一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机

摘要

一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机，发射部分设有同步信号模块、控制字头、扩频调制模块、信息码元、数据调制模块、信息帧时间反转模块、组帧模块、功率放大器和发射换能器，同步信号模块接组帧模块，控制字头经过扩频调制模块接组帧模块，信息码元经数据调制模块接组帧模块，信息帧时间反转模块接组帧模块，组帧模块经功率放大器接发射换能器；接收部分设有接收换能器、前置模块、模数转换器、同步模块、帧拆解、控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，收换能器经前置模块接模数转换器，模数转换器分别接同步模块和帧拆解，同步模块接帧拆解，帧拆解接控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，控制字头解码接数据解码器。

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信机，尤其是涉及一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机。

背景技术

随着海洋勘探、资源开发、环境监测、国防安全等领域对长期、实时、大面积海洋信息获取与传输需求的迅猛增加，水声通信及组网技术已成为海洋高技术的热点和前沿。水声信道存在的多径干扰强烈、强烈时变、强背景噪声、长时延等特性对高性能水声通信、网络系统的设计造成极大的挑战。

考虑到直接实现长距离水声通信在发射功率、传输速率等方面的造成技术困难，水声通信网络设计常采用多节点中继的方式实现网络多跳传输。因此，针对采用中继传输的水声多跳网络得到较为广泛的研究。

如中国专利ZL201110177853.9公开一种适用于中心式水声网络多跳网络的路由协议，将网络节点分为三种类型：Sink节点、固定节点和移动节点。并通过Sink节点周期性的广播路由矢量，使得网络节点建立到达Sink节点的多跳路由，节点有数据发送时直接利用该路由进行中继传输，提高网络吞吐量。

中国专利ZL 201210071647.4公开一种用于分布式多跳水声通信网络的媒介访问控制方法，该方法上采用动态竞争的方式平衡网络吞吐量和丢包率性能，并引入伪Tone机制、新的竞争者计数方式来解决隐藏终端和暴露终端问题，提高对分布式多跳水声网络的媒介控制性能。

但是，很显然，通过媒介控制、路由等网络上层协议层来改善水声多跳网络性能仍然需要性能稳定、可靠的水声多跳网络物理层作为基础和保证。而在恶劣的水声信道传输条件下，目前国内外通用的水声通信机在调制解调方案设计上采用的通常是点对点通信方式下的信道均衡、匹配方法，并未考虑到应用于水声多跳网络时可利用的网络中继场景。

如时间反转技术可以有效利用时间、空间聚焦作用抑制多径干扰，运算复杂度低，因而成为近年来水声通信领域的研究热点，得到较为广泛的研究和应用。

中国专利ZL201210495671.0公开一种通过分时实现多通道时间反转的水声通信机以提高通信系能；参考文献(陈东升，童峰，许肖梅.时反联合信道均衡水声通信系统研究[J].声学技术.2011,30(3):195-197)利用被动时反与自适应均衡相联合，在相位相干水下通信系统中表明了此方法的可靠性与高效性；参考文献(宫改云，姚文斌，潘翔.被动时反与自适应均衡相联合的水声通信研究[J].声学技术.2010,29(2):129-134)在被动时反的基础上利用判决反馈均衡、锁相环技术实现多用户的水声信息传输。

与上述点对点水声通信中多通道时间反转可利用空间分集实现多径聚焦类似，在水声多跳网络中，一方面，多个中继节点间的信道存在空间、时间上的分集效应，具备时间反转进行多径聚焦的可能性；另一方面，多跳中继传输中每个中继节点均进行信息帧解调、解码后转发，实际上存在冗余，对网络通信机而言造成较大的运算量和复杂度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的水声网络通信机并未能利用多跳中继中的冗余来实现中继时间反转等问题，提供可降低运算量、提高性能的一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机。

本发明包括发射部分和接收部分，所述发射部分设有同步信号模块、控制字头、扩频调制模块、信息码元、数据调制模块、信息帧时间反转模块、组帧模块、功率放大器和发射换能器，所述同步信号模块的同步信号接组帧模块，控制字头经过扩频调制模块接组帧模块，信息码元经数据调制模块接组帧模块，信息帧时间反转模块的输出端接组帧模块，组帧模块的输出端经功率放大器接发射换能器；接收部分设有接收换能器、前置模块、模数转换器、同步模块、帧拆解、控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，所述收换能器的输出端接前置模块的输入端，前置模块的输出端接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端分别接同步模块和帧拆解，同步模块的输出端接帧拆解，帧拆解的输出端分别接控制字头解码、数据解码器和信息帧时间反转，控制字头解码的输出端接数据解码器。

所述前置处理模块由前置放大器和带通滤波器组成。

在发射部分中，发射帧格式的起始位置是帧同步信号源，用于建立接收端的数据解调时间起点，同时帧同步头可以复用作为时反处理的探针信号；帧同步信号之后是控制字头，用于携带网络传输中源节点、目的节点、中继次数等信息，控制字头采用本领域通用的扩频调制以保证可靠性；控制字头之后是信息帧，信息帧中数据码元进行数据调制如BPSK(二相相位键控)、QPSK(四相相位键控)构成信息帧。同时，为了避免帧同步头，控制字头及信息帧之间造成的码间干扰，在帧同步头，控制字头及信息帧间均插入保护间隔。

在本发明公开的一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机中，对于多跳水声网络中的中继节点而言，发射信号帧格式中的信息帧由接收信号的信息帧进行时间反转构成；对于多跳水声网络中的源节点而言，发射信号帧格式中的信息帧由信息码元经数据调制构成；

组帧模块用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机通信机将帧同步头、控制字头、信息帧组成发射信号帧进行发射，其中的信息帧当本节点为信息源节点时，由数据调制模块产生；当本节点为中继节点时，由信息帧时间反转模块产生。

扩频调制模块对控制字头码元进行扩频调制。

数据调制模块用于作为源节点的网络通信机对信息帧码元进行数据调制如BPSK、QPSK调制。

信息帧时间反转模块与接收部分相同，用于对接收信号的信息帧进行时间反转处理。

接收部分：

前置放大器、滤波器与接收换能器连接用于对接收信号进行前置处理。

ADC(模数转换器)用于进行接收信号的模数转换。

同步模块利用拷贝相关运算捕获帧同步信号，用于建立进行控制字头、信息帧拆解的时间基准。

帧拆解根据同步建立的时间基准，将接收信号拆分为控制字头、信息帧部分分别进行处理。

控制字头解码器对帧拆解后的控制字头部分按照其扩频调制方式进行解扩频数据解码，恢复控制字头数据，并根据解调获得控制字头携带的帧目的节点地址及中继次数等控制信息。

数据解码器模块用于如果本节点是该帧的目的节点时，对帧拆解后的信息帧部分进行解数据解调，恢复原始信息数据。

信息帧时间反转模块用于如果本节点是该帧的中继节点时，则直接对该帧的信息帧信号进行时间反转处理，并送入发射部分的组帧模块添加对应控制字头后进行转发。

若本节点为该帧的目的节点，则数据解码器对该帧的信息帧信号按照其调制方式进行数据解码，恢复原始信息数据。此时，因为该帧在到达目的节点前已经经过多跳网络传输中多个网络节点中继时进行多次的时间反转处理，水声信道多径所造成的码间干扰得到抑制，可有效提高目的节点进行数据解码的性能。

本发明要解决的问题是在水声多跳中继网络下提供一种通过多跳中继实现信息帧的时间反转处理，从而在目的节点通信机达到时间反转抑制多径干扰的目的。

本发明的工作原理是：水声多跳网络中各中继节点直接对接收到的信息帧进行时反发射，通过多跳网络逐次中继传输中多个中继节点依次进行时反处理、多径聚焦后直接转发，最后只在目的节点进行信息帧解调，从而以多跳中继的方式获取水声网络通信机的多径时反聚焦效果，并避免每个中继节点均进行解调、转发而带来的工程冗余。考虑到在中继时间反转中，中继节点只需要对接收的信息帧信号进行时反处理后组帧、转发，无需进行解调、调制处理，因此本发明在利用中继时间反转抑制多径干扰的同时，可大大降低中继节点水声通信机的运算开销。

与现有的水声网络通信机相比，本发明具有以下突出优点：

第一，由于信息帧在网络中继多跳传输过程中经过多次时间反转，可以获得时间反转、多径聚焦的效果，对水声信道多径、时变具有较好的抑制性能。

第二，由于采用中继多跳中进行信息帧时间反转，数据帧在网络多跳传输中中继节点只需对信息帧直接做时间反转、无需对信息帧进行解调解码处理，即网络传输中只需在数据帧的目的节点通信机进行信息帧解调处理，大大降低了水声通信中继节点通信机的复杂度和运算开销，同时可显著提高水声通信机的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中继时间反转水声通信机接收部分结构框图。

图2为本发明实施例中继时间反转水声通信机发射部分结构框图。

图3为发射信号帧格式设计。

图4为前置处理电路。

图5为模数转换与DSP的接口电路。

具体实施方式

为了使本发明的技术内容、特征、优点更加明显易懂，下文以实施例一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机并结合附图具体说明如下。

参见图1和2，本发明实施例包括发射部分和接收部分，所述发射部分设有同步信号模块21、控制字头22、扩频调制模块23、信息码元24、数据调制模块25、信息帧时间反转模块26、组帧模块27、功率放大器28和发射换能器29，所述同步信号模块21的同步信号接组帧模块27，控制字头22经过扩频调制模块23接组帧模块27，信息码元24经数据调制模块25接组帧模块27，信息帧时间反转模块26的输出端接组帧模块27，组帧模块27的输出端经功率放大器28接发射换能器29；接收部分设有接收换能器11、前置模块12、模数转换器13、同步模块14、帧拆解15、控制字头解码16、数据解码器17和信息帧时间反转18，所述收换能器11的输出端接前置模块12的输入端，前置模块12的输出端接模数转换器13的输入端，模数转换器13的输出端分别接同步模块14和帧拆解15，同步模块14的输出端接帧拆解15，帧拆解15的输出端分别接控制字头解码16、数据解码器17和信息帧时间反转18，控制字头解码16的输出端接数据解码器17。

所述前置处理模块12由前置放大器121和带通滤波器122组成。

发射部分：

发射信号中控制字头采用直接序列扩频差分相位调制(DS-DBPSK)，采用m序列扩频，m序列的长度为63位，载波频率为15KHz，码元宽度为15.75ms，控制字头调制的数据率63.5bps；信息帧信号为二相相位调制(BPSK)调制，载波频率为15KHz，码元宽度为0.25ms，信息调制的数据率4kbps；帧同步信号为低端频率13kHz、高端频率18kHz，长度30ms的线性调频信号。采样率为96KHz，载波频率为15KHz，带宽为13～18KHz，

本发明实施例中的中继时间反转通信机采用收发合一水声换能器，如由中船重工726所生产的中心频率16kHz的圆柱型压电陶瓷水声换能器，并采用本领域通用的功率放大电器进行信号发射。

作为网络源节点的水声通信机首先产生并发射信号帧，信号帧如图3所示在控制字头携带了目的节点信息，在信息帧部分携带了需要发射的信息数据(如传感器获取的温度、盐度等传感数据)；

信号帧在多跳网络传输中首先经过N个中继节点(即：中继节点非目的节点，在网络传输中提供多跳中继)，在中继节点进行如下处理：

中继节点通信机接收到信号后，首先采用拷贝相关运算对输入信号进行帧同步捕获，通过判断拷贝相关结果是否超过设定门限判断帧同步是否到达，及确定帧同步时间起点作为时间基准；

帧拆解根据同步建立的时间基准，将接收信号拆分为控制字头、信息帧部分分别进行处理；控制字头解码器对帧拆解后的控制字头部分按照其扩频调制方式进行解扩频数据解码，恢复控制字头数据，并根据解调获得控制字头携带的帧目的节点地址及中继次数等控制信息；

由于中继节点非该帧的目的节点，因此直接对该帧的信息帧信号进行时间反转处理后，添加对应控制字头进行转发。在多跳中继传输中，按照N个中继节点处理信息帧的时间次序，第i中继节点(i＝1,2,3,…N)获得该节点接收到的探针新号p_ir(t)，将其进行时间反转后即获得对应该中继节点的时反预处理器系数p_ir(-t)。

因此，网络源节点发出的发射帧信号在水声网络多跳中继传输中依次通过第i个(i＝1,2,3,…N)中继节点并对发射帧对应的信息帧进行时间反转处理后，添加对应的控制字头转发。

则，假设从第i-1个中继节点到第i个中继节点间信道的冲激响应为h_i(t)，满足随机性，表示卷积运算，在第i个中继节点接收到的信息帧s_ir(t)为：

式中，s_i-1(t)为第i-1个中继节点时间反转处理、转发的信息帧信号，n_is(t)为叠加在信息信号上的干扰噪声，将第i个中继节点接收到的各通道信息帧s_ir(t)经过相应通道的时反预处理器p_ir(-t)，即与p_ir(-t)作卷积运算可得：

式中n_ie(t)为第i个中继节点的时反噪声干扰项，为时反聚焦后的各通道信道响应，近似δ(t)。

为了消去结果中的p_i(-t)，将r_i'(t)与探针信号p_i(t)做卷积运算，有

式中n_i(t)为第i个中继节点的等效噪声干扰项：

则，通过第i个中继节点的时间反转处理后可获得时反信号r_i(t)，其中叠加有等效的噪声干扰项为n_i(t)。考虑到为时反聚焦后的各通道信道响应，近似δ(t)；同时，考虑水声多跳中继网络中，相邻中继解调距离较近，接收信噪比较高可略去等效噪声项影响，则有：

r_i(t)≈s_i-1(t)(5)

即，多跳中继传输在第i个中继节点通过进行时间反转处理可近似获得第i-1个中继节点时间反转后转发的信息帧信号s_i-1(t)。

类似地，可以获得：

r_i(t)≈s_i-1(t)≈s_i-2(t)≈...≈s₀(t)>

其中，s₀(t)为源节点发射的信息帧信号。

从上述式(1)～(6)中可以看出，在本发明提出的一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机方案下，发射机在网络传输过程中由于各中继节点均不对信息帧解码，而是逐个进行时反处理后添加控制字头直接进行转发，即：原始发射信号s₀(t)经过网络中继时反处理后实际是在逐个中继节点中通过第i-1到第i个中继节点间信道冲激响应的自相关与探针信号自相关的卷积、并直接转发，从而无需在中继解调进行数据的解调工作。同时，在此中继时间反转处理过程中，由于中继多跳网络可以设置相邻节点间较近的间距，每个中继节点中的背景噪声项在时反处理后其影响可近似略去。

如上述过程，网络源节点发射的信息帧经过各中继节点时反处理后实现多径聚焦，大大抑制了多径效应造成的干扰，被目的节点接收后，目的节点网络通信机采用拷贝相关运算对输入信号进行帧同步捕获，通过判断拷贝相关结果是否超过设定门限判断帧同步是否到达，及确定帧同步时间起点作为时间基准并进行信息帧解调。

在目的节点通信机的具体处理过程为：帧拆解根据同步建立的时间基准，将接收信号拆分为控制字头、信息帧部分分别进行处理；控制字头解码器对帧拆解后的控制字头部分按照其扩频调制方式进行解扩频数据解码，恢复控制字头数据，目的节点通信机根据解调获得控制字头携带的帧目的节点地址及中继次数等控制信息可启动对信息帧的解调过程，采用本领域公知的算法在DSP芯片中进行BPSK信号的解调处理，获取信息码元。

在水声通信机调制、解调实现上可采用本领域通用的发射、接收、处理器件、电路及调制、解调方案。如，本发明实施例中接收水声换能器为中船重工第726所生产的中心频率16kHz圆柱型压电陶瓷水声换能器。网络节点通信机中前置处理模块由美国AD公司AD620低噪声前置放大芯片、TL084运算放大器芯片、Maxium公司的MAX274开关电容滤波器芯片组成，其中MAX273开关电容滤波器设置为通带13-18kHz的带通滤波器。本发明实施例水声网络通信机的前置处理电路如图4所示。经前置放大、带通滤波后的输出信号分送入模数采样芯片。

模数采样模块由AD9851DDS芯片及MAX153ADC芯片组成，其功能为在DSP的设置下DDS芯片输出频率为96kHz的方波信号用于控制ADC芯片对输入信号进行模数转换。AD9851DDS芯片、MAX153ADC芯片及TMS320C6713处理器之间的连接电路图如图5所示。在初始化阶段，TMS320C6713处理器通过IO口GP0,GP1,GP2,GP3对AD9851DDS芯片管脚进行设置，设置AD9851芯片output管脚输出波形的类型和频率，在本实施例中输出类型为方波，输出方波的振荡频率设置为f_s＝96kHz。

网络节点通信机中建立帧同步后，包含控制字头、信息帧的接收信号信号输入后续ADC及TMS320C6713DSP处理。由于本发明技术方案中，网络中继节点对信息帧不进行解调处理，而是利用探针信号进行时间反转处理后配合控制字头转发，可大大降低中继节点网络通信机的运算量，便于网络节点通信机的工程实现。

本发明实施例一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机中接收信号进入ADC及DSP接口电路如图4所示，实施例水声通信机接收部分中AD9851DDS芯片、MAX153ADC芯片及TMS320C6713处理器之间的连接方式说明如下：输入信号送入MAX153芯片的输入V_in脚后，由AD9851芯片输出频率96kHz的方波信号接入MAX153芯片的WR/RDY及RD端以启动AD转换，当AD转换结束后MAX153芯片的INT信号送出低电平，此INT信号与TMS320C6713芯片的GP7/EXINT7脚相连，用于触发DSP芯片的外中断服务程序，DSP的数据线ED0-ED7与MAX153芯片U1的数据线D0-D7端相连接输入ADC转换结果。外中断服务程序获取ADC芯片的转换数据后输入DSP芯片的数据以双缓冲方式进行后续处理。

在本实施例网络水声通信机中调制、同步建立、时反处理、数据解码等步骤均在TMS320C6713数字信号处理器(DSP)芯片内进行软件编程实现。

综上所述，本发明公开的一种用于多跳水声网络的中继时间反转水声通信机利用中继节点对信息帧进行时反、转发处理，在获取时间反转多径聚焦效果的同事，避免了网络多跳传输中在中继节点通信机上进行信息帧的解调处理，从而大大减小网络节点通信机的实时运算量，便于水声网络通信机的设计和工程实现。