一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法
一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水声通信领域，尤其是设及一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水 声通信系统及其通信方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对海洋资源的开发利用，水下平台与岸上人员、潜水员在水下的实时语 音传输变得更为重要，实时语音通信是一种最重要和最直接的水下通信方式，但是水声通 信信道环境非常复杂的，是随机发生空变和时变的;并且具有多途扩展严重、可用带宽有限 和高噪声等特性。给图像、语音的传输带来了极大的难度，运使得远距离可靠通信成为一个 难题。
[0003] 针对运种复杂多变的水声通信信道，目前，可W通过算法来消除噪声干扰等进而 改善水下语音通信质量，保证语音稳定、高质量、远距离传输。水声通信中的正交频分复用 (OFDM)技术具有抗多途能力强、频带利用率高、通信速率高等优点；线性调频信号（chirp) 扩频技术具有很强的抗多普勒频移能力和显著的抗干扰和抗衰落特性。将两者结合为一种 基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统不仅提高了系统的抗多径等干扰、抗噪声 和抗衰落等特性，同时极大降低通信系统的复杂度。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是克服传统的正交频分复用(OFDM)水声通信系统性能不足 的问题W及系统高复杂度，提供一种在复杂多变的水声通信信道中，具有强抗多径、抗噪声 和抗衰落等特性，并且低复杂度的基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统。
[000引为解决上述技术问题，本发明采用的方案如下：
[0006] -种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统，包括发送端和接收端两个 部分，发送端包括信道编码单元、频域线性调频(chirp)映射单元、子载波映射单元、快速傅 立叶反变换(IFFT)单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接收端包括时间同步单元、载波同 步单元、去循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频(chirp)相关解调单元、信道解码单 元和频率跟踪单元；
[0007] 发送端的信道编码单元输入端输入数据，信道编码单元输出端接频域线性调频 (ch i巧）映射单元输入端，频域线性调频(ch i rp)映射单元输出端接子载波映射单元输入 端，子载波映射单元输出端接快速傅立叶反变换（IFFT)单元输入端，快速傅立叶反变换 (IFFT)单元输出端接加入循环前缀单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入 端；
[0008] 接收端的时间同步单元输入端接所述发送端的加窗单元输出端信号、时间同步单 元输出端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入端，去循环 前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性调频 (chirp)相关解调单元输入端，线性调频(chirp)相关解调单元输出端接信道解码单元输入 端，信道解码单元输出端输出数据，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输入端。
[0009] 一种基于频域线性调频(cM巧)扩频的水声通信方法，采用上述一种基于频域线 性调频(chirp)扩频的水声通信系统，所述水声通信方法包括W下步骤：
[0010] 1)在水声通信发送端:首先将输入数据进行信道编码，对编码后的数据进行频域 线性调频(cM巧）映射，即根据编码后的数据(0或者1)选择频域上调频信号(up-chirp)和 频域下调频信号（down-chirp),然后对频域线性调频(chirp)映射后的数据进行子载波映 射，再经过傅里叶反变换（IFFT)，接着加入循环前缀和加窗，最后将信号发送到水声信道 中；
[0011] 2)在水声通信系统接收端:首先对接收到的信号进行时间同步和载波同步、频率 跟踪过程，再经过去除循环前缀，接着对接收到的信号分别和每个频域线性调频(chirp)数 据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号 分别与时域上调频信号(up-ch i巧)和下调频信号(down-chi巧)作线性调频(ch i巧)相关解 调，再对相关结果作判决得到(0或者1)，最后通过信道译码，输出还原回来的数据。
[0012] 在步骤1)中，所述对频域线性调频（chirp)信号的映射，是先对时域的线性调频 (chirp)信号进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域的线性调频(chirp)信号，所述线性调频 (chirp)信号包括上调频信号(up-chirp)和下调频信号(down-cM;rp)两种，进行快速傅立 叶变换(FFT)后得到频域上调频信号(叫-chirp)数据和频域下调频信号（down-chirp)数 据，根据信道编码后的数据(0或者1)，选择对应的上调频信号（up-chirp)或下调频信号 (down-chi巧)频域数据即完成频域线性调频(chi巧)映射。
[0013] 在步骤2)中，所述多路混频滤波，是指将接收到的信号分别和每个频域线性调频 (chirp)数据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号。
[0014] 在步骤2)中，所述线性调频(chirp)相关解调，是指将多路混频滤波后的信号分别 与时域上调频信号(up-ch i巧)和下调频信号(down-chi巧)做相关运算，再通过对相关的结 果判决得到解调数据(0或者1)。
[0015] 在步骤2)中，所述频率跟踪，是指发送信号的最边缘的有效子载波为两个单频率 信号，频率分别为-^和^，（其中8为信号有效带宽），对运两个单频信号做载波同步运算 Z 么 后，可W求得最边缘两个子载波的频率误差A fi、Δ f2,然后经过线性内插运算得到第i子载 波频率误差为
其中N为有效子载波数。
[0016] 与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
[0017] 在水下具有多种通信方式，其中，最重要和最直接的通信方式是语音通信，但水下 的语音通信信道环境是多变复杂的，存在噪声高和多径强等特点。在运种信道环境极其恶 劣的情况下，保证语音稳定、高质量、远距离的传输，对于潜水员的生命和水下潜水任务的 成败具有重要的意义。由于线性调频(chirp)信号本身具有抗多径、抗噪声、抗多普勒频移 的特点，所W本发明与传统的水声通信系统相比，提高了水声通信系统的抗多径、抗噪声、 抗多普勒频移等特性，本发明在接收端用多路混频滤波代替傅里叶变换(FFT)极大降低水 声通信系统的复杂度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统组 成框图。
[0019] 图2为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信方法中 的子载波映射图。
[0020] 图3为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信方法中 的在高斯噪声环境下的误码率曲线图。
【具体实施方式】
[0021] 参见图1，本发明实施例所述一种基于频域线性调频（chirp)扩频的水声通信系 统，包括发送端和接收端两个部分，发送端包括信道编码单元、频域线性调频(chirp)映射 单元、子载波映射单元、快速傅立叶反变换（IFFT)单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接 收端包括时间同步单元、载波同步单元、去循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频 (chirp)相关解调单元、信道解码单元和频率跟踪单元；
[0022] 发送端的信道编码单元输入端输入接数据信号，信道编码单元输出端接频域线性 调频(chirp)映射单元输入端，频域线性调频(chirp)映射单元输出端接子载波映射单元输 入端，子载波映射单元输出端接快速傅立叶反变换（IFFT)单元输入端，快速傅立叶反变换 (IFFT)单元输出端接加入循环前缀单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入 端；
[0023] 接收端的时间同步单元输入端通过信道接收所述发送端的加窗单元输出端信号、 时间同步单元输入端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入 端，去循环前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性 调频(chirp)相关解调单元输入端，线性调频(chirp)相关解调单元输出端接信道解码单元 输入端，信道解码单元输出端输出数据信号，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输 入端。
[0024] 参见图2和3,本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信 方法，具体的实施流步骤是:发送端首先将输入数据进行信道编码，对编码后的信号进行频 域线性调频(chirp)映射，根据编码后的数据(0或者1)选择频域上调频信号(up-chirp)和 下调频信号(down-chirp),然后对频域线性调频(chirp)映射后的数据进行子载波映射，再 经过傅里叶反变换（IFFT)，接着加入循环前缀和加窗发送到水声信道中；在接收端首先对 接收到的信号进行时间同 步和载波同步，再经过去除循环前缀、频率跟踪等过程，接着对接 收到的信号分别和每个频域线性调频(chirp)数据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混 频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号分别与时域上调频信号(up-chi巧)和下调 频信号(down-chirp)作相关，再对相关结果作判决得到(0或者1)，最后通过信道译码对信 道传输进行纠错，输出还原回来的数据。
[0025] 为了说明本发明所述系统的有效性，运里提供核屯、的数据推导过程和系统仿真。
[0026] 数据推导中，规定第i个输入数据表示为山。
[0027] 发送端过程：
[0028] 线性调频(chi巧)映射：
[0029] 对第i个数据进行线性调频(chi巧)映射，映射后的线性调频(chi巧)信号：
[0030]
[0031] 其中，f日表示起始频率，fk表示调频斜率;对第i个线性调频(chirp)信号进行傅里 叶变换(FFT)，变换成频域数据，取峰值最大的k个值作为频域数据，即傅里叶变换(FFT)后 中间k个数据：
[0032]
[0033] 数据映射：
[0034] 因此k个频域数据表示1比特编码后数据，记为1个数据块，如图1所示的子载波映 射图，一帖共η块，第i块数据子载波映射为
[003引 bi = fdi。
[0036] 经m点傅里叶反变换（IFFT)后的信号：
[0037]
[003引其中，Si为第i个子载波中屯、频率，e./(w(i-叫)/。4 )"(叫-1>如:）为子载波中屯、频率 为Si的线性调频(chirp)信号，η个信号两两正交，并且线性调频(chirp)信号与噪声有良好 的正交性。
[0039] SIG为加入循环前缀(CP)后的数据：
[0040] SIG={CP，sig}，
[0041] 其中，符号{}表示数据和数据的整合，CP长度为:CP = sig(m-l+l:m)表示经m点傅 里叶反变换(IFFT)后的信号的后面1个点。
[0042] 加窗后发送数据：
[0043] s(t)=win · SIG，
[0044] 其中，win表示余弦窗。
[004引接收信号：
[0046] r(t) =s(t)+n(t),
[0047] 其中，n(t)表示噪声。
[004引接收端过程：
[0049] 定义上调频信号up-chi;rp:
[0050]
[0051 ] 定义下调频信号down-chi;rp:
[0052]
[0053] 接收信号与第j块子载波中屯、频率S北勺本振进行下变频：
[0056]相关解调：
[0057]混频后的数据crj分别与up-chi巧和down-chi巧进行相关运算得到化j和Cdj: [005引
[00则其中，符号<〉表不内积，*表不共扼D [0060]由；
[0070] 因此，对于接收信号与第j块子载波中屯、频率Sj的本振混频混频后的信号cn，可W 采用分别与up-chi巧和down-chi巧进行相关运算后得到的内积Cuj和Cd逊行比较的方法进 行解调，解调结果为
[0071]
[0072] 频率跟踪：
[0073] 假设傅里叶反变换（IFFT)过程中子载波数为化，边缘子载都是单音信号b-n，bn-l:
[0074]
[0075] 传输过程中接收到的边缘子载波信号
与发送的边 缘子载波信号共辆相乘
，其 中P为接收到的边缘子载波信号的初始相位，angle(*)为求角度函数，为求微分。 at
[0076] 同理，求得频率误差关
因此，采用内插运算得到第i 子载波频率误差为
[0077]
[007引系统仿真：
[0079] 如图3所示为在高斯噪声环境下的误码率曲线，其中邸R表示误码率，SNR表示信噪 比，从图3中可W看出，信噪比大于-15地时，误码率为0。
【主权项】
1. 一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统，包括发送端和接收端两个部分，其特 征在于:发送端包括信道编码单元、频域线性调频映射单元、子载波映射单元、快速傅立叶 反变换单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接收端包括时间同步单元、载波同步单元、去 循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频相关解调单元、信道解码单元和频率跟踪单 元； 发送端的信道编码单元输入端输入接数据信号，信道编码单元输出端接频域线性调频 映射单元输入端，频域线性调频映射单元输出端接子载波映射单元输入端，子载波映射单 元输出端接快速傅立叶反变换单元输入端，快速傅立叶反变换单元输出端接加入循环前缀 单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入端； 接收端的时间同步单元输入端通过信道接收所述发送端的加窗单元输出端信号、时间 同步单元输入端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入端， 去循环前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性调频 相关解调单元输入端，线性调频相关解调单元输出端接信道解码单元输入端，信道解码单 元输出端输出数据信号，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输入端。2. -种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:采用权利要求1所述基于 频域线性调频扩频的水声通信系统，所述水声通信方法包括以下步骤： 1) 在水声通信发送端：发送端首先将输入数据进行信道编码，对编码后的信号进行频 域线性调频映射，根据编码后的数据(〇或者1)选择频域上调频信号和下调频信号，然后对 频域线性调频映射后的数据进行子载波映射，再经过傅里叶反变换，接着加入循环前缀和 加窗发送到水声信道中； 2) 在水声通信接收端:在接收端首先对接收到的信号进行时间同步和载波同步，再经 过去除循环前缀、频率跟踪过程，接着对接收到的信号分别和每个频域线性调频数据的中 心频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号分别与 时域上调频信号和下调频信号作线性调频相关解调，再对相关结果作判决得到(〇或者1)， 最后通过信道译码对信道传输进行纠错，输出还原回来的数据。3. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:在步骤 1)中，所述对频域线性调频信号的映射，是先对时域的线性调频信号进行快速傅立叶变换 得到频域的线性调频信号，所述线性调频信号包括上调频信号和下调频信号两种，进行快 速傅立叶变换后得到频域上调频信号数据和频域下调频信号数据，根据信道编码后的数据 (〇或者1)，选择对应的上调频信号或下调频信号频域数据即完成频域线性调频映射。4. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述多路混频滤波，是指将接收到的信号分别和每个频域线性调频数据的中心频率进 行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号。5. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述线性调频相关解调，是指将多路混频滤波后的信号分别与时域上调频信号和下调 频信号做相关运算，再通过对相关的结果判决得到解调数据(〇或者1)。6. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述频率跟踪，是指发送信号的最边缘的有效子载波为两个单频率信号，频率分别为其中B为信号有效带宽，对这两个单频信号做载波同步运算后，求得最边缘两个子 载波的频率误差Δ h、Δ f2,然后经过线性内插运算得到第i子载波频率误差为其中N为有效子载波数。
【专利摘要】一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法。发送端包括信道编码、频域线性调频映射、子载波映射、快速傅立叶反变换、加入循环前缀和加窗单元；接收端包括时间同步、载波同步、去循环前缀、多路混频滤波、线性调频相关解调、信道解码和频率跟踪单元。在发送端将输入数据进行信道编码、频域线性调频映射、子载波映射，经傅里叶反变换，加入循环前缀和加窗，将信号发送到水声信道；在接收端对接收信号进行时间同步和载波同步、频率跟踪过程，去除循环前缀，对接收信号分别和每个频域线性调频数据的中心频率进行混频滤波得多路混频滤波后的信号，再分别与时域上下调频信号作线性调频相关解调，对结果作判决，通过信道译码，输出还原数据。
【IPC分类】H04L27/10, H04B11/00, H04B14/02, H04B13/02, H04B1/69
【公开号】CN105490976
【申请号】CN201510960271
【发明人】孙海信, 苏初埕, 陈清峰, 齐洁, 黄章伟, 张晓燕, 孙伟涛
【申请人】厦门大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月18日
【技术领域】
[0001] 本发明设及水声通信领域，尤其是设及一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水 声通信系统及其通信方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们对海洋资源的开发利用，水下平台与岸上人员、潜水员在水下的实时语 音传输变得更为重要，实时语音通信是一种最重要和最直接的水下通信方式，但是水声通 信信道环境非常复杂的，是随机发生空变和时变的;并且具有多途扩展严重、可用带宽有限 和高噪声等特性。给图像、语音的传输带来了极大的难度，运使得远距离可靠通信成为一个 难题。
[0003] 针对运种复杂多变的水声通信信道，目前，可W通过算法来消除噪声干扰等进而 改善水下语音通信质量，保证语音稳定、高质量、远距离传输。水声通信中的正交频分复用 (OFDM)技术具有抗多途能力强、频带利用率高、通信速率高等优点；线性调频信号（chirp) 扩频技术具有很强的抗多普勒频移能力和显著的抗干扰和抗衰落特性。将两者结合为一种 基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统不仅提高了系统的抗多径等干扰、抗噪声 和抗衰落等特性，同时极大降低通信系统的复杂度。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的问题是克服传统的正交频分复用(OFDM)水声通信系统性能不足 的问题W及系统高复杂度，提供一种在复杂多变的水声通信信道中，具有强抗多径、抗噪声 和抗衰落等特性，并且低复杂度的基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统。
[000引为解决上述技术问题，本发明采用的方案如下：
[0006] -种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统，包括发送端和接收端两个 部分，发送端包括信道编码单元、频域线性调频(chirp)映射单元、子载波映射单元、快速傅 立叶反变换(IFFT)单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接收端包括时间同步单元、载波同 步单元、去循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频(chirp)相关解调单元、信道解码单 元和频率跟踪单元；
[0007] 发送端的信道编码单元输入端输入数据，信道编码单元输出端接频域线性调频 (ch i巧）映射单元输入端，频域线性调频(ch i rp)映射单元输出端接子载波映射单元输入 端，子载波映射单元输出端接快速傅立叶反变换（IFFT)单元输入端，快速傅立叶反变换 (IFFT)单元输出端接加入循环前缀单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入 端；
[0008] 接收端的时间同步单元输入端接所述发送端的加窗单元输出端信号、时间同步单 元输出端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入端，去循环 前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性调频 (chirp)相关解调单元输入端，线性调频(chirp)相关解调单元输出端接信道解码单元输入 端，信道解码单元输出端输出数据，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输入端。
[0009] 一种基于频域线性调频(cM巧)扩频的水声通信方法，采用上述一种基于频域线 性调频(chirp)扩频的水声通信系统，所述水声通信方法包括W下步骤：
[0010] 1)在水声通信发送端:首先将输入数据进行信道编码，对编码后的数据进行频域 线性调频(cM巧）映射，即根据编码后的数据(0或者1)选择频域上调频信号(up-chirp)和 频域下调频信号（down-chirp),然后对频域线性调频(chirp)映射后的数据进行子载波映 射，再经过傅里叶反变换（IFFT)，接着加入循环前缀和加窗，最后将信号发送到水声信道 中；
[0011] 2)在水声通信系统接收端:首先对接收到的信号进行时间同步和载波同步、频率 跟踪过程，再经过去除循环前缀，接着对接收到的信号分别和每个频域线性调频(chirp)数 据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号 分别与时域上调频信号(up-ch i巧)和下调频信号(down-chi巧)作线性调频(ch i巧)相关解 调，再对相关结果作判决得到(0或者1)，最后通过信道译码，输出还原回来的数据。
[0012] 在步骤1)中，所述对频域线性调频（chirp)信号的映射，是先对时域的线性调频 (chirp)信号进行快速傅立叶变换(FFT)得到频域的线性调频(chirp)信号，所述线性调频 (chirp)信号包括上调频信号(up-chirp)和下调频信号(down-cM;rp)两种，进行快速傅立 叶变换(FFT)后得到频域上调频信号(叫-chirp)数据和频域下调频信号（down-chirp)数 据，根据信道编码后的数据(0或者1)，选择对应的上调频信号（up-chirp)或下调频信号 (down-chi巧)频域数据即完成频域线性调频(chi巧)映射。
[0013] 在步骤2)中，所述多路混频滤波，是指将接收到的信号分别和每个频域线性调频 (chirp)数据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号。
[0014] 在步骤2)中，所述线性调频(chirp)相关解调，是指将多路混频滤波后的信号分别 与时域上调频信号(up-ch i巧)和下调频信号(down-chi巧)做相关运算，再通过对相关的结 果判决得到解调数据(0或者1)。
[0015] 在步骤2)中，所述频率跟踪，是指发送信号的最边缘的有效子载波为两个单频率 信号，频率分别为-^和^，（其中8为信号有效带宽），对运两个单频信号做载波同步运算 Z 么 后，可W求得最边缘两个子载波的频率误差A fi、Δ f2,然后经过线性内插运算得到第i子载 波频率误差为
其中N为有效子载波数。
[0016] 与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
[0017] 在水下具有多种通信方式，其中，最重要和最直接的通信方式是语音通信，但水下 的语音通信信道环境是多变复杂的，存在噪声高和多径强等特点。在运种信道环境极其恶 劣的情况下，保证语音稳定、高质量、远距离的传输，对于潜水员的生命和水下潜水任务的 成败具有重要的意义。由于线性调频(chirp)信号本身具有抗多径、抗噪声、抗多普勒频移 的特点，所W本发明与传统的水声通信系统相比，提高了水声通信系统的抗多径、抗噪声、 抗多普勒频移等特性，本发明在接收端用多路混频滤波代替傅里叶变换(FFT)极大降低水 声通信系统的复杂度。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信系统组 成框图。
[0019] 图2为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信方法中 的子载波映射图。
[0020] 图3为本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信方法中 的在高斯噪声环境下的误码率曲线图。
【具体实施方式】
[0021] 参见图1，本发明实施例所述一种基于频域线性调频（chirp)扩频的水声通信系 统，包括发送端和接收端两个部分，发送端包括信道编码单元、频域线性调频(chirp)映射 单元、子载波映射单元、快速傅立叶反变换（IFFT)单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接 收端包括时间同步单元、载波同步单元、去循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频 (chirp)相关解调单元、信道解码单元和频率跟踪单元；
[0022] 发送端的信道编码单元输入端输入接数据信号，信道编码单元输出端接频域线性 调频(chirp)映射单元输入端，频域线性调频(chirp)映射单元输出端接子载波映射单元输 入端，子载波映射单元输出端接快速傅立叶反变换（IFFT)单元输入端，快速傅立叶反变换 (IFFT)单元输出端接加入循环前缀单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入 端；
[0023] 接收端的时间同步单元输入端通过信道接收所述发送端的加窗单元输出端信号、 时间同步单元输入端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入 端，去循环前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性 调频(chirp)相关解调单元输入端，线性调频(chirp)相关解调单元输出端接信道解码单元 输入端，信道解码单元输出端输出数据信号，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输 入端。
[0024] 参见图2和3,本发明实施例所述一种基于频域线性调频(chirp)扩频的水声通信 方法，具体的实施流步骤是:发送端首先将输入数据进行信道编码，对编码后的信号进行频 域线性调频(chirp)映射，根据编码后的数据(0或者1)选择频域上调频信号(up-chirp)和 下调频信号(down-chirp),然后对频域线性调频(chirp)映射后的数据进行子载波映射，再 经过傅里叶反变换（IFFT)，接着加入循环前缀和加窗发送到水声信道中；在接收端首先对 接收到的信号进行时间同 步和载波同步，再经过去除循环前缀、频率跟踪等过程，接着对接 收到的信号分别和每个频域线性调频(chirp)数据的中屯、频率进行混频滤波，得到多路混 频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号分别与时域上调频信号(up-chi巧)和下调 频信号(down-chirp)作相关，再对相关结果作判决得到(0或者1)，最后通过信道译码对信 道传输进行纠错，输出还原回来的数据。
[0025] 为了说明本发明所述系统的有效性，运里提供核屯、的数据推导过程和系统仿真。
[0026] 数据推导中，规定第i个输入数据表示为山。
[0027] 发送端过程：
[0028] 线性调频(chi巧)映射：
[0029] 对第i个数据进行线性调频(chi巧)映射，映射后的线性调频(chi巧)信号：
[0030]
[0031] 其中，f日表示起始频率，fk表示调频斜率;对第i个线性调频(chirp)信号进行傅里 叶变换(FFT)，变换成频域数据，取峰值最大的k个值作为频域数据，即傅里叶变换(FFT)后 中间k个数据：
[0032]
[0033] 数据映射：
[0034] 因此k个频域数据表示1比特编码后数据，记为1个数据块，如图1所示的子载波映 射图，一帖共η块，第i块数据子载波映射为
[003引 bi = fdi。
[0036] 经m点傅里叶反变换（IFFT)后的信号：
[0037]
[003引其中，Si为第i个子载波中屯、频率，e./(w(i-叫)/。4 )"(叫-1>如:）为子载波中屯、频率 为Si的线性调频(chirp)信号，η个信号两两正交，并且线性调频(chirp)信号与噪声有良好 的正交性。
[0039] SIG为加入循环前缀(CP)后的数据：
[0040] SIG={CP，sig}，
[0041] 其中，符号{}表示数据和数据的整合，CP长度为:CP = sig(m-l+l:m)表示经m点傅 里叶反变换(IFFT)后的信号的后面1个点。
[0042] 加窗后发送数据：
[0043] s(t)=win · SIG，
[0044] 其中，win表示余弦窗。
[004引接收信号：
[0046] r(t) =s(t)+n(t),
[0047] 其中，n(t)表示噪声。
[004引接收端过程：
[0049] 定义上调频信号up-chi;rp:
[0050]
[0051 ] 定义下调频信号down-chi;rp:
[0052]
[0053] 接收信号与第j块子载波中屯、频率S北勺本振进行下变频：
[0056]相关解调：
[0057]混频后的数据crj分别与up-chi巧和down-chi巧进行相关运算得到化j和Cdj: [005引
[00则其中，符号<〉表不内积，*表不共扼D [0060]由；
[0070] 因此，对于接收信号与第j块子载波中屯、频率Sj的本振混频混频后的信号cn，可W 采用分别与up-chi巧和down-chi巧进行相关运算后得到的内积Cuj和Cd逊行比较的方法进 行解调，解调结果为
[0071]
[0072] 频率跟踪：
[0073] 假设傅里叶反变换（IFFT)过程中子载波数为化，边缘子载都是单音信号b-n，bn-l:
[0074]
[0075] 传输过程中接收到的边缘子载波信号
与发送的边 缘子载波信号共辆相乘
，其 中P为接收到的边缘子载波信号的初始相位，angle(*)为求角度函数，为求微分。 at
[0076] 同理，求得频率误差关
因此，采用内插运算得到第i 子载波频率误差为
[0077]
[007引系统仿真：
[0079] 如图3所示为在高斯噪声环境下的误码率曲线，其中邸R表示误码率，SNR表示信噪 比，从图3中可W看出，信噪比大于-15地时，误码率为0。
【主权项】
1. 一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统，包括发送端和接收端两个部分，其特 征在于:发送端包括信道编码单元、频域线性调频映射单元、子载波映射单元、快速傅立叶 反变换单元、加入循环前缀单元和加窗单元;接收端包括时间同步单元、载波同步单元、去 循环前缀单元、多路混频滤波单元、线性调频相关解调单元、信道解码单元和频率跟踪单 元； 发送端的信道编码单元输入端输入接数据信号，信道编码单元输出端接频域线性调频 映射单元输入端，频域线性调频映射单元输出端接子载波映射单元输入端，子载波映射单 元输出端接快速傅立叶反变换单元输入端，快速傅立叶反变换单元输出端接加入循环前缀 单元输入端，加入循环前缀单元输出端接加窗单元输入端； 接收端的时间同步单元输入端通过信道接收所述发送端的加窗单元输出端信号、时间 同步单元输入端接载波同步单元输入端，载波同步单元输出端接去循环前缀单元输入端， 去循环前缀单元输出端接多路混频滤波单元输入端，多路混频滤波单元输出端接线性调频 相关解调单元输入端，线性调频相关解调单元输出端接信道解码单元输入端，信道解码单 元输出端输出数据信号，载波同步单元输出端同时接频率跟踪单元输入端。2. -种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:采用权利要求1所述基于 频域线性调频扩频的水声通信系统，所述水声通信方法包括以下步骤： 1) 在水声通信发送端：发送端首先将输入数据进行信道编码，对编码后的信号进行频 域线性调频映射，根据编码后的数据(〇或者1)选择频域上调频信号和下调频信号，然后对 频域线性调频映射后的数据进行子载波映射，再经过傅里叶反变换，接着加入循环前缀和 加窗发送到水声信道中； 2) 在水声通信接收端:在接收端首先对接收到的信号进行时间同步和载波同步，再经 过去除循环前缀、频率跟踪过程，接着对接收到的信号分别和每个频域线性调频数据的中 心频率进行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号，然后将多路混频滤波后的信号分别与 时域上调频信号和下调频信号作线性调频相关解调，再对相关结果作判决得到(〇或者1)， 最后通过信道译码对信道传输进行纠错，输出还原回来的数据。3. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:在步骤 1)中，所述对频域线性调频信号的映射，是先对时域的线性调频信号进行快速傅立叶变换 得到频域的线性调频信号，所述线性调频信号包括上调频信号和下调频信号两种，进行快 速傅立叶变换后得到频域上调频信号数据和频域下调频信号数据，根据信道编码后的数据 (〇或者1)，选择对应的上调频信号或下调频信号频域数据即完成频域线性调频映射。4. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述多路混频滤波，是指将接收到的信号分别和每个频域线性调频数据的中心频率进 行混频滤波，得到多路混频滤波后的信号。5. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述线性调频相关解调，是指将多路混频滤波后的信号分别与时域上调频信号和下调 频信号做相关运算，再通过对相关的结果判决得到解调数据(〇或者1)。6. 如权利要求2所述一种基于频域线性调频扩频的水声通信方法，其特征在于:步骤2) 中，所述频率跟踪，是指发送信号的最边缘的有效子载波为两个单频率信号，频率分别为其中B为信号有效带宽，对这两个单频信号做载波同步运算后，求得最边缘两个子 载波的频率误差Δ h、Δ f2,然后经过线性内插运算得到第i子载波频率误差为其中N为有效子载波数。
【专利摘要】一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法。发送端包括信道编码、频域线性调频映射、子载波映射、快速傅立叶反变换、加入循环前缀和加窗单元；接收端包括时间同步、载波同步、去循环前缀、多路混频滤波、线性调频相关解调、信道解码和频率跟踪单元。在发送端将输入数据进行信道编码、频域线性调频映射、子载波映射，经傅里叶反变换，加入循环前缀和加窗，将信号发送到水声信道；在接收端对接收信号进行时间同步和载波同步、频率跟踪过程，去除循环前缀，对接收信号分别和每个频域线性调频数据的中心频率进行混频滤波得多路混频滤波后的信号，再分别与时域上下调频信号作线性调频相关解调，对结果作判决，通过信道译码，输出还原数据。
【IPC分类】H04L27/10, H04B11/00, H04B14/02, H04B13/02, H04B1/69
【公开号】CN105490976
【申请号】CN201510960271
【发明人】孙海信, 苏初埕, 陈清峰, 齐洁, 黄章伟, 张晓燕, 孙伟涛
【申请人】厦门大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月18日
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