信過程中，在解調時具體通過W下步驟進行：
[0038] 調制發送裝置發出的信號由換能器接收后，經過前置放大器放大，經過A\D模數 轉換變成數字信號、經下變頻器變頻處理、通過m序列與接收信號做相關，估計每個碼元 的波形的起始位置，使碼元同步后解擴并去掉碼元間的保護間隔，然后采用CZT變換算法 進行頻率估計，通過信道譯碼步驟計算并去除信道對接收信號的影響，最終實現MFSK的解 調，輸出相應的數字信號。
[0039] 下面，結合MFSK調制方式對CZT實現頻譜細化進行詳細說明： W40] 參見圖2A-2B所示，目前，MFSK調制方式有如下特點：
[0041] 1)整個系統帶寬為F，可分為Nl個子頻帶，每個子頻段中含N2個頻點；子頻點之 間的頻率間隔為AF，如圖2A所示。
[0042] 2)每個碼元中同時包括Nl個頻率；每個碼元的長度為T，圖2B所示。
[0043] 3)在MFSK方式中可通過加入保護時間來降低碼元間干擾，設置頻率裕度來降低 多普勒頻移干擾。
[0044] 若T為碼元持續時間，為了能夠較為準確的估計出每個頻帶發射的頻點，通常要 求MFSK信號的最小頻率間隔AF等于1/2T。 W45] 為了得到較高的通信速率，要求每個碼元包含的載波信號很短，頻率分辨率比較 高，使用傳統的FFT法，難W達到目的。而CZT可W計算單位圓上任一曲線上的Z變換，做 CZT時輸入的點數N和輸出的點數M，可W不相等，從而達到頻域"細化"的目的。CZT變換 可W對窄帶信號頻譜或對部分感興趣的頻譜進行細化分析。因此利用運一特性，可減少碼 元長度，提高通信速率。
[0046] 下面，對CZTW及CZT細化頻譜說明。
[0047] 1、CZT的定義（參見圖3所示）： W48] 設X(n)為已知的時間信號，其Z變換是
[0052] S為拉普拉斯變量，A=e°T為實數，圓頻率CO=QTg為一角度。現對上式的Z作 一修改。令
[0053] Zf= (3)
[0054] 式中J= 4€州，好'二巧怎訓 陽05引則瓦產屋怎為巧Te''邱（牛)
[0056] A。，W。為任意的正實數，給定A。，W。，0。，％，當r=O，l，…，°o時，可得到在z平面 上的一個個點Z。，Zi,…，z"，取運些點上的Z變換，有
[0057]
陽化引 由4式可知，當r= 0時，Z。= ^6^0%該點在Z平面上的幅度為A。，幅角為0。，是CZT的起點。當r= 1時，Z, = 4)所，Zi點的幅度變為4)而-1，角度在0。的基礎上 有增量