本發(fā)明涉及水聲通信方法，特別是涉及一種利用海豚通信信號(hào)調(diào)頻調(diào)制的仿生通信方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的隱蔽水聲通信技術(shù)，如擴(kuò)頻、多載波調(diào)制等，都通過(guò)將信號(hào)能量擴(kuò)展到相對(duì)較寬的頻帶上，以降低單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率，從而降低信號(hào)被截獲或檢測(cè)的概率。但長(zhǎng)時(shí)間的積分還是能探測(cè)出通信信號(hào)的存在，并且降低發(fā)射功率的同時(shí)也限制了通信的距離。而仿生水聲通信將真實(shí)或模擬的海洋哺乳動(dòng)物聲信號(hào)應(yīng)用于水聲通信中，在被截獲或檢測(cè)后被當(dāng)作海洋生物噪聲而得以排除，從而實(shí)現(xiàn)隱蔽通信的效果。([1]劉凇佐,劉冰潔,尹艷玲等.M元仿海豚叫聲隱蔽水聲通信[J],哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(1):119-125；[2]劉凇佐,喬鋼,尹艷玲.一種利用海豚叫聲的仿生水聲通信方法[J],物理學(xué)報(bào),2013,62(14):144303-144303.)

現(xiàn)有的仿生水聲通信方法多通過(guò)海豚聲信號(hào)的時(shí)延差攜帶信息得以實(shí)現(xiàn)，在通信系統(tǒng)中需加入信道估計(jì)、信道均衡等模塊以消除信道對(duì)接收信號(hào)的影響。而本發(fā)明通過(guò)模擬六種海豚通信信號(hào)，調(diào)整調(diào)頻參數(shù)，生成不同類(lèi)型的正弦調(diào)頻信號(hào)，接收端節(jié)省了信道均衡開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)該方法能夠在有限的頻帶范圍內(nèi)生成多種不同類(lèi)型、不同調(diào)頻參數(shù)的正弦調(diào)頻信號(hào)，可在一定程度上提高通信的頻帶利用率。([3]韓笑,殷敬偉,郭龍祥等.基于差分Pattern時(shí)延差編碼和海豚whistles信號(hào)的仿生水聲通信技術(shù)研究[J],物理學(xué)報(bào),2013,62(22):224301-224301.)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可的海豚信號(hào)分類(lèi)方法是美國(guó)學(xué)者Lilly和Miller在1961年所提出的分類(lèi)方法，即根據(jù)信號(hào)用途與形式的不同，將海豚信號(hào)分為三大類(lèi)：回聲定位信號(hào)(click)、通信信號(hào)(whistle)和應(yīng)急突發(fā)信號(hào)(burst pulses)。1997年Bazue-Duran又根據(jù)信號(hào)時(shí)頻分布的不同，將海豚通信信號(hào)分為：凹型信號(hào)(concave or valley)、凸型信號(hào)(convex or hill)、上掃頻類(lèi)型信號(hào)(upsweep)、下掃頻類(lèi)型信號(hào)(down sweep)、正弦型信號(hào)(sinusoidal or multiple)、類(lèi)單頻信號(hào)(constant frequency)。在此基礎(chǔ)上，可把六種海豚通信信號(hào)的時(shí)頻分布看做正弦信號(hào)在不同中心頻率、不同調(diào)制帶寬、不同調(diào)制周期和調(diào)制相位下的體現(xiàn)，利用數(shù)學(xué)手段模擬出海豚通信信號(hào)時(shí)頻分布的統(tǒng)一模型，并以此為基礎(chǔ)生成調(diào)制信號(hào)波形樣本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種利用海豚通信信號(hào)調(diào)頻調(diào)制的仿生通信方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)仿照海豚通信信號(hào)的6種類(lèi)型，設(shè)定包含碼元周期T、中心頻率fc_j、調(diào)制帶寬B_k、調(diào)制周期數(shù)q_m和調(diào)制相位φ_m的參數(shù)組，參數(shù)組中的元素個(gè)數(shù)為2ⁿ，n為正整數(shù)，且2ⁿ≤6N_fN_B；其中，1≤j≤N_f，N_f為中心頻率數(shù)；1≤k≤N_B，N_B為調(diào)制帶寬數(shù)；1≤m≤6；

2)根據(jù)步驟1)的參數(shù)組生成2ⁿ個(gè)調(diào)制信號(hào)波形樣本對(duì)應(yīng)的頻率變化函數(shù)f_i(t)，其中，1≤i≤2ⁿ：

其中，B_k、q_m和φ_m的取值與所選海豚通信信號(hào)的類(lèi)型有關(guān)，即：

凹形信號(hào)：q₁＝2，φ₁＝π/2；

凸型信號(hào)：q₂＝2，φ₂＝-π/2；

上掃頻信號(hào)：q₃＝4，φ₃＝-π或-π/2；

下掃頻信號(hào)：q₄＝4，φ₄＝0或π/2；

正弦型信號(hào)：q₅＝1，φ₅＝-π/2；

類(lèi)單頻信號(hào)：B_k＝0，q₆、φ₆取值任意。

3)根據(jù)步驟2)的頻率變化函數(shù)f_i(t)生成2ⁿ個(gè)調(diào)制信號(hào)波形樣本s_i(t)：

其中，f_i(t)積分后忽略了常數(shù)項(xiàng)，即令該常數(shù)項(xiàng)為0。

4)根據(jù)二進(jìn)制信息碼元和調(diào)制信號(hào)波形樣本間的映射關(guān)系，生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)，并作數(shù)模轉(zhuǎn)換生成模擬調(diào)制信號(hào)；

5)待所有二進(jìn)制信息調(diào)制結(jié)束后，完成調(diào)制過(guò)程。

與現(xiàn)有仿海豚通信信號(hào)的水聲通信方法相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)模擬海洋中真實(shí)存在的動(dòng)物信號(hào)用于水聲通信，實(shí)現(xiàn)良好的仿生隱蔽通信。

(2)與現(xiàn)有仿海豚通信信號(hào)的水聲通信方法相比,該方法能夠在有限的頻帶范圍內(nèi)生成多種不同類(lèi)型、不同調(diào)頻參數(shù)的正弦調(diào)頻信號(hào)，可在一定程度上提高通信的頻帶利用率。

(3)本發(fā)明所述方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，接收端不需要作信道估計(jì)、信道均衡等計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

附圖說(shuō)明

圖1為模擬海豚通信信號(hào)時(shí)頻分布的統(tǒng)一模型；

圖2為模擬海豚通信信號(hào)的凹型信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖3為模擬海豚通信信號(hào)的凸型信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖4為模擬海豚通信信號(hào)的上掃頻信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖5為模擬海豚通信信號(hào)的下掃頻信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖6為模擬海豚通信信號(hào)的正弦型信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖7為模擬海豚通信信號(hào)的類(lèi)單頻信號(hào)的時(shí)頻分布；

圖8為廈門(mén)五緣灣水聲信道沖激響應(yīng)；

圖9為仿生通信系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1為模擬海豚通信信號(hào)時(shí)頻分布的統(tǒng)一模型。海豚通信信號(hào)的6種類(lèi)型：凹型信號(hào)、凸型信號(hào)、上掃頻信號(hào)、下掃頻信號(hào)、正弦型信號(hào)、類(lèi)單頻信號(hào)。它們可看做正弦信號(hào)在不同中心頻率、不同調(diào)制帶寬、不同調(diào)制周期和調(diào)制相位下的體現(xiàn)，因此可以利用數(shù)學(xué)手段模擬出海豚通信信號(hào)時(shí)頻分布的統(tǒng)一模型。

圖2～7為通過(guò)統(tǒng)一模型生成的6種模擬海豚通信信號(hào)的時(shí)頻分布，即凹型信號(hào)、凸型信號(hào)、上掃頻信號(hào)、下掃頻信號(hào)、正弦型信號(hào)和類(lèi)單頻信號(hào)。設(shè)定包含碼元周期T、中心頻率fc_j(1≤j≤11)、調(diào)制帶寬B_k(1≤k≤2)、調(diào)制周期數(shù)q_m(1≤m≤6)、調(diào)制相位φ_m的參數(shù)組，參數(shù)組中的元素個(gè)數(shù)為64。根據(jù)該參數(shù)組生成64個(gè)調(diào)制信號(hào)波形樣本對(duì)應(yīng)的頻率變化函數(shù)f_i(t)(1≤i≤64)：

其中，T＝0.1s，fc_j＝(12.5+0.5j)kHz(1≤j≤11)，B_k、q_m和φ_m的取值與所選海豚通信信號(hào)的類(lèi)型有關(guān)，即：

凹型信號(hào)：B₁＝0.5kHz，q₁＝2，φ₁＝π/2；

凸型信號(hào)：B₁＝0.5kHz，q₂＝2，φ₂＝-π/2；

上掃頻信號(hào)：B₁＝0.5kHz，q₃＝4，φ₃＝-π；

下掃頻信號(hào)：B₁＝0.5kHz，q₄＝4，φ₄＝0；

正弦型信號(hào)：B₁＝0.5kHz，q₅＝1，φ₅＝-π/2；

類(lèi)單頻信號(hào)：B₂＝0，q₆、φ₆取值任意。

根據(jù)生成的頻率變化函數(shù)f_i(t)生成64個(gè)調(diào)制信號(hào)波形樣本s_i(t)：

其中，f_i(t)積分后忽略了常數(shù)項(xiàng)，即令該常數(shù)項(xiàng)為0。

根據(jù)二進(jìn)制信息碼元和調(diào)制信號(hào)波形樣本間的映射關(guān)系，生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)，并作數(shù)模轉(zhuǎn)換生成模擬調(diào)制信號(hào)；待所有二進(jìn)制信息調(diào)制結(jié)束后，完成調(diào)制過(guò)程。解調(diào)通過(guò)與本地信號(hào)波形樣本進(jìn)行循環(huán)相關(guān)，比較相關(guān)峰值的大小，輸出解調(diào)信息。

圖8為實(shí)測(cè)的廈門(mén)五緣灣水聲信道沖激響應(yīng)，利用該信道對(duì)該仿生通信方法的穩(wěn)健性進(jìn)行驗(yàn)證。為了模擬實(shí)際通信中的信道影響，

圖9為仿生通信系統(tǒng)的誤碼率曲線圖。仿真的信道為高斯白噪聲信道和廈門(mén)實(shí)測(cè)水聲信道。采樣率為9.6kHz，碼元長(zhǎng)度0.1s，共仿真10000個(gè)碼元。