[發明專利]一種跳時隙的激光水下致聲數字通信系統與方法

有效

• 申請號: 201810185957.6
• 申請日: 2018-03-07
• 公開（公告）號: CN108462538B
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 蔣紅艷;何寧;顧劍飛;陶帥
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04B10/516;H04B10/524;H04B10/50
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 周雯

1.一種跳時隙的激光水下致聲數字通信系統，包括發射系統及接收系統，其特征在于：所述發射系統包括依次連接的數據基帶編碼輸入模塊、可變時隙編碼處理模塊、激光器驅動模塊及激光器，所述接收系統包括依次連接的水聲采集器、水聲信號放大整形模塊、可變時隙信號解碼處理模塊；

所述數據基帶編碼輸入模塊實現數據或語音信息的字節編碼和電平轉換；

所述可變時隙編碼處理模塊完成接收基帶編碼信號的時隙編碼處理、導行碼分配和時隙幀組合，即在發送數據的前端加入表明數據時隙類型的導行碼組成通信幀，通過將數字信息加載于不同時隙數的脈沖位置組成的脈沖編碼來控制激光器發射激光；

所述激光器驅動模塊提高激光器驅動能力，完成激光器調制時隙碼輸出；

所述激光器受控于時隙編碼信號，實現激光信號發送；

所述水聲采集器完成激光聲信號采集；

所述水聲信號放大整形模塊對水聲采集器采集信號進行放大整形處理；

所述可變時隙信號解碼處理模塊完成不同時隙幀信息解碼還原處理；

所述發射系統及接收系統相互配合在大氣通信信道和水下聲通信信道下實現數字通信功能。

2.根據權利要求1所述的跳時隙的激光水下致聲數字通信系統，其特征在于：所述可變時隙編碼處理模塊以單片機為核心，用于完成時隙編碼處理、導行碼分配、時隙幀組合和調制脈沖歸零碼生成。

3.一種跳時隙的激光水下致聲數字通信方法，其特征在于：包括如下步驟：

（1）可變時隙數字調制電路通過串口獲取PC端待傳數據信息，采用可變時隙方式對待傳信息進行信息分幀編碼，通過每幀設定的2位導行碼及可變間隔，確定每幀時隙類型和長度；

（2）由可變時隙數字調制電路輸出具有導行碼的可變長數據幀編碼經驅動電路加載于調Q脈沖激光器驅動模塊，控制激光器輸出間隔不同的脈沖激光，獲得可變時隙激光輸出信號；

（3）激光經大氣信道傳輸到水面，與水介質發生光聲效應，將激光能量信號轉換為水下聲波信號；

（4）聲波信號經水聲信道傳輸，由水聲采集器接收轉為電信號，電信號經過放大電路放大后經整形輸出到數字解調模塊；

（5）數字解調模塊通過檢測每幀前2位導行碼脈沖間隔確定時隙類型和碼元脈沖位置，從而獲得每幀碼元信息，完成通信的數據解碼，并送輸出電路顯示，同時通過串口實時上傳PC監控。

4.根據權利要求3所述的跳時隙的激光水下致聲數字通信方法，其特征在于：步驟（2）中，所述激光器輸出激光波長為1.06μm。

5.根據權利要求3或4所述的跳時隙的激光水下致聲數字通信方法，其特征在于：在步驟（1）、（2）中，具體分步驟如下：

1）數據基帶編碼輸入模塊將輸入信息進行字節編碼及電平轉換，得到基帶編碼信號；

2）可變時隙編碼處理模塊定義多時隙類型庫，定義導行碼脈沖間隔與多時隙類型的函數關系；

3）可變時隙編碼處理模塊進行時隙編碼處理，包括生成導行碼，根據導行碼的函數關系在多時隙類型庫中選定對應的時隙類型，根據時隙類型及基帶編碼信號進行字節分組，得到時隙組合碼，依次將導行碼與時隙連接成不同幀結構的調制脈沖，調制脈沖為TTL數據脈沖；

4）將調制脈沖發送給激光器驅動模塊，驅動激光器發出激光信號；

5）可變時隙編碼處理模塊生成導行碼，重復分步驟3、分步驟4，直至調制結束。

6.根據權利要求5所述的跳時隙的激光水下致聲數字通信方法，其特征在于：所述導行碼的多時隙結構是以其脈沖間隔表征一幀的數據時隙類型，定義2個脈沖導行碼的間隔時間為，與多時隙類型的關系組成一個函數庫；定義多時隙類型庫的規則為在PPM調制方式中選擇至少一個，數據對應一個字節為8bit；

對應地，以1個字節8bit為單位組幀；4PPM調制則每次發送時隙對應2bit數據，16PPM調制則每次發送4bit數據，256PPM調制則每次發送8bit數據。

7.根據權利要求3或4所述的跳時隙的激光水下致聲數字通信方法，其特征在于：在步驟（4）、（5）中，聲波信號接收及解碼，采用計時方式判斷，假設時隙脈沖寬度和數據時隙脈沖間隔時間長度均大于規定導行碼脈沖間隔固定時間，若已知脈沖時隙寬度為，兩兩脈沖出現時間間隔為，那么，接收及解碼分步驟如下：

1）光電探測、放大整形模塊對水聲信號進行處理后，由計時器對脈沖時隙間隔進行采樣計數；

2）由解碼處理模塊檢測到兩脈沖間隔為60ms、70ms、80ms則判定為不同時隙類型每幀開始，分別按照各時隙類型的比特編碼規則進行數據脈沖間間隔進行位置判斷；

3）依據分步驟2）對每種PPM調制類型從導行碼第二個脈沖開始到第一個數據時隙脈沖出現之間重新計數，以及之后兩兩時隙脈沖間隔均為，依據各時隙類型的字節比特脈沖組合，數據時隙脈沖位置判斷按照編碼順序應滿足以下條，值此每幀數據信息即可實現解碼還原；

4）重復分步驟2）和分步驟3），直到PPM時隙幀脈沖接收處理完畢。