[发明专利]一种调频水声通信系统的解调方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信领域，特别涉及一种加窗双直线插值FFT(快速傅里叶变换)方式解调水声FSK(Frequency-shift keying，频移键控)信号的方法。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，水声通信技术是当代海洋资源开发和海洋环境立体监测系统中的重要技术组成部分。特别在水下遥测遥控、污染监测、海洋资源调查和开发中广泛应用，是我国海洋高技术急待研究开发的项目之一。

水声信道是一个极其复杂，且随机时、空、频变的信道，其主要特征表现为：复杂性、多变性、强多途，以及有限的使用频带宽和严重的多普勒干扰，特别是多途时域扩展产生的码间干扰，是水下高速率数据传输的根本障碍。海洋声信道随机起伏、时空频变的多途特征使水声通信技术成为当代最为复杂的通信技术之一([1]许肖梅.浅海水声数据传输技术研究[D].厦门：厦门大学博士学位论文，2002；[2]陶毅.浅海水声信道抗多途跳频通信系统研究[D].厦门：厦门大学博士学位论文，2008；[3]刘伯胜等.水声学原理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1993)。

移频键控(FSK)等调频非相干检测方法的信号设计，通常被认为是浅海中、远距离多途严重、位相快速变化信道中的唯一选择。尤其是多载波移频键控(MFSK)，是目前克服多途干扰的重要方法之一。它解决了载波位相跟踪问题，系统抗干扰、抗衰落性能好，且信号易于产生、解调容易，所以目前仍广泛地用于水声中、低速率传输设备中。如美国Woods Hole海洋研究所使用载频20～30kHz，采用MFSK为调制信号(其中把系统分为16个子带，每个子带内是4FSK，总的使用64个频率)，最大传输速率达5kbit/s，在浅海水平信道工作距离为4km，系统的误码率为10^-2～10^-3数量级([1]许肖梅.浅海水声数据传输技术研究[D].厦门：厦门大学博士学位论文，2002)。

利用FFT对水声调频信号进行鉴频解调，由于其系统结构简单、运算快速简便、实时性强，一直被广泛采用。FFT解调的一般过程为：对抽样后的离散信号s(n)进行FFT得到频谱分布序列，通过其中的最大值来确定信号的频率f，再根据一定的调制编码将解调结果译回相应的二进制信息^[2]。实际应用中，离散信号的FFT结果S(n)也是一系列离散的点，S(n)中整数点所在位置的频率信息是准确的，但非整点位置的频率信息未知。水声信道中，带宽严重受限，所设计的频点间隔往往较窄。与此同时，多普勒频偏、码间干扰(ISI)都会造成接收到的信号与调制时设计的准确频点产生一定程度上的偏移。一旦信号接收端的FFT的解调结果与发射端FSK信号原始设计的偏差存在，就会造成实际最大峰值不在S(n)的离散点上，鉴频解调容易因此造成误判，产生通信误码。

传统提高FFT鉴频精度的方法很多，归根结底，均根据频率分辨率df与采样率fs、采样点数N的关系来实现：

df=fsN]]>

一般来说，提高频率分辨率df的办法通是降低采样率fs或增加采样点数N，常用方法有：

(1)增加发射端的信号长度，从而提高接收端采样点数N。信号长度增加，会导致发送、接收信号的时间变长，且点数N的增加会使FFT的运算量增大，降低系统效率。

(2)通过补零的方式进行FFT运算。快速傅立叶变换在计算的过程中可以通过补零来增加N，同样会提高系统的计算量。

(3)降低采样率fs进行重采样，即欠采样技术([4]陈国通.数字通信原理[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996)。采样率受到奈斯奎特(Nyquist)采样定律的限制，最低采样率fs必须满足fs＞2f_max，能获得较高的频率分辨率，但需要相对较长的采样时间；此外，分频段的重采样增加了系统的复杂度，提高系统成本。

上述三类方法均能有效提高鉴频的精度，但提高精度的同时也使系统的运算量增加，应用于水声系统中会使系统复杂度高、运算效率低，增加水声设备的成本。