一種基于參量陣的差分Pattern時延差編碼水聲通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是水聲通信領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于參量陣的差分化ttern時延差 編碼水聲通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 差分化ttern時延差編碼通信值PD巧屬于脈位編碼，利用相鄰碼元的時間差值攜 帶信息，相比于化ttern時延差編碼水聲通信方法，差分化ttern時延差編碼水聲通信技術(shù) 有效繼承了Pattern時延差編碼水聲通信體制抗多途擴展的能力，此外還有效的提高了通 信速率，具有更好的抗多普勒的能力。傳統(tǒng)的差分化ttern時延差編碼水聲通信方法，采用 傳統(tǒng)發(fā)射換能器福射聲波，為獲得較遠的通信距離需選用低頻段進行通信，此時可用帶寬 就會變得很窄嚴(yán)重限制了通信速率，為此本發(fā)明旨在結(jié)合差分化ttern時延差編碼體制， 尋求更為有效的發(fā)射方式。
[0003] 參量陣發(fā)射利用兩列聲波的非線性作用產(chǎn)生的差頻波，可在較低的頻段獲得較寬 的寬帶，同時具有與原頻波相近的窄波束指向特性。基于上述特性，參量陣在掩埋物探測、 地聲反演W及港口警戒等領(lǐng)域得到了將為廣泛的應(yīng)用。參量陣產(chǎn)生的寬帶低頻波可同時兼 顧了水聲通信對通信距離與通信速率的需求，窄指向性又有效抑制了水聲信道多徑傳輸特 性，同時在一定程度上實現(xiàn)了通信的保密。因此參量發(fā)射在水聲通信中具有良好的前景。
[0004] 與本發(fā)明最為接近公開報道的文獻有兩篇；1)哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院趙 安邦教授與2015年3月在吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）發(fā)表名為《基于參量陣OFDM編碼的水 聲通信》一文。文中基于OFDM水聲通信信號的特點提出了與之相適應(yīng)的參量發(fā)射技術(shù)，文 中借鑒單邊帶調(diào)制的思路實現(xiàn)了將傳統(tǒng)待發(fā)射的OFDM信號調(diào)制與高頻載波上，之后送入 參量陣向水中福射。與文獻不同，本發(fā)明采用了差分化ttern時延差編碼水聲通信體制，針 對該體制的特點，在信號編碼前進行參量預(yù)調(diào)制，得到Pattern碼信號，之后再進行信息調(diào) 審IJ、帖成型并通過功率放大送入?yún)⒘筷囅蛩懈Ｉ?，相比較而言本發(fā)明的方法在計算量W 及通信距離等方面更具優(yōu)勢。2)發(fā)明人之前發(fā)表的關(guān)于差分化ttern時延差編碼水聲通信 的文章。本發(fā)明在前面研究的基礎(chǔ)上，對化ttern碼的生成方式化及通信的發(fā)送方式進行 了改進，本發(fā)明的方法在抗多途擴展、通信速率W及通信距離等方面更具優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于參量發(fā)射的差分化ttern時延差編碼水聲通信 方法，該方法可實現(xiàn)中等通信速率的穩(wěn)健定向水聲通信。
[0006] 本發(fā)明是該樣實現(xiàn)的：
[0007] 在發(fā)射端：
[000引 （1. 1)采用參量預(yù)調(diào)制產(chǎn)生預(yù)成化ttern碼信號W及預(yù)成同步信號，其中預(yù)成 Pattern碼信號生成一組供差分時延差調(diào)制調(diào)用；
[0009] (1. 2)信源信息首先經(jīng)過信道編碼，后將編碼信息量化映射為時延值，將該時延值 調(diào)制于預(yù)成化ttern碼之間的時延差上，當(dāng)通信信號長度達到一帖時，將該帖信號打包添 加預(yù)成同步信號；
[0010] (1. 3)將上述信號經(jīng)過功率放大后通過參量陣發(fā)射；
[0011] 在接收端：
[0012] (2. 1)首先使用水聽器接收水中差頻波信號，經(jīng)過相適配的帶通濾波放大，送至后 續(xù)處理單元.
[001引 （2. 2)利用拷貝相關(guān)器或匹配濾波器檢測同步信號，利用同步信號檢測其相關(guān)峰 判決信號到來的時刻，該時刻即為后續(xù)信息碼元中第一個碼元解碼的時間基準(zhǔn)；
[0014] (2. 3)每帖信號的第一個碼元W帖同步提供的時間基準(zhǔn)為依據(jù)，利用拷貝相關(guān)器 或匹配濾波器檢測第一個碼元中Pattern碼相對于同步信號的時延值，完成第一個碼元信 息解調(diào)；
[00巧](2.4)后續(xù)碼元依次W前一碼元化ttern碼后延對應(yīng)時刻為基準(zhǔn)，利用本地Pattern碼進行拷貝相關(guān)檢測當(dāng)前碼元化ttern碼與前一碼元化ttern碼之間的時延差值， 進而完成f目息解調(diào)；
[0016] (2. W對解調(diào)得到的信息進行信道解碼，最后送至信宿。
[0017] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0018] 參量發(fā)射產(chǎn)生的低頻寬帶聲波，低頻聲波保證了水聲通信的距離，寬帶特性兼顧 了水聲通信的速率。參量發(fā)射產(chǎn)生的差頻聲波與原頻波相似的窄指向特性，宅指向特性可 減小聲波在界面反射的次數(shù)，進而在一定程度上抑制了多途擴展帶來的碼間干擾。另外，參 量陣差頻波窄指向性特性減小了發(fā)射結(jié)點暴露的風(fēng)險，提高了通信的隱蔽性與保密性。差 分化ttern時延差編碼水聲通信體制W相鄰碼元時間差值攜帶信息，不存在由相對運動產(chǎn) 生時間漂移的累積，具有較好的抗多普勒的能力。
【附圖說明】
[0019] 圖1為發(fā)射端編碼原理框圖；
[0020] 圖2為接收端解碼原理框圖；
[0021] 圖3為參量發(fā)射對LFM信號的影響；
[0022] 圖4為普通發(fā)射方式與參量發(fā)射方式對應(yīng)聲線圖；
[0023] 圖5為普通發(fā)射方式與參量發(fā)射方式對應(yīng)信道沖激響應(yīng)函數(shù)；
[0024] 圖6為6曲Z中屯、頻率4曲Z帶寬DPDS解碼示意圖；
[002引 圖7為10曲Z中屯、頻率4曲Z帶寬DPDS解碼示意圖；
[0026] 圖8為10曲Z中屯、頻率8曲Z帶寬DPDS解碼示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[002引本發(fā)明提供的是一種基于參量陣的差分化ttern時延差編碼水聲通信方法。本 發(fā)明屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域。參量陣發(fā)射利用兩列聲波的非線性作用可產(chǎn)生低頻、寬帶窄 指向性的差頻聲波，結(jié)合差分化ttern時延差編碼體制可實現(xiàn)穩(wěn)健的水聲通信，通過理論 分析、仿真研究W及外場試驗，驗證了上述方法的可行性與有效性。在進一步研究的基礎(chǔ) 上，該方法可有效的應(yīng)用于工程實踐。參量發(fā)射可產(chǎn)生低頻、寬帶窄指向性的聲波，低頻寬 帶兼顧了通信速率與通信距離，窄指向性抑制了水聲信道的多途效應(yīng)，上述特性結(jié)合差分 Pattern時延差編碼水聲通信體制可實現(xiàn)穩(wěn)健的水聲通信，該方法適用于對穩(wěn)健性要求較 高、中等通信速率的應(yīng)用場景。
[0029] 在發(fā)射端；
[0030] (1)采用參量預(yù)調(diào)制產(chǎn)生預(yù)成化ttern碼信號W及預(yù)成同步信號，其中預(yù)成的 Pattern碼信號可生成一組供差分時延差調(diào)制調(diào)用，預(yù)成化ttern碼經(jīng)參量陣發(fā)射得到的 信號具有強自相關(guān)性與弱互相關(guān)性，用來減小相鄰碼元間的碼間干擾；
[0031] (2)信源信息首先經(jīng)過信道編碼，后將編碼信息量化映射為時延值，將該時延值調(diào) 制于預(yù)成化ttern碼之間的時延差上，當(dāng)通信信號長度達到一帖的要求時，將該帖信號打 包添加預(yù)成同步信號；
[0032] (3)將上述信號經(jīng)過功率放大后通過參量陣發(fā)射。
[0033] 在接收端；
[0034] (1)首先使用水聽器接收水中差頻波信號，經(jīng)過與之相適配的帶通濾波放大，送至 后續(xù)處理單元。
[0035] (2)利用拷貝相關(guān)器（匹配濾波器）檢測同步信號，利用同步信號的優(yōu)良的自相關(guān) 性檢測其相關(guān)峰判決信號到來的時刻，該時刻即為后續(xù)信息碼元中第一個碼元解碼的時間 基準(zhǔn)；
[0036] (3)每帖信號的第一個碼元W帖同步提供的時間基準(zhǔn)為依據(jù)，利用拷貝相關(guān)器 (匹配濾波器）檢測第一個碼元中化ttern碼相對于同步信號的時延值，完成第一個碼元信 息解調(diào)。
[0037] (4)后續(xù)碼元依次W前一碼元化ttern碼后延對應(yīng)時刻為基準(zhǔn)，利用本地化ttern 碼進行拷貝相關(guān)檢測當(dāng)前碼元化ttern碼與前一碼元化ttern碼之間的時延差值，進而完 成信息解調(diào)。
[003引 （5)對解調(diào)得到的信息進行信道解碼，最后送至信宿。
[0039] 作為本發(fā)明的一種較佳實施例，Pattern碼信號W及同步信號均采用線性調(diào)頻 (LFM)信號，為更有效地抗水聲信道多途干擾，可采用正負(fù)調(diào)頻的LFM信號充當(dāng)相鄰碼元 的化ttern碼，W實現(xiàn)碼元分割。假設(shè)通信系統(tǒng)帶寬為B=fh-fi，其中fh為上限頻率， fi為下限頻率，預(yù)期得到的LFM信號脈寬為T，調(diào)頻斜率為k=B/T=(fh-fi)/T，預(yù)期得 到的正調(diào)頻LFM信號表達式為cos(2 31fit+ 31kt2)，預(yù)期得到的負(fù)調(diào)頻LFM信號表達式為 cos(2 31fht- 31kt2)。由于采用參量陣進行發(fā)射，故在發(fā)送端編碼用的化ttern碼需要進行 參量預(yù)調(diào)制，對于正調(diào)頻LFM信號而言參量預(yù)調(diào)制形式為；cosOfit+ 31kt2/2)cos(?pt)， 對于負(fù)調(diào)頻LFM信號而言參量預(yù)調(diào)制形式為；cos〇fht-31kt2/2)cosOpt)，其中為適 用于參量陣的高頻載波，相關(guān)具體原理見其他說明。
[0040] 圖1為參量陣差分化ttern時延差編碼水聲通信方法發(fā)射端編碼原理框圖，作為 本發(fā)明的一種較佳實施例，待發(fā)送的信息首先按照4bit進行量化得到每4bit對應(yīng)的時延 差值，然后將該差值調(diào)制在當(dāng)前化ttern碼與前一化ttern碼之間的時延上。其中當(dāng)i為 奇數(shù)時采用參量預(yù)調(diào)制生成的正調(diào)頻LFM信號作為化ttern碼，記為LFM+，當(dāng)i為偶數(shù)時采 用參量預(yù)調(diào)制生成的負(fù)調(diào)頻LFM信號作為化ttern碼，記為LFM-。當(dāng)編碼后的碼元個數(shù)達 到預(yù)設(shè)帖長度時，將其打包成帖，添加同步信號，之后送入?yún)⒘筷囅蛩懈Ｉ洹?br>[0041] 2作為本發(fā)明的一種較佳的實施例，接收端實現(xiàn)方法如下：
[0042]作為本發(fā)明的一種較佳的實施例，接收端采用標(biāo)準(zhǔn)水聽器進行差頻信號的接收。 如圖2所示為接收端原理框圖，由于采用了采樣發(fā)射，發(fā)射端信號頻帶在高頻段（中屯、頻率 為fp)，由于聲波在水中傳播