[发明专利]一种低成本低功耗的水声调制解调器

说明书

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，涉及一种低成本低功耗的水声调制解调器。

背景技术

传统的水声调制解调器体积较大、造价昂贵、功耗较高，通信距离可达数公里甚至几十公里，但是近年来，人们提出了水声传感网的概念，传统的水声调制解调器不适和水声传感网的使用要求，水声传感网由许多传感节点组建而成，具有节点密集、规模大的特点，为了降低水声传感网的整体成本、保证传感网长时间可靠地进行水下信息收集和传递，非常有必要研制一种具有体积小、低成本、低功耗的高效水声调制解调器。最近几年，已经有研究机构开发出了低功耗、低成本的水声调制解调器，但是这些调制解调器的数据传输速度非常慢，在水下通信时不能够支持介质访问控制层(Medium Access Control：MAC)和路由层的协议来进行数据传输，所以不能作为水下传感网的节点。在尽量低的功耗下实现尽量远的信息传送距离，就要求水声调制解调器具有很高的效率。

海洋环境的水声信道是一个极其复杂的时、空、频变随机多径传输信道，同时高环境噪声、窄带宽、低载频、传输延时大等因素制约了数据传输的速率。要实现水声传输的应用，需要解决以下几个问题。首先，声波在传送过程中会逐渐减弱(幅度衰落)，即接收信号忽大忽小，这是由于沿各途径的信号到达接收器时相位不同相干形成的。根据水声传输在一定的频率间隔，其衰落的相关性呈显著减低的特性，可以采取降低传输频率和采用频率分集处理的方法，但它的代价是损失了频带资源。其次是码间干扰问题。由于海水的声速只有1500m/s，同一符号的接收信号以梳状结构分布在较宽的时间轴上，各径间相对延时差较大。如果传播的是没有间隙的脉冲序列，多径将造成接收信号发生不同码元重叠，给判决带来困难。解决的方法是在脉冲序列中，加进时间同步脉冲，在其引导下，同时刻发射的脉冲用不同的频率来表示，使得不同时刻的接收信号频率确定。这样，即便有若干多径形成的干扰码与之混迭，也有以频率为准则来提取信号的方法，即跳频抗多径干扰。水声通信中采取扩频中的跳频方式，根据同步脉冲，按位据已知频率来检测信号，可以有效地解决多径干扰引起的码间干扰。另一个问题是水声数据传输速率较低，要提高传输速率，主要通过研究声学调制解调器来解决，通常的做法是采用16进制频移键控(MFSK)、二重频率分集和扩展频谱等方式，国内在这方面的研究已取得了较大的进展。从低功耗的设计原则上来看，2ASK的调制解调方式相比其他方式有更低的功耗。

从误码率的角度比较相干2ASK解调与非相干2ASK解调的性能。每一个位的平均能量为：

Eb=A2Tb4---(1)]]>

式中A表示信号的振幅，T_b表示每一个位持续的时间。因此，对于相干2ASK解调方式，每一位出错的概率P_e-co为：

Pe-co=Q(dmin2σ)=Q(EbN0)---(2)]]>