无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法
专利汇可以提供无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法，FTSK调制是短波中常用的通信手段，一般采用使用 正交 码字矩阵对四进制数据进行映射，捕获的准确性对信息解调具有相当大的影响；本发明中，FTSK解调时对四个 频率 分量进行时频联合捕获，采用信息 帧 中的前导巴克码辅助进行正交捕获，将捕获判决移至Baker码相关后进行，可有效提高捕获的准确性。，下面是无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法专利的具体信息内容。
1.一种无线传感网短波FTSK通信中Baker码辅助捕获方法，其特征在于，包 括以下步骤：
(1)输入FTSK信号：输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率为8k的 信号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到1ksps，即每时隙5 采样点，并输入4路移位寄存器；
(2)移位寄存器以采样点为单位进行移位，E0、E1、E2、E3模块根据当前 同步位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，计算完成后，四个能量 值被输入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并 判决信息符号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量 值平均的比值α，α可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，α越大， 说明噪声越小，同步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比 值应为无穷大；
(3)比较器判决输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13 位巴克码进行相关，相关值被用来作为捕获判决的一个依据；当以采 样点为移位单位时，有可能出现若干采样点位置上巴克码相关值相同 的情况，此时取α最大的采样点为同步位置；当未捕获到同步时，假 设每个采样点都是同步位置，并以该假定同步位置进行FTSK解调，求 出和本地巴克码的相关值，当捕获到同步时，该相关值和α都会出现 一个最大值：
技术领域
本发明涉及通信领域，特别地，涉及一种无线传感网短波FTSK通信中Baker 码辅助捕获方法。
背景技术
无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink node)两大类。大 量具有无线传输能力的传感节点由电池供电，随机部署在监测区域内，通过自 组织方式构成网络。传感节点将兴趣事件通过节点间多跳方式上传至Sink，在 上传过程中传感数据可能与其他节点进行协同或融合处理，从而达到提高上传 信息熵和降低网络负载的目的。Sink在收集目标区域的信息后通过互联网络或 卫星发送至终端用户或网络数据库。现有无线传感器网络典型的应用示意图如 图1所示。
从应用层面来讲，无线传感器网络作为人类的神经末梢网络，是人与物理 世界之间沟通的网络媒介，具有网络长期无人值守和泛在化的特点。其需求领 域极为广泛，且应用环境和网络业务具有多样化特性，如节点的布设密度、间 距、通信环境、传感器种类、目标事件发生概率、数据流量大小、QoS服务保 障等均存在巨大的差异性。因此，各类无线传感器网络的应用开发必然具有阶 梯式发展的特点，由典型应用到泛在网络逐步建立和完善。
无线传感网的信息传递，大多数情况下为信息的上传，节点以短距多跳形 式向sink节点上传信息，但对双向通信的传感网而言，用户或sink节点处对 节点下发命令或进行其他调度时，即信息下传时，若采用与信息上传相同的机 制，节点间仍需要进行多跳的信息交互，将导致各个节点收到命令的时间不一 致，延缓了命令下达速度，且在信息的传递过程中耗费了传感网节点大量的能 量，影响了网络的生命周期。本专利的系统背景中，由于指控中心和传感探测 节点相距较远，且下达命令信息较短，下行信息传递时，采用短波通信方式， 通过大范围的电波覆盖达到命令的直接传输。本系统中，传感节点由于能量的 限制，无法通过短波进行信息的上传，从而该系统为单向通信系统。
短波通信是指利用波长为100~10m(频率为3~30MHz)的电磁波进行的无线 电通信。短波通信可以利用地波或低电离层反射进行几十公里到几百公里的中 近距离通信，也可以利用中高电离层反射进行数千乃至上万公里的远距离通信， 借助于中继站，短波通信甚至可以进行环球通信。短波电台既可以是大型固定 台，也可以是车载、舰载、机载或背负式移动台，短波通信设备简单，造价低 廉，灵活机动，且信道不易摧毁，因而短波通信多年来被广泛地用于政府、军 事、外交、气象、商业等部门，用来传送语言、文字、图像、数据等信息。
FTSK具有优良的抗衰落性能，为了在信道衰落严重时保持系统可通性，短 波通信中常采用FTSK方式进行数据传输。FTSK是一种组合调制，它是在频移健 控(FSK)和时移键控(TSK)的基础上发展起来的。它是并行调制方式中的一 种，通过将串行的高速数据转换为在不同频率上传送的低速并行数据来减少码 间干扰的影响，达到高速传输的目的。由于在频率上分开，可以达到频率分集 的效果，且由于针对不同码字有不同的编码方式，具有一定的纠错功能。采用 频率分集和并行调制方法，具有较好的抗衰落能力，在恶劣的信道环境下也能 良好通信，但传输速率较低。
时频组合调制(FTSK)是广泛应用于短波通信系统的一种抗衰落抗频偏的 调制方式。FTSK是TSK和FSK的组合调制，如图3所示，四进制四时四频调制 将四进制符号映射为四个时隙中按不同顺序发送的四个频率分量。
为了提高抗衰落能力，同一码组里不同时隙中包含有不同的频率，为了提 高抗干扰能力，任何两个码组的码距应该最大，即使用正交码，所谓正交码， 就是指四个码组的任何两个发送波si(t)和sj(t)(i，j＝1，2，3，4)满足：
FTSK具有良好的抗衰落能力，图4所示为瑞利衰落信道和高斯信道下，使 用相干解调的2FTSK的平均误码率与平均信噪比的关系曲线，可见，瑞利信道 条件下，FTSK较之FSK在抗噪声抗衰落性能上有明显改进。
典型的系统具体实现方案如下：
1、FTSK调制
串并变换：串行数据变为两路并行数据；
编码矩阵：两路并行数据输入，以输入数据的四倍速率产生NCO频率控制 信号，选择不同的组合方式。
表格1 4FTSK调制方式下信号与频率对应关系
并行输入比特 4FTSK信号 00 f4 f3 f2 f1 01 f1 f2 f3 f4 10 f2 f4 f1 f3 11 f3 f1 f4 f2
NCO：数控振荡器，由编码矩阵选择其频率跳动方式。
2、FTSK解调
单边带解调后的数据分别送入四个带通滤波器，带通滤波器中心频率点分 别位于f1，f2，f3，f4上，对四个滤波器输出的信号分别进行包络检波，可以判 决该频率输出点上是否有信号输出。根据包络检波的结果校准同步时钟，并根 据同步时钟采样，对采样结果进行矩阵译码，分别计算各种组合发生的概率和 结果，根据概率判决最终的报文数据。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感网短波FTSK通 信中Baker码辅助捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)输入FTSK信号：输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率为8k的信 号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到1ksps，即每时隙5采样 点，并输入4路移位寄存器；
(2)移位寄存器以采样点为单位进行移位，E0、E1、E2、E3模块根据当前同步 位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，计算完成后，四个能量值被输 入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并判决信息符 号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量值平均的比值 α，α可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，α越大，说明噪声越小， 同步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比值应为无穷大；
(3)比较器判决输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13位巴 克码进行相关，相关值被用来作为捕获判决的一个依据；当以采样点为移 位单位时，有可能出现若干采样点位置上巴克码相关值相同的情况，此时 取α最大的采样点为同步位置；当未捕获到同步时，假设每个采样点都是 同步位置，并以该假定同步位置进行FTSK解调，求出和本地巴克码的相 关值，当捕获到同步时，该相关值和α都会出现一个最大值：
本发明的有益效果是，FTSK调制是短波中常用的通信手段，一般采用使用 正交码字矩阵对四进制数据进行映射，捕获的准确性对信息解调具有相当大的 影响；本专利中，FTSK解调时对四个频率分量进行时频联合捕获，采用信息帧 中的前导巴克码辅助进行正交捕获，将捕获判决移至Baker码相关后进行，可 有效提高捕获的准确性。
附图说明
图1为传感器网络示意图，
图2为系统上下行传输示意图，
图3为4FTSK调制映射图，
图4为相干解调的FTSK、FSK、TSK性能比较示意图，
图5为FTSK调制框图，
图6为FTSK解调原理实现框图，
图7为4FTSK扩频捕获器结构框图，
图8为4FTSK扩频跟踪器结构框图，
图9为USCD算法和FTSK解调算法的误码率性能比较示意图。
具体实施方式
FTSK捕获器结构如图7所示。输入的FTSK信号是经过单边带解调后采样率 为8k的信号，经四通道滤波和平方包络检波后，重采样到1ksps，即每时隙5 采样点，并输入4路移位寄存器；移位寄存器以采样点为单位进行移位；E0、 E1、E2、E3模块根据当前同步位置分别计算4个FTSK编码矩阵的能量，即图中 标注为0、1、2、3的移位寄存器相应时隙内采样点能量的和；计算完成后，四 个能量值被输入比较器和比率计算器；比较器取出四个能量中最大的一个并判 决信息符号；比率计算器根据下式计算最大能量值和其他三个能量值平均的比 值α，α可以作为FTSK同步程度和信噪比的衡量，α越大，说明噪声越小，同 步程度越好，理想的完全同步无噪声情况下，该比值应为无穷大；比较器判决 输出被输入到另一个13位移位寄存器中，并与本地的13位巴克码进行相关， 相关值被用来作为捕获判决的一个依据。当以采样点为移位单位时，有可能出 现若干采样点位置上巴克码相关值相同的情况，此时取α最大的采样点为同步位 置。当未捕获到同步时，假设每个采样点都是同步位置，并以该假定同步位置 进行FTSK解调，求出和本地巴克码的相关值，当捕获到同步时，该相关值和α都 会出现一个最大值。
捕获到FTSK同步后，即可进行FTSK解码，但由于发射机和接收机晶振无 法完全同步，因此必须进行同步跟踪以抵消晶振不同步造成的影响。跟踪的依 据是α，图8所示为跟踪器结构。跟踪器对当前采样点前后各2点范围内进行α 的计算并取最大位置作为新同步位置，为了减小噪声对跟踪器的影响，我们采 用多组内求平均的方式计算α值。
为了比较USCD算法的性能，我们对其在高斯信道下的误码率性能作了仿真， 图9所示为仿真结果，可见USCD算法比普通FTSK解调算法具有明显的误码率 性能优势，这主要归功于采用巴克码辅助捕获同步之后，其捕获准确率和抗干 扰性能大大提高，而FTSK解调性能的关键就在于同步捕获，因此USCD在同等 信噪比情况下具有更低的误码率。
表格2是对USCD算法和普通解调算法的天波测试对比结果，测试采用一致 性良好的两台接收机，分别加载USCD算法和普通解调算法，并同时进行对比性 接收测试，测试目的主要针对算法在衰落信道里的性能。由表可见，USCD算法 在高斯信道和实际衰落信道中的性能都明显优于普通解调算法，采用USCD后， 误码率可降低达50％。
表格2：天波测试结果
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