基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法技术

基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法，涉及水下语音通信系统。包括以下步骤：1)水声数字通信系统的发送端对信源进行编码，再对编码后的比特流进行信道编码和数字调制处理，最后将处理后的信号发送到水声信道中；2)接收端从水声信道中接收受噪声影响后的信号，再进行数字调制、信道译码和信源译码等逆过程还原出信宿。在多变复杂的水声通信信道中，具有强抗多径、抗多普勒频偏和抗噪声等特性。极大降低系统的复杂度。很好地还原出原始语音，通信效果达到了预期的要求。低复杂度、具有强抗噪声、抗多径和抗多普勒频偏。可有效地解决水下多径、多普勒频偏、噪声引起的信号不可靠传输的问题。

OFDM underwater voice communication method based on Chirp spread spectrum in frequency domain

OFDM underwater voice communication method based on Chirp spread spectrum in frequency domain, relating to underwater voice communication system. Includes the following steps: 1) encoding the source for sending the UWA communication system, then encoding the bit stream channel encoding and digital modulation processing, the processed signal is sent to the underwater acoustic channel; 2) receiver signal affected by noise from underwater acoustic channel after, then digital modulation, channel decoding and source decoding inverse process to restore the sink. In the complex and complex underwater acoustic communication channel, it has the characteristics of strong anti multipath, anti Doppler frequency deviation and anti noise. Greatly reduce the complexity of the system. Good to restore the original voice, communication results meet the expected requirements. Low complexity, strong anti noise, anti multipath and anti Doppler bias. It can effectively solve the problem of unreliable transmission of signals caused by multipath, Doppler frequency offset and noise.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水下语音通信系统，尤其是涉及具有低复杂度、强抗多径、抗多普勒频偏和抗噪声等优良特性，能够保证信号在水下可靠、稳定传输的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法。
技术介绍
在对海洋资源不断探索和开发的过程中，人们对水下通信的要求与日俱增。但是声音在水下传输过程中会受到信道多途扩展严重、可用带宽有限和高噪声等不理想特性的影响，所以寻求一种能够保证信号在水下可靠、稳定地传输的方法是当前在水声通信领域的一个迫切任务。水声通信中的正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)技术具有强抗窄带干扰、强抗多径、频带利用率高等优点，但是其具有峰均比高、对同步要求高、对载波频偏和相位噪声十分敏感等缺点；线性调频(Chirp)扩频技术具有显著的抗干扰、抗多普勒频移和抗衰落特性，但是其具有频带利用率低、系统实现复杂等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供具有低复杂度、强抗多径、抗多普勒频偏和抗噪声等优良特性，能够保证信号在水下可靠、稳定传输的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法。本专利技术包括以下步骤：1)水声数字通信系统的发送端对信源进行编码，再对编码后的比特流进行信道编码和数字调制处理，最后将处理后的信号发送到水声信道中；2)接收端从水声信道中接收受噪声影响后的信号，再进行数字调制、信道译码和信源译码等逆过程还原出信宿。在步骤1)中，所述信道编码的发送端包括卷积编码、交织、频域Chirp映射、数据映射、OFDM、加同步信号、内插、发送混频；所述OFDM包括IFFT、加CP和加窗等；所述信道编码的接收端包括接收混频、抽取、帧同步、去CP、多路混频、Chirp相关解调、解交织和维特比(viterbi)译码等。与常规水下语音通信系统相比，本专利技术具有以下优点：(1)提出基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统。该语音通信系统结合OFDM和Chirp扩频两种技术的优点并克服它们的不足，在多变复杂的水声通信信道中，具有强抗多径、抗多普勒频偏和抗噪声等特性。(2)设计基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统的整体框架。在发送端通过对频域的Chirp信号进行快速傅立叶反变换(IFFT)，在接收端，用多路混频滤波和Chirp相关解调代替OFDM系统的快速傅立叶变换(FFT)，并且在系统中删除载波同步和信道估计模块，可以极大降低系统的复杂度。(3)基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统的仿真和DSP实现。首先通过分析系统的基本原理和MATLAB仿真验证系统的可靠性与有效性；其次设计详细的系统实现方法，并通过数据仿真验证实现方法的正确性；最后通过水池和海洋测试验证系统可靠的数据传输性能，并且很好地还原出原始语音，通信效果达到了预期的要求。本专利技术设计和实现了一种基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统，克服传统OFDM技术的不足和Chirp扩频技术的缺点，并结合它们的优点，提出并设计了一种低复杂度、具有强抗噪声、抗多径和抗多普勒频偏的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统。综上所述，本专利技术提出基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统，可以有效地解决水下多径、多普勒频偏、噪声引起的信号不可靠传输的问题。附图说明图1为本专利技术实施例的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统示意图。图2为本专利技术实施例的数据发送和接收流程示意图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。图1给出本专利技术实施例的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统示意图。首先，本专利技术的基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信系统主要包括发送端和接收端两个部分，发送端包括信道编码11、交织12、频域线性调频(Chirp)映射13、子载波映射14、快速傅立叶反变换(IverseFastFourierTransform，IFFT)15、加入循环前缀(CyclicPrefix，CP)16、加窗17、加入同步信号18、内插19和发送混频110组成；接收端包括接收发送混频21、抽取22、帧同步23、去循环前缀24、多路混频滤波25、Chirp相关解调26、解交织27和信道解码(维特比译码)28组成，对于上述的论述完成实现后下载到双核处理器进行运行。在图1中，标记A为噪声，5为水声信道。接着，进行实验测量：步骤1：将基于DSP实现的代码在本软件所使用的OMAP-L138板子上运行，产生的txt文件。步骤2：将步骤1产生的txt文件用MATLAB转换为bin文件，用于发送。步骤3：为发送端的步骤。首先将装有LabVIEW软件的PC与采集卡用专用USB连线相连；其次将采集卡的输出与功率放大器的输入相连；最后将功率放大器的输出与水声换能器相连。步骤4：为接收端的步骤。首先将水听器与采集的输入相连；其次将采集卡与装有LabVIEW软件的PC用专用USB连线相连。数据发送和接收的流程如图2所示，首先发送数据1从PC中通过LabVIEW软件发出到D/A采集卡2中进行D/A(数/模)转换；其次转换后的模拟信号经功率放大器3放大后通过水声换能器4发送到水声信道5中；然后用水听器6从水声信道5中接收信号，接收信号经功率放大器7放大后连接到A/D采集卡8进行A/D(模/数)转换，最后通过LabVIEW软件保存转换后的数字信号即为最终的接收数据9。步骤5：将步骤3接收到的bin文件使用MATLAB转换为txt文件。步骤6：将步骤4产生的txt文件在OMAP-L138板子上运行，看接收误码率情况等。在传统的多载波的Chirp扩频通信系统中，若要实现M阶高阶调制，需要产生2r个Chirp信号，即r＝log2M。具体方案为：将可用频带均分为r个子频带，每个子频带内分别产生两个频率相同，调频率相反的Chirp信号，产生的Chirp信号表达式如式(1)所示。cj(t)=cj_up(t)=cos(2πfjt+πkjt2)cj_down(t)=cos(2πfjt-πkjt2),j=1,2,...r.-T/2<t<T/2---(1)]]>设数据比特流经过串并转换后，生成一组数据信息Di(t)＝d1d2...dr，按照事先定好的映射规则，一个比特对应一个子频带，在每个子频带内分别进行BOK(二进制正交键控)调制。将映射后的r个Chirp信号相加，形成一个发送码元发送到信道中。在OFDM系统的发送端加入一定长度的保护间隔，就是为了多径所造成的符号间干扰得到消除。当多径时延扩展的最大值小于保护间隔时，多径带来的ISI(码间干扰)可以最大限度地被消除。如果在OFDM符号的保护间隔内填入循环前缀，可以保证OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数在FFT周期内也是整数。这样信号的时延小于保护间隔，在解调过程中就不会产生ISI。通信的信号源可选用语音信号，通过麦克风采集的模拟语音信号经过语音编码芯片产生的比特流开始所述的基于Chirp扩频的OFDM的信道编码等一系列算法处理，最后进行功率放大通过换能器将信号发射到水声信道中。对于核心处理器的选择，一般CPU对乘法运算的处理是用加法代替乘法，因此要用很多CPU周期，本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法，其特征在于包括以下步骤：1)水声数字通信系统的发送端对信源进行编码，再对编码后的比特流进行信道编码和数字调制处理，最后将处理后的信号发送到水声信道中；2)接收端从水声信道中接收受噪声影响后的信号，再进行数字调制、信道译码和信源译码等逆过程还原出信宿。

【技术特征摘要】
1.基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法，其特征在于包括以下步骤：1)水声数字通信系统的发送端对信源进行编码，再对编码后的比特流进行信道编码和数字调制处理，最后将处理后的信号发送到水声信道中；2)接收端从水声信道中接收受噪声影响后的信号，再进行数字调制、信道译码和信源译码等逆过程还原出信宿。2.如权利要求1所述基于频域Chirp扩频的OFDM水下语音通信方法，其特征在于在步骤1)中，所述信道编码的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海信，刘丽丽，林娜，陈青，谢宇芳，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35