一種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其利用水下多徑干擾存在時隙不重疊的特點，采用調(diào)頻編碼和脈位編碼調(diào)制結(jié)合對信息進行調(diào)制，通過增加跳頻數(shù)量增加每一幀的時隙數(shù)量來提高每一幀的時間長度，使大部分多徑信號的時延擴展小于一幀的持續(xù)時間；在接收端利用濾波器從頻域上提取主徑信號。本發(fā)明在保證抗多徑干擾性能的前提下，簡化了發(fā)送和接收端的裝置、降低了發(fā)送所需功率和增加了數(shù)據(jù)發(fā)送的速率，克服了傳統(tǒng)的水聲通信技術(shù)裝置復雜、功耗大、信息受多徑干擾大并且發(fā)送速率慢等缺點。
【專利說明】ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及水下通信領域和脈位編碼技術(shù)，特別涉及ー種基于線性調(diào)頻信號(LFM)的跳頻脈位編碼水聲通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于海水是無線電的不良導體，無線電在其中的穿透力很難滿足大多通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的設計要求。水聲通信由于其水下穿透力強、方便、靈活、經(jīng)濟和無電纜等特點，被認為是最有前途的水下通信方式。水聲通信最大的難點是多徑效應:海水中的聲音傳播速度大約為1500m/s，而聲傳播產(chǎn)生的反射，散射無法消除。所以聲波將經(jīng)歷不同的路徑到達接收端。接收端所接收到的信號除主徑之外還有疊加的其他路徑的多徑信號，這些多徑信號雖然和主徑信號一祥都來自信源，但是時延不同，因此它們的疊加將造成干擾，稱為多徑干擾。多徑干擾能造成信號衰落，信號時延擴展等問題，而時延擴展帶來的碼間干擾被認為是水聲通信的主要障礙，它使得接收到的信號無法辨識。
[0003]現(xiàn)在ー些水聲通信系統(tǒng)，如ー種M-ary擴頻通信方法(專利號:03156106.3)、基于OFDM編碼的水聲通信差分解碼方法(專利號:200910071541.2)等采用一般擴頻或QPSK-0FDM編碼等方式克服發(fā)送速率慢，多徑干擾等問題，但存在發(fā)射功率高，裝置復雜等問題。這些水下通信系統(tǒng)發(fā)端大多采用D類數(shù)字功放管，如TI的TAS5261，其功率最高達315W，其供電功率也高達50V左右。而像OFDM類似的系統(tǒng)，收發(fā)端裝置也過于復雜，往往需要結(jié)合MMO技木，采用收發(fā)端陣列，増加了成本。并且現(xiàn)有的方法大多將信息調(diào)制于載波的頻率、相位上，而多徑干擾所造成的頻率選擇性衰落、碼間干擾等對載波的影響很大，因此克服多徑干擾的代價也相對較大。
[0004]雖然大多數(shù)信號通過水聲信道，受到多徑干擾和環(huán)境干擾，在時域上變得不可辨認，但是多徑干擾在一些設定的情況下也有其固有的規(guī)律。將發(fā)送信號分為幀，每ー幀內(nèi)分為固定的時隙。在幀長足夠長、通信距離較短的情況下，接收端接收到的主徑信號某ー幀內(nèi)某一時隙幾乎不可能疊加多徑信號的其它幀相應時隙的信號，這種時隙不重疊性質(zhì)這是兩個原因造成的:第一，要使接收到的主徑信號某一時隙疊加多徑信號其他幀的相應時隙，則多徑信號的時延擴展應大于或等于ー巾貞的時間長度，而除主徑之外，大部分多徑信號時延在一幀時長以內(nèi)。第二，雖然部分多徑干擾信號的時延大于ー幀的時間長度，但是由于時延長度相對較長，其通信距離較長，這些多徑信號的能量衰減大，因此對接收端主徑信號的辨別幾乎不產(chǎn)生影響。將ー幀分為多個時隙，每個時隙填充不同中心頻率的載波，若多徑干擾的時延擴展在ー幀時長以內(nèi)，則接收端接收到的信號每個時隙都是主徑信號時隙和多徑信號其他時隙的疊加，不會出現(xiàn)主徑時隙和多徑信號其他幀相應時隙疊加的情況。如果這些多徑信號的中心頻率和主徑信號的中心頻率不同，則它們在幅頻譜上互不干擾，就可以利用濾波器將這些多徑干擾濾除。利用上述現(xiàn)象將信息調(diào)制于時域上，接收端對多徑干擾的處理代價就大大降低了。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，具體技術(shù)方案如下。
[0006]ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其利用水下多徑干擾存在時隙不重疊的特點，采用調(diào)頻編碼和脈位編碼調(diào)制結(jié)合對信息進行調(diào)制，通過增加跳頻數(shù)量增加每一幀的時隙數(shù)量來提高每ー幀的時間長度，使大部分多徑信號的時延擴展小于一幀的持續(xù)時間；在接收端利用濾波器從頻域上提取主徑信號。
[0007]進ー步的，上述基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法中，所述調(diào)頻編碼包括:將信源整合后的非零合并符號所包含的二進制信息調(diào)制于LFM脈沖的調(diào)頻斜率上，通過LFM的調(diào)頻斜率表示非零合并符號的不同；所述信源整合是將二進制信息源整合為零符號以及非零合并符號，其中每個非零合并符號代表若干二進制信息；
[0008]所述脈位編碼包括:通過脈沖相對位置調(diào)制信息；脈位編碼所調(diào)制的信息為整合后的零與非零合并符號信息；每ー幀不同的時隙對應ー個符號，若該符號為零符號，則不填充，若為非零合并符號，則填充相應中心頻率及調(diào)頻斜率的LFM脈沖；每ー幀的各個時隙脈沖都將對應不同的中心頻率，對于在ー幀時延擴展范圍內(nèi)的多徑干擾信號，主徑信號的每個時隙所疊加的多徑干擾，其中心頻率都將與主徑時隙的中心頻率不同。
[0009]進ー步的，所述信源整合具體包括如下步驟:
[0010]③輸入二進制碼流并順序捜索，若為0位，則直接存入內(nèi)存，并將0視為單獨一位符號，即零符號，并繼續(xù)捜索；若為I位則進入下一歩；
[0011]④獲取非零合并符號，若設定在LFM信號上調(diào)制X比特二進制信息，則在搜索到的I位之后組合x-1位，與檢索到的I位合并，`共X位，組成新的符號即非零合并符號，記為Ai并存入內(nèi)存，若此時二進制碼流還未結(jié)束，則返回步驟①，直到完全將所需發(fā)送的信源編碼完成，在內(nèi)存中就存入了信源整合后的符號信息；其中Ai的取值共2=1-1個，所有合并過程的非零合并符號都將從2=^1個不同符號中產(chǎn)生。
[0012]進ー步的，所述調(diào)頻編碼具體包括:內(nèi)存中的零符號和非零合并符號需要有相應的載波進行承載才能發(fā)射進入信道，對于零符號，在其時隙不發(fā)送任何信息；而對于非零合并符號則需要用不同的LFM信號表示；標準LFM信號記為:
[0013]ム(/)二ー2減 A 句)* n=1，2，…，之=1-1 公式(I)
[0014]其中X是需要調(diào)制在LFM信號上的比特數(shù)，整合后非零合并符號的信息調(diào)制在kn上，、是LFM信號的調(diào)頻斜率，表示其頻率變化的速度，根據(jù)不同的水聲信道環(huán)境可以自由調(diào)整其大小，只需要保證每個調(diào)頻斜率不同且在接收端可分辨即可ばC1為標準LFM信號的初始頻率，t是時間變量；標準LFM信號存入內(nèi)存，為了產(chǎn)生中心頻率與跳頻中心頻率相同的LFM信號，將N個跳頻正弦信號也存入內(nèi)存，而相應中心頻率的LFM信號脈沖的生成需要將標準LFM信號和跳頻正弦信號相乗，
[0015]./;,.(/) = (Oei2ir" = 風作 ノノ s=l, 2，...，N 公式(2)
[0016]其中N為每ー幀跳頻數(shù)，fs為相應時隙對應的中心頻率頻率；
[0017]進ー步的，上述調(diào)頻編碼之后，內(nèi)存中的零符號和非零合并符號分別對應為空載波和相應的LFM信號載波；脈位編碼將內(nèi)存中的載波信息變?yōu)榫唧w的由LFM信號脈沖和空信號組成的聲信息序列；給姆個符號按順序分配時隙，姆個時隙根據(jù)內(nèi)存中的符號和載波信息，填充空信號或者相應的LFM信號脈沖；LFM信號脈沖或者空信號的持續(xù)時間與時隙的時間長度相同；內(nèi)存中零符號對應的時隙不填充任何信息，即填充空信號，而非零合并符號的時隙則填充相應的LFM信號脈沖，具體包括:[0018]I)順序檢測內(nèi)存中信源整合后的數(shù)據(jù)，若為零符號，則在相應時隙不做添加并繼續(xù)搜索，若為非零合并符號則進入下一歩；
[0019]2)在非零合并符號Ai的時隙位置添加相應跳頻中心頻率的LFM信號，從內(nèi)存中取出其對應的標準LFM信號以及與添加時隙對應的跳頻正弦信號，按式(2)的方法產(chǎn)生相應的LFM信號脈沖并填充該時隙；
[0020]循環(huán)上述步驟I)和2)，若每ー幀的跳頻數(shù)是N，則ー幀內(nèi)有N個時隙，取內(nèi)存中的每N個符號數(shù)據(jù)作為ー幀；所述非零合并符號對應的LFM信號滿足以下兩個條件:
[0021]a:LFM信號脈沖的中心頻率為通信系統(tǒng)中幀內(nèi)相應時隙所設定的中心頻率；
[0022]b:LFM信號的調(diào)頻斜率與信源整合后內(nèi)存中符號對應，承載相應的信息。
[0023]上述條件a在脈位編碼過程中匹配，條件b則在調(diào)頻編碼過程中進行匹配。
[0024]上述基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法還包括添加幀頭:脈位編碼后，根據(jù)水聲信道的不同，每一段信息前都加上幀頭數(shù)據(jù)，用作接收時的多普勒頻移估計以及時間同歩；水聲信道越穩(wěn)定，幀頭數(shù)據(jù)后的幀數(shù)越多；幀頭數(shù)據(jù)采用脈沖對形式。脈沖使用自相關性能良好的LFM信號，兩脈沖之間相隔時間為T。，其頻率分別為ね和f；2 ;當水聲信道環(huán)境穩(wěn)定的時候，每個幀頭后的幀數(shù)量較不穩(wěn)定時大，當水聲信道不好時，通過減少幀頭后幀數(shù)的方法適應水下信道的變化。
[0025]上述基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法中，信號接收端的解調(diào)方法包括:
[0026]若發(fā)送端發(fā)送ー個脈沖信號，記為5 (t)，由于多徑的影響，在接收端接收到的信號就是多徑信號的疊加:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于利用水下多徑干擾存在時隙不重疊的特點，采用調(diào)頻編碼和脈位編碼調(diào)制結(jié)合對信息進行調(diào)制，通過增加跳頻數(shù)量增加每一幀的時隙數(shù)量來提高每ー幀的時間長度，使大部分多徑信號的時延擴展小于ー幀的持續(xù)時間；在接收端利用濾波器從頻域上提取主徑信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于: 所述調(diào)頻編碼包括:將信源整合后的非零合并符號所包含的二進制信息調(diào)制于LFM脈沖的調(diào)頻斜率上，通過LFM的調(diào)頻斜率表示非零合并符號的不同；所述信源整合是將二進制信息源整合為零符號以及非零合并符號，其中每個非零合并符號代表若干二進制信息； 所述脈位編碼包括:通過脈沖相對位置調(diào)制信息；脈位編碼所調(diào)制的信息為整合后的零與非零合并符號信息；每ー幀不同的時隙對應ー個符號，若該符號為零符號，則不填充，若為非零合并符號，則填充相應中心頻率及調(diào)頻斜率的LFM脈沖；每ー幀的各個時隙脈沖都將對應不同的中心頻率，對于在ー幀時延擴展范圍內(nèi)的多徑干擾信號，主徑信號的每個時隙所疊加的多徑干擾，其中心頻率都將與主徑時隙的中心頻率不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于所述信源整合 具體包括如下步驟: ①輸入二進制碼流并順序捜索，若為O位，則直接存入內(nèi)存，并將O視為單獨一位符號，即零符號，并繼續(xù)捜索?’若為I位則進入下一歩； ②獲取非零合并符號，若設定在LFM信號上調(diào)制X比特二進制信息，則在搜索到的I位之后組合x-1位，與檢索到的I位合井，共X位，組成新的符號即非零合并符號，記為Ai并存入內(nèi)存，若此時二進制碼流還未結(jié)束，則返回步驟①，直到完全將所需發(fā)送的信源編碼完成，在內(nèi)存中就存入了信源整合后的符號信息；其中Ai的取值共2=^個，所有合并過程的非零合并符號都將從2=^1個不同符號中產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于所述調(diào)頻編碼具體包括:內(nèi)存中的零符號和非零合并符號需要有相應的載波進行承載才能發(fā)射進入信道，對于零符號，在其時隙不發(fā)送任何信息；而對于非零合并符號則需要用不同的LFM信號表不；標準LFM信號記為: /；,(!) =n=l, 2，...，2^1 公式(I) 其中X是需要調(diào)制在LFM信號上的比特數(shù)，整合后非零合并符號的信息調(diào)制在kn上，kn是LFM信號的調(diào)頻斜率ばC1為標準LFM信號的初始頻率，t是時間變量；標準LFM信號存入內(nèi)存，為了產(chǎn)生中心頻率與跳頻中心頻率相同的LFM信號，將N個跳頻正弦信號也存入內(nèi)存，而相應中心頻率的LFM信號脈沖的生成需要將標準LFM信號和跳頻正弦信號相乗， /?'(/) =ル靜_ -e帥 s=l, 2，...，N 公式(2) 其中N為每ー幀跳頻數(shù)，fs為相應時隙對應的中心頻率頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于:調(diào)頻編碼之后，內(nèi)存中的零符號和非零合并符號分別對應為空載波和相應的LFM信號載波；脈位編碼將內(nèi)存中的載波信息變?yōu)榫唧w的由LFM信號脈沖和空信號組成的聲信息序列；給每個符號按順序分配時隙，每個時隙根據(jù)內(nèi)存中的符號和載波信息，填充空信號或者相應的LFM信號脈沖；LFM信號脈沖或者空信號的持續(xù)時間與時隙的時間長度相同；內(nèi)存中零符號對應的時隙不填充任何信息，即填充空信號，而非零合并符號的時隙則填充相應的LFM信號脈沖，具體包括: 1)順序檢測內(nèi)存中信源整合后的數(shù)據(jù)，若為零符號，則在相應時隙不做添加并繼續(xù)搜索，若為非零合并符號則進入下一歩； 2)在非零合并符號Ai的時隙位置添加相應跳頻中心頻率的LFM信號，從內(nèi)存中取出其對應的標準LFM信號以及與添加時隙對應的跳頻正弦信號，按式(2)的方法產(chǎn)生相應的LFM信號脈沖并填充該時隙； 循環(huán)上述步驟I)和2)，若每ー幀的跳頻數(shù)是N，則ー幀內(nèi)有N個時隙，取內(nèi)存中的每N個符號數(shù)據(jù)作為ー幀；所述非零合并符號對應的LFM信號滿足以下兩個條件: a:LFM信號脈沖的中心頻率為通信系統(tǒng)中幀內(nèi)相應時隙所設定的中心頻率； b =LFM信號的調(diào)頻斜率與信源整合后內(nèi)存中符號對應，承載相應的信息。 上述條件a在脈位編碼過程中匹配，條件b則在調(diào)頻編碼過程中進行匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于還包括添加幀頭:脈位編碼后，根據(jù)水聲信道的不同，每一段信息前都加上幀頭數(shù)據(jù)，用作接收時的多普勒頻移估計以及時間同步；水聲信道越穩(wěn)定，幀頭數(shù)據(jù)后的幀數(shù)越多；幀頭數(shù)據(jù)采用脈沖對形式。脈沖使用自相關性能良好的LFM信號，兩脈沖之間相隔時間為T。，其頻率分別為ら和ら；當水聲信道環(huán)境穩(wěn)定的時候，每個幀頭后的幀數(shù)量較不穩(wěn)定時大，當水聲信道不好時，通過減少幀頭后幀數(shù)的方法適應水下信道的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6任一項所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于信號接收端的解調(diào)方法包括: 若發(fā)送端發(fā)送ー個脈沖信號，記為S (t)，由于多徑的影響，在接收端接收到的信號就是多徑信號的疊加:
M Smi (0 = 21 aMf-h)公式(3)

i=l 其中Ssft (t)是接收到的信號，M是多徑的數(shù)量，ai是每條徑對應的衰減，T ,是每條徑對應的延遲，t是時間變量；單一的脈沖由于多徑干擾變?yōu)榱硕鄠€脈沖，若水聲信道模型記為g(t)，當多徑有M條的時候，信道模型表示為

A/ 神)=2^,鄭D公式⑷

/=I 若此時有信號f(t)，即發(fā)送端 信號進入此水下信道，則接收端接收到:
S(t) 二 g{t) * f? (t) + n(0 二- rf.) * ftt (t) + n(t)


i=l 其中g(shù)(t)是水聲信道，fn(t)是振蕩器發(fā)射的聲信號，n(t)是環(huán)境噪聲等造成的高斯白噪聲。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的ー種基于線性調(diào)頻信號的跳頻脈位編碼水聲通信方法，其特征在于信號接收端的解調(diào)具體包括如下步驟: 步驟一，接收端接收信道傳來的信號，并且根據(jù)幀頭數(shù)據(jù)進行時間同步和多普勒頻移估計；時間同步時對接收到的信號脈沖分別使用與發(fā)送端幀頭頻率設定相同的頻率為fcl和ら的LFM信號進行相關，得到兩個相關輸出的脈沖位置，其時間間隔記為T。'，若TcZ =T。，則視為同步成功；同時利用兩脈沖頻率的變化估計出多普勒頻移，使用多普勒頻移估計的數(shù)據(jù)對后續(xù)信號進行頻率補償； 步驟二，補償后的信號通過相應的跳頻濾波器濾除多徑干擾；所述跳頻濾波器指的是ー組中心頻率互相不同且與通信系統(tǒng)設置的跳頻頻率一一對應的濾波器，這些濾波器隨著時間的不同依次進入工作狀態(tài)，并且每ー濾波器的工作時間對應ー個時隙的時間長度，其濾波中心頻率與該時隙設定的中心頻率相同； 經(jīng)過所述時間同步階段，接收到的信號每個時隙都將對應相應的跳頻濾波器，其中心頻率與該時隙原始信號的中心頻率相同；而接收端接收到的時隙信息是主徑時隙信號和多徑其他時隙信號的疊加，這些干擾信號的中心頻率與主徑信號的中心頻率不同，如式(5)所示；信號經(jīng)過跳頻濾波器，相應的跳頻濾波器表示為hs(t)，其中s=l，2，…，N ; 若濾波后的信號記為y(t)， y(t)=s(t)*hs(t)公式(6) 使用跳頻濾波器將多徑信號消除后， y(t) =B-fn' (t-T )+n(t)*hs(t) 公式(7); 步驟三，對處理后的數(shù)據(jù)解碼，通過脈位解碼和調(diào)頻解碼從信號中提取發(fā)送信息，具體包括: (1)脈位解碼:捜索有脈沖的時隙，該時隙對應符號為Ai,此時不清楚符號本身承載的數(shù)據(jù)；其中沒有脈沖的時隙直接對應零符號； (2)線性調(diào)頻信號調(diào)頻斜率解碼:使用數(shù)字信號處理方法，求出線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率，確定符號Ai ； (3)符號與二進制碼流轉(zhuǎn)換:通過上述(I)和(2)得到一串符號，包括零符號和非零合并符號；零符號直接對應O位，而非零合并符號則根據(jù)通信系統(tǒng)設定的值對應出相應的二進制碼。
【文檔編號】H04B1/10GK103501201SQ201310396329
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】寧更新, 張華昱, 季飛 申請人:華南理工大學