[发明专利]一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器及调制方法

权利要求书

1.一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述水声调制解调器包括微控制器、模态感知装置、无线通信模块、发送端、接收端、滤波电路、功放电路、收发合置电路、信号放大电路、水声换能器、供电模块；

模态感知装置、无线通信模块、接收端分别与微控制器的信号输入端相连，微控制器的信号输出端与发送端相连，发送端与第一滤波电路、功放电路、收发合置电路依次相连，收发合置电路与水声换能器互通连接将发送端发出的数据信息通过水声换能器发出，水声换能器与其他水声调制解调器上的水声换能器无线连接；收发合置电路与第二滤波电路相连，再与信号放大电路相连，最后与接收端相连，将水声换能器接收到的数据信息传输至接收端；

模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度进行比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，选择信息传输的方式；无线通信模块与基站互通连接，无线通信模块与其他水声调制解调器上的无线通信模块也互通连接；供电模块为每个水声调制解调器提供电能。

2.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：所述模态感知装置为液位变送器，即由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成的电容器实现；当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不相等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。

3.根据权利要求1所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器，其特征在于：发送数据时，微控制器将水下搜集的信息进行信源编码、信道编码、数字调制，使用内部数字量到模拟量转换器转换为模拟值；接收数据时，水声换能器接收端捕获声信号，使用内部模拟量到数字量转换器转换为数字值，微控制器进行判决解调、信道译码、信源译码和信息显示。

4.一种基于权利要求1所述一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，模态感知装置根据初始设定阈值深度与当前设备所处水下深度比较，对模态进行感知，确定设备所处介质层，从而选择信息传输的方式；

步骤2，当判定传输方式为水声通信时，则搭载水声调制解调器的水下传感器节点进行数据采集，并存储于设备的数据缓冲区中，通过软件调制解调算法，配合水声调制解调器相关硬件电路，完成数据的发送与接收；

步骤3，当判定传输方式为无线电通信时，则将水下监测数据压缩处理后，经搭载的无线模块传输至陆上基站，进行海空通信；

步骤4，如果需要继续进行数据传输，重新执行步骤1进行模态感知；反之，如果不需要则使设备进入休眠状态，等待下一次数据传输唤醒设备，本次数据传输结束。

5.根据权利要求4所述的一种具有跨介质通信能力的水声调制解调器的调制方法，其特征在于，使用二进制幅移键控作为调制解调方案，采用包络检波进行如下设计：

对于已调接收信号经过带通滤波后的输出y(t)为：

式中，a为已调信号幅值，ω_c为带通滤波器的固有角频率，t为时间，n_c(t)为窄带噪声的同相分量，n_s(t)为窄带噪声的正交分量；

当接收的传送码为“1”时，带通滤波器输出的信号与噪声的混合波形y(t)为余弦信号加窄带高斯噪声形式；而接收的传送码为“0”时，带通滤波器的输出y(t)只存在窄带高斯噪声；

在一个最小采样周期T_s内，经包络检波器后输出包络信号V(t)为：

传送码为“1”时，包络相当于余弦信号加窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从莱斯分布；而传送码为“0”时，包络相当于窄带高斯噪声的包络，低通滤波器输出包络的抽样值V的一维概率密度函数服从瑞利分布；

以P(1)和P(0)分别表示包络信号输出为传送码“1”和传送码“0”的概率，P(0/1)和P(1/0)分别表示传送码“1”错判为传送码“0”和传送码“0”错判为传送码“1”的概率，则系统的总误码率P_e表示为：

P_e＝P(1)P(0/1)+P(0)P(1/0)；

以S₀和S₁分别表示传送码不同时，包络信号在概率分布曲线上所包围的面积，且由P(1)＝P(0)＝1/2得：

因此，当阴影面积之和最小时，误码率最低，称误码率为最小值的门限为最佳门限，求得最佳门限值V^*＝a/2，则系统总的误码率：

式中，为解调器输入信号噪声功率比，为窄带高斯噪声n_i(t)的方差且n_i(t)＝n_c(t)cosω_ct-n_s(t)sinω_ct，其中，i代表第i次的高斯噪声，最终得到的噪声是很多次测量到的噪声的矢量叠加，i的取值范围为i＝1,2,3…n。