CN102170314A - 一种双曲调频扩频水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲调频扩频水声通信方法，由2个分别为正负调制率的双曲调频信号组成基本波形，根据待发送的信息及预先设定的移位步长确定载波信号移位大小，并对载波信号进行循环移位，实现多元调制；加导频信号至循环移位后的载波信号上，形成复合信号，并将复合信号通过发射换能器发送入水声信道；在接收端采用复本相关技术估计导频信号和载波信号相关输出峰值位置；将导频信号相关输出峰值位置和载波信号相关输出峰值位置之差，与移位步长进行比较，并根据发射端预先设定的多元调制进行查表译码。本发明提高了稳定性，计算量低，接收机简单。

Description

一种双曲调频扩频水声通信方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及移动水声通信中一种扩频通信方法。

背景技术

水下无人航行器(UUV)作为海洋探测的重要工具，已成为各国海洋工程领域的研究热点，其中，应用于UUV运动过程中的移动水声通信，是涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之一。

水声信道一般可以表征为带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂多径传播、高背景噪声、强衰落等特征严重限制了水声通信性能。特别地，对于移动水声通信，由于声波在海水中的传播速度仅为1500m/s，而航行器在水下的运动速度通常为1.5-15m/s。相对来说，航行器间较高的相对运动速度和声波在水中较低的传播速度导致了通信信号的时间展宽或压缩。

近年来，扩频水声通信技术受到较大关注，其原因：①.在远程(＞10km)水声通信中，接收信噪比比较低，往往在0dB以下，而扩频信号的相关增益较大、可以使得其在0dB以下的条件下进行信号的正确解调；②.它抗多径干扰和信道衰落能力强，被截获和检测概率低，保密性好；③.扩频技术是水声通信网络中的多用户水声通信的技术基础，水声信道的有限带宽限制了频分复用(FDMA)技术在水声网络中的应用，而时分复用(TDMA)需要严格的同步技术。目前普遍认为扩频及码分多址技术(CDMA)是浅海水声通信网络最有应用前景的多址接入方案。现已提出多种用于水声通信网络的DS-CDMA方案及相应的信号处理技术。可见，扩频水声通信技术具有重要的应用前景。

目前扩频水声通信方法主要以伪随机序列，如m序列、Gold序列作为扩频码的通信方式，概括如下：

(1).直接序列扩频技术

直接序列扩频(DSSS)水声通信***，其发射端仅分配一个扩频序列，若扩频序列长度为L，每个码片持续时间为T。其信息通过调制在扩频序列的相位上进行传输，在接收端则根据扩频序列的相位进行解调。

(2).M元扩频方法

为了提高扩频通信数据率，可以采用M元扩频通信方法。其基本原理为：根据要传输的n比特的二进制信息，在一组包含M＝2n个伪随机码的集合中选取某一个伪随机码进行相位调制后发射。接收端包括一组匹配滤波器，每个滤波器匹配于伪随机序列组中的一个序列。根据伪随机序列的正交性，只有匹配于发射信号的滤波器的输出才能超过判决门限，依此进行译码，数据率提高log2M倍。

(3).M元并行组合扩频技术

由于M元伪随机码之间的准正交性，可以在发射端同时选取k个伪随机码，分别进行相位调制后同时发射，以进一步提高数据率，称为并行组合M元扩频通信。实际中，通常把M个伪随机码分成N组，根据传输的信息，从每组中选择一个伪随机码，共有N个伪随机码，分别进行相位调制，叠加后，形成发射信号。可以把M元扩频通信技术看作是并行组合M元扩频通信的一种特例，即N＝1时的传输方式。

但是，由于UUV运动时将会出现多普勒效应，导致常规的水声通信，特别是上述基于伪随机序列的水声扩频通信***性能将急剧下降。其原因在于：①.多普勒效应导致通信信号的相位发生严重的变化，基于直接序列扩频的水声通信***无法实现相位的正确解调，误码率高；②.M元扩频水声通信***通常采用一组匹配滤波器的输出峰值的大小进行解调，而伪随机序列调相信号具有尖锐的模糊度函数图，即较小的多普勒频移就导致匹配滤波器的输出信号幅度极具下降，UUV运动导致了接收机的匹配滤波器失配，无法进行正确解调；③.水声信道复杂的多径传播导致严重的码间干扰，利用相干方法解调需要精确地估计水声信道，***复杂度高。

发明内容

为了克服现有技术由于多普勒效应导致水声通信***性能将急剧下降的不足，本发明提供一种双曲调频扩频水声通信方法，利用双曲调频信号对多普勒效应不敏感以及优良的相关特性，可获得较高速率、低复杂度的移动扩频水声通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1).由2个分别为正负调制率的双曲调频信号组成基本波形，其中，正调频双曲调频信号用作载波信号f(t)，负调频双曲调频信号用作导频信号p(t)，这两个信号近似正交，其互相关函数可表示为： 

其中τ表示延迟，T 表示载波信号和导频信号的长度；

(2).在通信发送端，根据待发送的信息及预先设定的移位步长确定载波信号f(t)移位大小，并对载波信号进行循环移位，实现多元调制；

(3).叠加导频信号至循环移位后的载波信号上，形成复合信号，并将复合信号通过发射换能器发送入水声信道；

(4).在接收端采用复本相关技术估计导频信号相关输出峰值位置；

(5).在接收端采用复本相关技术估计载波信号相关输出峰值位置；

(6).将导频信号相关输出峰值位置和载波信号相关输出峰值位置之差，与移位步长进行比较，并根据发射端预先设定的多元调制进行查表译码。

本发明的有益效果是：本发明与直接序列扩频水声通信相比，利用了复本相关技术进行判决和译码，无需进行相位解调，提高了稳定性；与M元扩频水声通信相比，由于只采用一路复本相关器，因此计算量低；由于双曲调频信号对多普勒频移动不敏感，且导频双曲调频信号可修正由于多普勒效应引起的相关峰位置的偏移，适用于移动水声通信；由于采用非相干解调，无需进行信道估计，接收机简单。

附图说明

图1是发明流程图；

图2是载波双曲调频信号和导频双曲信号的相关特性图；

图3是伪随机码扩频信号在不同多普勒频移下的相关特性图；

图4是双曲调频信号在不同多普勒频移下的相关特性图；

图5是循环移位原理图；

图6是叠加导频信号的双曲调频扩频水声通信***框图；

图7分别是实施实例中湖上实验1km水声信道冲击响应图；

图8是实施实例中1km双曲调频扩频湖上实验结果分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步详细的描述。

本发明包括以下步骤：

(1).双曲调频信号及特征

双曲调频信号表达式如式(1)：

式中，f₀为中心频率，m为调频系数。双曲调频信号的调制带宽为

B＝|f_H-f_L|；    (2)

式中，f_L和f_H分别为双曲调频信号的下限频率和上限频率。

$f_0=\frac{{2f}_L{f}_H}{f_L+f_H};---\left(3\right)$

$m=\frac{{4f}_L{f}_H(f_H-f_L)}{T{(f_L+f_H)}^2};---\left(4\right)$

m＞0时表示正调频；m＜0时表示负调频。设正调频双曲调频信号为载波信号，负调频双曲调频信号为导频信号。图2给出了载波信号和导频信号的相关特性，其中图2(a)给出载波双曲调频信号的自相关图，图2(b)给出导频双曲调频信号的自相关图，图2(c)给出载波双曲调频信号和导频双曲调频信号的互相关图，可以看出载波信号和导频信号均具有良好的自相关特性，且两者近似正交。双曲调频信号对多普勒效应不敏感，如图3和4所示，分别给出了伪随机码扩频信号在不同多普勒频移下的相关特性图和双曲调频信号在不同多普勒频移下的相关特性图；图3表示长度为511的伪随机码(码片宽度0.25ms)调相信号(符号长度为0.128s)在多普勒因子(UUV速度/海水中的声速)分别为0，0.005和0.01时的相关输出，可以发现，伪随机码调相信号对多普勒频移非常敏感，微小的多普勒因子将导致相关输出幅度极具下降，***正确解调信号；图4表示的是长度为0.1s正调频双曲调频信号在多普勒因之分别为0，0.005和0.01时的相关输出，可以发现，在多普勒因子为0.005时，相对于无多普勒效应时，相关输出仅仅有一个延迟，而幅度变化微弱；在多普勒因子为0.01，相关输出幅度下降到最大幅度的0.7倍。通过比较图3和4比较可以发现，双曲调频信号适用于移动环境。

(2).循环移位调制方式

循环移位调制根据输入的二进制信息，对载频双曲调频信号f(t)进行循环移位获得移位波形g(t)，其关系如下：

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}f(t+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& 0\&le;t\&le;T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}\\ f(t-T+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}<t\&le;T\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中表示T为双曲调频信号持续时间，Δτ是移位步长，k根据输入的二进制信息确定。如果利用可以分辨的M个不同循环移位步长表示信息，则每个移位波形g(t)可表示log₂M个比特信息。根据输入信息，利用(5)式产生移位波形信号g(t)。其移位步长Δτ取决于时延估计的精度。循环移位调制原理图如图5所示。

(3).叠加导频信号

多普勒和多径传播对时延估计的影响较大，为了减轻这一影响，采用叠加导频信号的循环移位调制技术。在该调制方式中，发射信号s(t)为移位波形g(t)和导频信号p(t)之和，如下式所示：

s(t)＝g(t)+p(t)，    0≤t≤T    (6)

发射端将混合信号s(t)通过功率放大器和发射换能器将电信号转换为声信号发射进入海水中。

(4).与载波信号的循环相关处理

接收端首先通过水听器将获得的声信号转换为电信号，计算接收信号r(t)和载波双曲调频信号f(t)相关输出，同时估计相关峰值的位置，可表示为

y₁(t)＝|IDFT(DFT^*(f(t))×DFT(r(t)))|

(7)

${\mathrm{\&tau;}}_1=\arg \underset{t}{\max }\left(y_1\left(t\right)\right)$

其中f(t)储存在本地接收机，DFT/IDFT为相应的傅立叶变换。(·)^*为共轭运算。

(5).与导频信号的循环相关处理

计算接收信号r(t)和导频双曲调频信号p(t)相关输出，同时估计相关峰值的位置，可表示为

y₂(t)＝|IDFT(DFT^*(p(t))×DFT(r(t)))|

(8)

${\mathrm{\&tau;}}_2=\arg \underset{t}{\max }\left(y_2\left(t\right)\right)$

其中p(t)储存在本地接收机，DFT/IDFT为相应的傅立叶变换。(·)^*为共轭运算。

(6).时延差比较及译码

比较上面两个相关峰对应位置的时延差，即

$\widehat{\mathrm{\&tau;}}=|{\mathrm{\&tau;}}_1-{\mathrm{\&tau;}}_2|---\left(9\right)$

将 与移位步长作比较，进行译码。

下面结合图6，按照叠加导频信号的循环移位扩频通信的信号流程，结合具体实施实例进一步详细描述本发明。

***参数及工作环境如下：***带宽4kHz，载频10kHz，采样频率40kHz；双曲调频信号的宽度为50ms，移位步长的大小为双曲调频信号宽度的25/16，约为1.56ms；则每个循环移位波形代表5比特信息，数据率可达100bit/s。

①.在发射端和接收端，预先生成载波双曲调频信号f(t)和导频双曲调频信号p(t)，保存在本地存储器中，f(t)和p(t)近似正交；对将要发送的二进制信息，进行分组，每5比特为一组；二进制信息组和相应的循环移位大小成一一对应关系；如二进制信息组b＝[0 0 0 1 0]对应循环移位大小为3.12ms；

②.根据分组后的二进制信息组，按照图5对载波信号f(t)进行循环移位操作。如，若二进制信息组b＝[0 0 0 1 0]；则需要将载波双曲调频信号最前端的3.12ms数据移位到最末端形成移位波形信号。将导频信号p(t)叠加到移位波形信号上，并通过功率放大器由换能器发送到水声信道中。

③.在接收端，将水听器接收到的信号通过带通滤波器，AGC电路后进行A/D采样获得数字信号。对获得的数字信号，先进行同步，并按码元宽度进行分割。

④.按照每个码元宽度进行分割后的信号，利用FFT/IFFT技术进行快速循环相关，其本地参考波形为载波信号f(t)，对其循环相关输出波形进行峰值检测。根据基本波形的循环相关特性，只有对应的循环移位大小的位置才出现最大相关峰。

⑤.按照每个码元宽度进行分割后的信号，利用FFT/IFFT技术进行快速循环相关，其本地参考波形为导频信号p(t)，对其循环相关输出波形进行峰值检测，并给出其峰值对应的位置。

⑥.上面两次相关获得的相关峰位置的差，根据二进制信息与与循环移位大小一一对应关系，判断所发送的5位二进制信息组b＝[0 0 0 1 0]。通信***框图如图6所示，湖上实验1km信道冲击响应如图7所示。图8给出循环相关处理输出及相应时延估计误差。图8上图给出了载波双曲调频信号的互相关输出，下图给出了导频双曲调频信号的互相关输出，比较两相关峰输出位置之差，即可求得时延差。

Claims (1)

1.一种双曲调频扩频水声通信方法，其特征在于包括以下步骤：

(1).由2个分别为正负调制率的双曲调频信号组成基本波形，其中，正调频双曲调频信号用作载波信号f(t)，负调频双曲调频信号用作导频信号p(t)，这两个信号近似正交，其互相关函数其中τ表示延迟，T表示载波信号和导频信号的长度；

(2).在通信发送端，根据待发送的信息及预先设定的移位步长确定载波信号f(t)移位大小，并对载波信号进行循环移位，实现多元调制；

(3).叠加导频信号至循环移位后的载波信号上，形成复合信号，并将复合信号通过发射换能器发送入水声信道；

(4).在接收端采用复本相关技术估计导频信号相关输出峰值位置；

(5).在接收端采用复本相关技术估计载波信号相关输出峰值位置；

(6).将导频信号相关输出峰值位置和载波信号相关输出峰值位置之差，与移位步长进行比较，并根据发射端预先设定的多元调制进行查表译码。

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