專利名稱：一種移動水聲通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是水聲通信領域，更確切地說，涉及一種實現移動水聲通信的方法。
背景技術：
當今水聲通信的前景就是由活動節(jié)點和靜止節(jié)點共同構成的水聲數據通信網，隨著各種艦船、潛器航行速度的提升及對其水聲通信無線遙控的迫切需求，研究移動點對點水聲通信將是十分有意義的。
線性調頻信號(LFM)在水聲領域被廣泛應用，在無多普勒頻偏時，拷貝相關器是LFM信號的最佳檢測器，但當存在頻偏時將發(fā)生失配而影響性能。分數階Fourier變換具有LFM基分解特性，一個LFM信號當在分數階Fourier變換域中選取適當的分數階數時，將表現為一個沖激函數，即分數階Fourier變換在某個分數階Fourier域中對給定的LFM信號(調頻斜率一定)具有很好的能量聚集性。因此，可通過在分數階Fourier變換域進行二維搜索來檢測存在多普勒頻偏的LFM信號。
Pattern時延差編碼體制屬于脈位編碼，可選取LFM信號作為Pattern碼型，所以可以引入分數階Fourier變換。因此若將分數階Fourier變換應用于PDS通信體制解碼，可勝任存在多普勒頻偏的移動水聲通信。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種可克服拷貝相關器在對存有多普勒頻偏時失去其最佳檢測性能的缺點和不足，能夠勝任移動水聲通信的移動水聲通信方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現的 (1)選取LFM信號作為Pattern時延差編碼體制(PDS)的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調頻斜率LFM信號，通信信道2的pattern2(t)為負調頻斜率LFM信號； (2)通信信道1、通信信道2分別進行Pattern時延差編碼； (3)通信信道1、通信信道2分別進行正交載波調制，然后兩通道信號疊加發(fā)射； (4)接收信號分別與載頻的正、余弦信號相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量； (5)構造兩路復信號，進行最佳階數分數階Fourier變換； (6)在FRFT的u正半軸與u負半軸分別測量FRFT峰值時延值，同時實現兩路通信信道解碼。
為實現本發(fā)明的目的，克服移動水聲通信中的多普勒頻偏，本發(fā)明利用LFM信號在與其調頻斜率一致的分數階Fourier變換域呈現沖激信號的特征，提出一種基于分數階Fourier變換的PDS編、解碼方案，構成FRFT-PDS通信系統。
本發(fā)明的優(yōu)點是可以在存有多普勒頻偏時高性能的實現移動水聲通信，且可實現兩路通信信道同時通信，提高通信速率。


圖1是FRFT-PDS通信流程圖； 圖2是無噪聲干擾下一組碼元的FRFT輸出； 圖3是噪聲干擾下一組碼元的FRFT輸出； 圖4是FRFT解碼器輸出； 圖5是通信信道1拷貝相關解碼器輸出； 圖6是通信信道2拷貝相關解碼器輸出。
具體實施例方式 下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 在本發(fā)明中，通信頻帶內選取兩種Pattern碼型，對應于兩路通信信道同時工作。通信信道1的編碼波形可表示為 式中τ1di＝k1i·Δτ為通信信道1的第i號碼元對應的時延差值；pattern1(t)為脈寬為Tp的Pattern碼型。選取LFM信號做為Pattern碼型，Pattern1的碼型以復信號表示如下
式中fL為通信頻帶的起始頻率，β＝B/Tp為Pattern的調頻斜率，B為系統帶寬。
以Pattern1碼型的時間反轉作為Pattern2(負調頻斜率LFM信號)，即 pattern2(t)＝pattern1(-t)(3) 由于選取的Pattern是線性調頻信號，所以可以引入分數階Fourier變換。
下面簡要介紹分數階Fourier變換的原理及特性。
時間信號x(t)的分數階Fourier變換定義如下 其中，p為FRFT的階數，可以為任意實數，旋轉角度α＝pπ/2；Fp為FRFT的算子符號，Kp(t，u)為FRFT的變換核。
具有角度α＝pπ/2的分數階Fourier逆變換就是具有角度-α＝-pπ/2的分數階Fourier變換，即 從逆變換中可以看出，分數階Fourier變換將x(t)表示成由具有線性頻率調制的復指數函數集合K-p(t，u)組成的一組基函數，這組基函數是正交基。因此對于給定的LFM信號，存在一個分數階數使線性調頻信號的能量聚集于一最大值，我們稱之為與此調頻斜率相匹配的“最佳”分數階數。LFM調頻斜率β與“最佳”分數階數p0有確定的對應關系β＝-cot(p0π/2)。當調頻斜率β很大時，p0將趨于2，旋轉角度α趨于π。
分數階Fourier變換還具有很多重要性質，現給出接下來要用到的幾條性質 ①線性變換特性 {Fp[ax(t)+by(t)]}(u)＝aXp(u)+bYp(u)(6) ②時移特性 {Fp[x(t-τ)]}(u)＝Xp(u-τcosα)exp(jπτ2sinαcosα-j2πuτsinα)(7) ③頻移特性 {Fp[x(t)ej2πξt]}(u)＝Xp(u-ξsinα)exp(-jπξ2sinαcosα-j2πuξcosα) (8) 式中a、b為任意常系數，τ為時延量，ξ為多普勒頻偏。
另外，分數階Fourier變換還具有奇偶對稱特性，即 若則 由式(9)可知，互為時間反轉的Pattern1、Pattern2在分數階Fourier變換域內具有相同的最佳分數階數，且兩者對應的FRFT峰值將出現在無重疊的兩個區(qū)間u正半軸與u負半軸。因此若將分數階Fourier變換應用于PDS通信體制解碼，則可通過一次FRFT運算同時檢測到Pattern1、Pattern2；并且FRFT具有時延特性，每個Pattern在碼元對應的時延差值可通過FRFT模值的峰值檢測測量。因此FRFT可應用于該雙通信信道的PDS體制解碼。
復信號需要進行正交調制以便發(fā)射。下面以一組碼元來介紹正交調制與解調的過程。由于每個碼元在時間τdi＜t≤τdi+Tp內為Pattern波形，其余時刻為0值，所以只需要分析Pattern波形的調制過程。為便于分析，將Pattern1、Pattern2寫為如下形式 式中fH為系統通信頻帶的截止頻率。
設p1R(t)、p1I(t)分別表示pattern1(t)的實部、虛部信號，p2R(t)、p2I(t)分別表示pattern2(t)的實部、虛部信號。為保留高頻分量，pattern1(t)正交調制可表示為 p1c(t)＝p1R(t)cos(2πfct)-p11(t)sin(2πfct)＝cos(2πfLt+πβt2+2πfct) (11) 為與p1c(t)占用相同的頻帶，pattern2(t)的正交調制可表示為 p2c(t)＝p2R(t)cos(2πfct)+p2I(t)sin(2πfct)＝cos(2πfHt-πβt2+2πfct) (12) 按上述調制過程對如式(1)所示的兩路通信信道的編碼信號m1(t)、m2(t)進行載波調制，其調制后的波形可表示為 最終發(fā)射信號為此兩路調制信號的疊加s(t)＝m1c(t)+m2c(t)，如圖1所示。
現在介紹接收端解調過程，即去載頻恢復原基帶復信號的過程。為方便闡述，只考慮第一組碼元，且暫不考慮水聲信道及噪聲干擾，此時接收信號可表示為r(t)＝p1c(t-k11·Δτ)+p2c(t-k21·Δτ)。將接收信號分別與載頻的正、余弦信號相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量 式中{·}BP表示帶通濾波輸出。式(14)、式(15)含有原Pattern1、Pattern2的實部、虛部信號，雖然均被解調出來，但他們的實部疊加在一起、虛部也疊加在一起。
用式(14)、式(15)構造兩路復信號 式中d1(t)、d2(t)是復干擾信號，與pattern1(t)、pattern2(t)的相關系數均很小。
將信號r1(t)、r2(t)疊加后進行最佳階數分數階Fourier變換，可同時實現兩路通信信道解碼。FRFT-PDS系統通信流程如圖1所示。
移動水聲通信具體計算實例 系統參數選取系統基帶2～5kHz，載頻4kHz，采樣頻率40kHz；碼元寬度T0＝20ms，Pattern脈寬Tp＝10ms，編碼時間Tc＝T0-Tp＝10ms，每個碼元攜帶3bit數字信息。在2kHz頻帶內兩路通信信道同時工作，通信速率為300bit/s。
圖2給出在無噪聲干擾、理想情況下的一組碼元的FRFT輸出模值；圖3為有白噪聲干擾時的一組碼元的FRFT模值輸出(SNR＝0dB)。
從圖1、圖2中可見，FRFT輸出的峰值出現在u坐標無重疊的正、負半軸，在正、負區(qū)間分別峰值檢測即可實現兩路通信信道同時解碼。另外，白噪聲的能量均勻分布在整個時頻平面內，在任何的分數階Fourier域上均不會出現能量聚焦，因而FRFT處理具有較強地抑制噪聲能力。
在深海條件下進行仿真研究，通信節(jié)點位于深海聲道軸；多普勒頻偏為30Hz；接收端信噪比為5dB。FRFT解碼器輸出如圖4所示。若采用拷貝相關解碼，則需以Pattern1、Pattern2分別作為參考信號進行拷貝相關處理，其對應的拷貝相關輸出如圖5和圖6所示。
由于存在多普勒頻偏，拷貝相關峰幅值降低且偏離真值位置，當多普勒頻偏超出LFM信號容限范圍后將產生較大誤碼。而FRFT只需通過對第一組碼元進行最佳階數搜索，確定最佳階數后以此階數進行接下來的FRFT解碼，即可實現高質量解碼。
下面對所提出的方案進行仿真研究。收、發(fā)節(jié)點均置于深海聲道軸附近，改變其相對水平距離，多普勒頻偏為30Hz，采用FRFT解碼方式，表1給出了在不同信噪比(SNR)下相應各通信信道的誤碼率(BER)。
表1通信誤碼率統計

注I、II分別對應兩個通信信道的誤碼率；Mean為平均誤碼率. 通過大量仿真統計驗證，將通信節(jié)點置于聲道軸附近，當多普勒頻偏為30Hz、信噪比不低于6dB時，作用幾十千米下的通信誤碼率可控制在10-3或以下。
權利要求
1.一種移動水聲通信方法，其特征是
(1)選取LFM信號作為Pattem時延差編碼體制的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調頻斜率LFM信號，通信信道2的pattern2(t)為負調頻斜率LFM信號；
(2)通信信道1、通信信道2分別進行Pattern時延差編碼；
(3)通信信道1、通信信道2分別進行正交載波調制，然后兩通道信號疊加發(fā)射；
(4)接收信號分別與載頻的正、余弦信號相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量；
(5)構造兩路復信號，進行最佳階數分數階Fourier變換；
(6)在FRFT的u正半軸與u負半軸分別測量FRFT峰值時延值，同時實現兩路通信信道解碼。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種移動水聲通信方法。(1)選取LFM信號作為Pattern時延差編碼體制的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調頻斜率LFM信號，通信信道2的pattern2(t)為負調頻斜率LFM信號；(2)通信信道1、通信信道2分別進行Pattern時延差編碼；(3)通信信道1、通信信道2分別進行正交載波調制，然后兩通道信號疊加發(fā)射；(4)接收信號分別與載頻的正、余弦信號相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量；(5)構造兩路復信號，進行最佳階數分數階Fourier變換；(6)在FRFT的u正半軸與u負半軸分別測量FRFT峰值時延值，同時實現兩路通信信道解碼。本發(fā)明的優(yōu)點是可以在存有多普勒頻偏時高性能的實現移動水聲通信，且可實現兩路通信信道同時通信，提高通信速率。
文檔編號H04B13/02GK101166066SQ20071007256
公開日2008年4月23日 申請日期2007年7月24日 優(yōu)先權日2007年7月24日
發(fā)明者殷敬偉, 惠俊英 申請人:哈爾濱工程大學