CN100474798C - 一种用于远程水声通信中的M-ary扩频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种M-ary扩频通信方法，包括：(1)由M个正交扩频编码组成编码集合；(2)M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；(3)从M个扩频信号中选取r个叠加为组合扩频信号，并将该组合扩频信号映射为二进制数据；(4)在通信的发送端，根据要发送的二进制数据流，发送相应的组合扩频信号；(5)在通信的接收端，将接收到的组合扩频信号译码为二进制数据。在本发明中，步骤(1)中编码集合中的正交扩频编码由混沌序列生成，并提供了一种优选的调制方式——混沌调频。本发明可应用于远程水声通信中，并且可以提高远程水声通信的通信速率；提高信号的频谱利用率；灵活地调整通信速率和误码率的关系；提高通信的保密性能，降低截获率。

Description

一种用于远程水声通信中的M-ary扩频通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及用于远程水声通信中的一种M-ary扩频通信方法。

背景技术

一般而言，远程水声通信的距离在20km至200km之间。通信信号经过远距离的传播之后衰减严重，进而导致误码率提高以至无法正常通信。解决这一问题可从两个方面入手：一方面，海水的声吸收系数随频率的提高迅速增加，所以远程水声通信应选用1KHz以下的低频，从而减小传播损失，提高信道稳定性，减小多普勒频移；另一方面，可采用扩频通信技术，获得扩频增益，提高解调信号的信噪比，减小通信的误码率。

常规扩频通信中，发送端仅分配一个扩频编码，这个扩频编码的正相状态与信息数据1相对应，反相状态与信息数据0相对应，发送端使用扩频编码调制载波生成发射信号发出，传送的信息数据实际上是扩频编码的相位状态。在一个扩频编码的时间长度T内，传送两个相位状态中的一个，获得1bit的信息量，通信速率为：

R＝1/T             (1)

由于远程水声通信工作在低频段，所以采用常规的扩频通信技术必然引起通信速率过低，直接影响通信系统的实用性。

为了提高通信速率，可以使用M-ary(M元)扩频通信方式，基本方法是：将正交的M＝2ⁿ个扩频编码组成一个编码集合，分配给发送端，发送端把待发送的n bit信息映射到编码集合的一个特定扩频编码C，调制载波之后发出；接收端在对接收信号解调之后，对编码集合中的M个扩频编码都进行相关解码，由于扩频编码的正交性，只有C码能匹配出通过检测阈的相关峰值，可从C码译码恢复出n bit信息，从而完成了信息的传输。在这种通信方式中，尽管只发射一个扩频编码，但发射信号有M个状态可供选择，在一个扩频编码的时间长度T内，发送的信息量为log₂M，通信速率为：

R＝log₂M/T             (2)

可以看出，与常规扩频通信相比，M-ary扩频通信的通信速率比常规扩频通信的通信速率提高log₂M倍。

如果从M个扩频编码中任意选取r个，分别调制载波并相叠加之后形成组合信号并行发出，这样编码集合扩展至

元，调制之后的发射信号有

个状态可供选择，在一个扩频编码的时间长度T内，发送的信息量为log₂

，通信速率为：

$R={\log }_2{C}_M^r/T---\left(3\right)$

可见，经过信号组合的M-ary扩频通信比常规扩频通信的通信速率提高log₂

倍，所以这是一种提高远程水声通信速率的有效手段。

从式(3)可以看出，若要提高系统的通信速率，问题的关键在于增大M，即寻找大量正交的扩频编码，组成更大的编码集合。M-ary扩频通信中常规的扩频编码主要有m序列、Gold序列和Kasami序列等伪随机编码，它们一般都具有良好的自相关特性和互相关特性；常规扩频编码通过常规调制方式(如二进制相移键控BPSK)调制载波生成常规扩频信号，这些扩频编码和扩频信号有如下缺点：

①常规扩频编码数量有限，这一方面使得M-ary扩频通信方式对通信速率的提高有限，另一方面容易被截获，如果要应用在保密通信中，必须采用复杂的密码算法提高系统的保密性能，这又使得通信系统成本提高，系统复杂，可靠性降低。

②常规扩频信号的功率主要集中在有效频带中间的半带宽之内，还有带外频谱，所以频谱利用率不高，若使用窄带发射换能器还会造成发射信号波形失真。

③常规扩频信号的带宽B和时间长度T相互关联，难以根据实际需要灵活地调整通信速率与误码率的关系。

因此，就需要有一种新的扩频编码，该扩频编码应该具有比常规扩频编码更多的编码数量；还需要有一种适用于该扩频编码的新的调制方式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，利用混沌映射提供一种可获得大量扩频编码的M-ary扩频通信方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于远程水声通信中的M-ary扩频通信方法，包括如下步骤：

(1)由M个正交扩频编码组成编码集合；所述的正交扩频编码为混沌序列，其中，所述的混沌序列由改进的kent映射生成，所述改进的kent映射为：

$k(n+1)=\left\{\begin{array}{cc}\{1-[a-k\left(n\right)]\}/a& -1\&le;k\left(n\right)<2a-1\\ [a-k\left(n\right)]/(1-a)& 2a-1\&le;k\left(n\right)\&le;1\end{array}\right.,---\left(1\right)$

其中，0<a<1，-1≤k(n)≤1；

(2)用M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成调频信号；其中

所述调频信号为：

s(t)＝Acos(ω₀t+B∫c(t)dt)               0≤t≤T                   (2)

其中调制信号c(t)为：

$\begin{array}{cc}c\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{u[t-n{T}_0]-u[t-(n+1)T_0]\}/2& 0\&le;t\&le;T\end{array}---\left(3\right)$

其中，T为s(t)的时间长度，ω₀为中心频率，B为调制指数，k(n)为长度为N的混沌序列，混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T₀＝T/N，u(t)为阶跃函数；r(t)为斜坡函数，是u(t)的积分结果；

首先根据所述改进的kent映射生成混沌序列，其中参数取值为a＝0.65，给定第一个种子k(0)＝10^-6，生成一个混沌序列；

在此基础上，再根据式：

$s\left(t\right)=A\cos \{{\mathrm{\&omega;}}_{0}t+B\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{r[t-n{T}_0]-r[t-(n+1)T_0]\}/2\}$   0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω₀、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω₀小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间；

在第一个种子k(0)＝10^-6的基础上，以Δ＝10^-6为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；

M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10；

(3)从M个正交扩频信号中任意选取r个叠加为组合扩频信号，并将该组合扩频信号映射为一个位的二进制数据，其中1≤r<M，为向下取整符号；

(4)在通信的发送端，根据要发送的二进制数据流，发送相应的组合扩频信号；

(5)在通信的接收端，将接收到的所述组合扩频信号译码为二进制数据。

本发明的优点在于：

①提高了远程水声通信的通信速率；

②提高了信号的频谱利用率；

③可以灵活地调整通信速率和误码率的关系；

④提高了通信的保密性能，降低了截获率。

附图说明

图1是长度511的Kent序列的相关特性，其中(1)为自相关特性，(2)为互相关特性；

图2是长度511的量化Kent序列的相关特性，其中(1)为自相关特性，(2)为互相关特性；

图3是混沌调频信号的相关特性，其中(1)为自相关特性，(2)为互相关特性；

图4是混沌调频信号和常规Gold码扩频通信信号的频谱，其中(1)为混沌调频信号的频谱，(2)为Gold码扩频通信信号的频谱；

图5是混沌调频M-ary水声通信系统组成方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细描述。

在本发明中，要获得一个编码集合，首先要得到本发明所需要的混沌序列。混沌现象是在非线性动态系统中出现的确定性的、类似随机的过程，这种过程非周期，不收敛但有界，并且对初始值(种子)有极其敏感的依赖性。混沌序列的类随机特性非常适合于通信中的伪噪声调制；更重要的是，由于混沌系统对初始值的敏感依赖性，初始值稍有不同，经过多次迭代之后就能产生不相关的序列，所以混沌映射可以提供数量众多、非相关、类随机而又确定可再生的混沌序列。

在本发明的一个实施例中，可对Kent映射加以改进，将它迭代生成的混沌序列运用在水声通信中。

考察改进型的Kent映射：

$k(n+1)=\left\{\begin{array}{cc}\{1-[a-k\left(n\right)]\}/a& -1\&le;k\left(n\right)<2a-1\\ [a-k\left(n\right)]/(1-a)& 2a-1\&le;k\left(n\right)\&le;1\end{array}\right.$  其中0<a<1，-1≤k(n)≤1(4)

改进型的Kent映射所产生的混沌序列的概率密度函数为：

利用Kent混沌序列的概率密度函数可以得到它的统计特性：平均值为0；互相关函数为0；自相关函数R(m)在m＝0时为1/3，m≠0时为0，如果采用归一化形式，则有R(m)在m＝0时为1，m≠0时为0。从统计特性可以看出，Kent混沌序列具有良好的正交性。

在[—1，1]之间优选一组种子k(0)，用(4)式的差分方程迭代产生混沌序列，序列长度511，作相关运算，相关特性如图1所示，其中(1)为该混沌序列的自相关特性，(2)为其互相关特性，从图中可知该混沌序列的自相关旁瓣峰值0.120，互相关峰值0.136。可见混沌序列相关特性优良，并且数量众多，正是由于混沌序列数量众多，还可以进一步优选出相关特性更好的序列集合，所以混沌序列特别适于用在M-ary扩频通信中。

但是，混沌序列和常规扩频序列(例如m序列、Gold序列和Kasami序列)有一个重要的区别：混沌序列不是二元序列，而通常扩频通信需要使用二元序列通过BPSK方式调制载波进行频谱扩展。BPSK简单说来就是：在二元序列为1时发送0相位的载波，为0时发送π相位的载波。在前述的改进型的Kent映射中，可将值域在[—1，1]之间的混沌序列量化成二元序列，即将原混沌序列中小于0的值量化为0，大于等于0的值量化为1，形成新的量化混沌序列。将上述的混沌序列进行量化处理得到2个量化混沌序列，作相关运算，相关特性如图2所示，其中(1)为该量化混沌序列的自相关特性，(2)为其互相关特性，从图中可知该量化混沌序列的自相关旁瓣峰值0.123，互相关峰值0.141。

在混沌序列量化为二元序列之后，即可将其作为扩频编码而应用于常规的M-ary扩频通信中。例如，使用该量化的混沌序列通过BPSK方式调制载波进行频谱扩展。

但是，比较量化处理前后的混沌序列，发现量化混沌序列的自相关旁瓣峰值和互相关峰值比量化前稍有增大，这是因为量化过程降低了混沌序列的类随机性，也就不能充分保持原混沌序列的良好相关性能了，在用于水声通信时，会造成码间干扰增强。

为了充分利用原混沌序列的良好相关性能，本发明提出一种优选的调制方式——混沌调频。在这里，混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上，而不再对混沌序列进行量化处理。混沌调频详细描述如下：

混沌调频信号的表达式为：

s(t)＝Acos(ω₀t+B∫c(t)dt)                 0≤t≤T              (6)

混沌调频信号瞬时频率的表达式为：

ω(t)＝ω₀+Bc(t)                        0≤t≤T             (7)

其中，T为s(t)的时间长度，ω₀为中心频率，B为调制指数，此处为调频信号带宽，c(t)为调制信号。

k(n)(n＝0，…，N-1)为混沌序列，例如前述的kent混沌序列，其长度为N。混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T₀＝T/N，则调制信号c(t)的表达式为：

$\begin{array}{cc}c\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{u[t-n{T}_0]-u[t-(n+1)T_0]\}/2& 0\&le;t\&le;T\end{array}---\left(8\right)$

代入式(6)和(7)得：

$\begin{array}{cc}s\left(t\right)=A\cos \{{\mathrm{\&omega;}}_{0}t+B\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{r[t-n{T}_0]-r[t-(n+1)T_0]\}/2\}& 0\&le;t\&le;T\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{cc}\mathrm{\&omega;}\left(t\right)={\mathrm{\&omega;}}_0+B\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{u[t-n{T}_0]-u[t-(n+1)T_0]\}/2& 0\&le;t\&le;T\end{array}---\left(10\right)$

其中，u(t)为阶跃函数，r(t)为斜坡函数，是u(t)的积分结果。

仍采用上述优选的种子，产生一组混沌调频信号，作相关运算，相关特性如图3所示，其中(1)为该组混沌调频信号的自相关特性，(2)为其互相关特性，从图中可知该组混沌调频信号的自相关包络旁瓣峰值0.114，互相关峰值0.112。

由图3可以看出，混沌调频信号相关性能很好，可用于M-ary通信方式；进一步研究易于发现，增加调制指数B(带宽)，互相关峰值会降低，这是因为带宽增加，混沌调频信号跳变的频点更加分散，随机性增强；增加混沌调频信号的时间长度T，互相关峰值也会降低，这是因为系统获得了时间增益。

下面比较一下上述混沌调频信号和常规Gold码扩频通信信号的频谱，如图4所示，其中(1)为混沌调频信号的频谱，(2)为Gold码扩频通信信号的频谱。可见混沌调频信号的频谱严格地集中于有效频带之内，几乎没有带外频谱，谱线呈均匀分布，充分的利用了整个频带；而Gold码扩频通信信号的功率主要集中在有效频带中间的半带宽之内，还有带外频谱，所以频谱利用率不高；若使用窄带发射换能器还会造成发射信号波形失真。

混沌调频信号的另一优良特性是：调制指数B和时间长度T互不影响，容易实现独立、连续地调整，通过合理地控制B和T，可以方便地调整通信速率和误码率，在保持一定的误码率的前提下，能以信道容量允许的最大速率实现通信。而常规的Gold码扩频通信信号就不同了，设Gold码阶数n，周期N＝2ⁿ—1，用BPSK方式实现频谱扩展，扩频带宽B，信号长度T，则在工程计算上有：N＝BT；显然Gold码的N并不是连续变化的，当阶数n增加1时，周期N增加约一倍；若保持带宽B不变，则信号长度T增加约一倍，M-ary通信方式的通信速率降低约一倍；若保持信号长度T不变，则带宽B增加约一倍，而通常远程水声通信使用的低频换能器带宽资源极为有限，增加带宽较难实现。

研究表明，采用混沌调频信号的突出优点在于混沌序列的非二元性，这种非二元模拟实值序列有无穷多个状态，相当于密钥量无穷大，理论上从有限长度的混沌调频信号无法推导出系统的初始条件和参数，也就不可能破译出通信用的混沌模拟实值序列，从而实现了保密通信；但是，由于混沌模拟实值序列在传输过程中有无穷多个状态，通常的通信方式难以准确实现，而混沌调频M-ary通信方式却能轻易地实现这一突出优点，从而降低了通信的被截获率(LPI)。另外，混沌调频信号的产生不需要复杂的设备，只需一个混沌映射模型和初始条件就可以确定产生，因此混沌保密通信系统成本较低，可靠性高。

另外，混沌调频M-ary通信方式继承了常规扩频通信的一些优点：抗干扰能力和抗多途能力强，隐蔽性好，可以实现码分多址(CDMA)通信。

图5示出了依照本发明的M-ary水声通信系统组成方框图。该系统中的信号处理部分一般来说可用软件控制DSP芯片来实现。下面参见图5，按照扩频通信的信号走向分步骤来进一步详细描述本发明。

①在发射端，由混沌序列K₁～K_M控制载波预先生成M个混沌调频信号，组成信号集合。具体方法是：

首先根据式(4)生成混沌序列，其中参数常规取值为a＝0.65，给定第一个种子k(0)＝10^-6，生成一个混沌序列；

在此基础上，再根据式(9)的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω₀、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离灵活调整，常规取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω₀小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间。

在第一个种子的基础上，以Δ＝10^-6为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，即组成了信号集合。

M常规取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的常规取值为1～10。

在这里为了更清楚的描述本发明，以M＝8、r＝2为例来说明本发明的方法，应当理解，这里M的取值只是为了有助于理解本发明，而并不代表本发明在实际应用时的实际取值，事实上如前所述，M的常规取值应为512～4096。将信号集合中的信号编号为C_i(i＝1～8)。因此，一次发射的信息量理论上为log₂ $C_8^2=4.8\mathrm{bit},$ 通过向下取整实际取值4bit，于是可以得到一种二进制数据流与组合信号的映射关系，如表1所示。

表1

 

数据流	信号组合	数据流	信号组合
				0000	C1+C2	1000	C2+C4
0001	C1+C3	1001	C2+C5
				0010	C1+C4	1010	C2+C6
0011	C1+C5	1011	C2+C7
				0100	C1+C6	1100	C2+C8
0101	C1+C7	1101	C3+C4
				0110	C1+C8	1110	C3+C5
0111	C2+C3	1111	C3+C6

②信源数据先经过常规信源编码(如哈夫曼编码)去除冗余信息，再经过常规信道编码(如卷积码)减小系统的误码率，然后得到编码数据流。本例使用的编码数据流为1010。

③将编码数据流输入编码选择器。按照M-ary扩频通信方式，根据二进制数据流与组合信号的映射关系，编码数据流1010映射到混沌调频信号集合中的r(＝2)个信号C2与C6的组合，编码选择器从信号集合中取出这2个混沌调频信号，与同步混沌调频信号叠加在一起，通过功率放大后由换能器发出。

④在接收端，将水听器阵接收到的多路模拟信号进行滤波、放大、采集之后得到多路数字信号。

⑤波束形成器接收多路数字信号，完成对发射端进行的搜索、测向、跟踪，并对多路数字信号进行对准发射方向的信号合成，取得系统的空间增益，得到合成数字信号。

⑥信道均衡器接收合成数字信号，对其进行信道均衡处理，减小或去除水声信道时变、空变和多途效应的影响，然后输出预处理信号。

⑦同步器接收预处理信号，同步结果送波束形成器以形成闭合反馈环路，如果系统没有取得同步，波束形成器能够进行新的搜索；如果取得同步，则将预处理信号送至相关解调器，与M(＝8)个原始混沌调频拷贝信号进行相关解调。由于混沌调频信号两两正交，所以解调结果中只有与C2，C6的相关结果出现尖峰信号，与其它混沌调频拷贝信号的相关结果呈现噪声状态。

⑧解调结果输出到最大相关值判决器，检测阈值取值范围10dB～20dB，可以判决出r(＝2)个最大可能的混沌调频信号C2，C6。

⑨依照M-ary解码方式，根据二进制数据流与组合信号的映射关系，从r(＝2)个判决结果C2，C6可以恢复出解码数据流，即1010，可见，在无误码时它等同于发射端的编码数据流。

⑩解码数据流经常规信道译码(如Viterbi算法)、信源译码之后得到最终的通信信息。信宿接收最终的通信信息，通过视听设备送给使用人员，或通过输出信号链路传送给其它设备进行处理。

Claims (1)

1、一种用于远程水声通信中的M-ary扩频通信方法，包括如下步骤：

(1)由M个正交扩频编码组成编码集合；所述的正交扩频编码为混沌序列，其中，所述的混沌序列由改进的kent映射生成，所述改进的kent映射为：

$k(n+1)=\left\{\begin{array}{cc}\{1-[a-k\left(n\right)]\}/a& -1\&le;k\left(n\right)<2a-1\\ [a-k\left(n\right)]/(1-a)& 2a-1\&le;k\left(n\right)\&le;1\end{array}\right.,$

其中，0<a<1，-1≤k(n)≤1；

(2)用M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成调频信号；其中

所述调频信号为：

s(t)＝Acos(ω₀t+B∫c(t)dt)         0≤t≤T

其中调制信号c(t)为：

$\begin{array}{cc}c\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{u[t-{\mathrm{nT}}_0]-u[t-(n+1)T_0]\}/2& 0\&le;t\&le;T;\end{array}$

其中，T为s(t)的时间长度，ω₀为中心频率，B为调制指数，k(n)为长度为N的混沌序列，混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T₀＝T/N，u(t)为阶跃函数；r(t)为斜坡函数，是u(t)的积分结果；

首先根据所述改进的kent映射生成混沌序列，其中参数取值为a＝0.65，给定第一个种子k(0)＝10^-6，生成一个混沌序列；

在此基础上，再根据式：

$s\left(t\right)=A\cos \{{\mathrm{\&omega;}}_{0}t+B\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\left(n\right)\{r[t-n{T}_0]-r\left[\text{t-}(n+1)T_0\right]\}/2\}$     0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω₀、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω₀小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间；

在第一个种子k(0)＝10^-6的基础上，以Δ＝10-6为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；

M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10；

(3)从M个正交扩频信号中任意选取r个叠加为组合扩频信号，并将该组合扩频信号映射为一个

位的二进制数据，其中1≤r<M，

为向下取整符号；

(4)在通信的发送端，根据要发送的二进制数据流，发送相应的组合扩频信号；

(5)在通信的接收端，将接收到的所述组合扩频信号译码为二进制数据。

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