CN101079674A - 一种浅海远程水平信道水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅海远程水平信道水声通信方法，属于水声通信技术领域，在发信机端采用扩频通信抗多径干扰，用连续相位频移键控(CPFSK)的调制方式中频率利用率最高的MSK方式解决包络恒定和相位突变问题。使得本发明非常适合远浅海程水平水声信道特点。在收信机端采用相干解扩再低通解调方式，实现了高性能传输。本发明主要优点有：一方面扩频通信在解决多径问题上效果很好；另一方面MSK本身具有很好的频谱特征，适合水声信道。

Description

一种浅海远程水平信道水声通信方法

技术领域

本发明涉及一种浅海远程水平信道水声通信方法，更具体地说，是涉及一种用于浅海远程水平信道水声通信中的一种调制解调方法，属于水声通信技术领域。

背景技术

水声通信系统，按通信距离一般分为短程(＜1公里)，中程(1-20公里)和远程(20-200公里)；按信道特点可分为水平通信和垂直通信及浅海通信和深海通信；按通信调制解调技术可分为非相干通信和相干通信。

水声通信正处于发展阶段。对于浅海远程水平信道水声通信而言，由于信号衰减很大，多径干扰严重，因此传输误码率很高。其中影响最为严重的是多径干扰。解决多径干扰问题有两种途径：一是通过分集技术，收发信机可以采用水声换能器阵方式实现空间分集，另外还可以采用束波方式实现分集发射和接收；二是通过选择抗多径的调制解调方案，如正交频分复用调制(OFDM)技术或扩频调制技术。OFDM技术抗多径能力是目前效果最理想的，但是OFDM自身的缺点并不适合浅海远程水平信道水声通信；由于浅海远程水平信道信号衰减非常大，这就要求发信机使用较大的发射功率，但是OFDM的信号峰均比(PAPR)很大，如果增大信号发射功率就对水声换能器的线性放大范围要求非常苛刻；此外，OFDM抗多径能力大小依赖于子载波数目的多少，子载波数目决定了水声信道频带范围。但是海水对水声的吸收系数随频率提高迅速增加，因此浅海远程水平信道水声通信频率大多在15KHz以下，所以在浅海远程水平信道水声通信中不适用OFDM调制技术。对于扩频通信而言，一方面只要选用合适的射频调制，就可以解决在OFDM中存在的PAPR大的问题。另一方面如果远程水声通信的速率要求不高，可以通过灵活调整处理增益大小实现抗多径干扰目的。因此选择扩频通信，并在此基础上选择适合浅海远程水平信道的射频调制方式是可以实现浅海远程水平信道水声通信低误码传输的。

水声通信射频调制方式发展至今，研究的热点仍旧集中在PSK上，然而不论是BPSK、QPSK信号，其码元交替处载波相位都会发生突变，导致频谱旁瓣很大。经过水声信道带宽严重受限传输，信号包络不再保持恒定。再经非线性电路(水声换能器)，会使频谱扩展。从而严重影响水声通信质量。OQPSK虽然有所改进(消除180度相位突变)，但还是没有从根本上解决包络起伏问题。因此需要一种好的射频调制方式来配合扩频通信实现性能较好的浅海远程水平信道水声通信。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，采用最小频移键控(MSK)射频调制与扩频相结合方式，提供一种适合浅海远程水平信道水声通信的通信方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种浅海远程水平信道水声通信方法，包括如下步骤：

(1)在通信发信机端，有用PN码与信源信号直接模2加的直接序列扩频调制步骤；

(2)在通信发信机端，将(1)中得到的扩频信号用MSK射频调制以适应浅海远程水平水声信道特点；

(3)在通信收信机端，有同步后，用本地PN码经本地MSK调制，进行相干解扩，将解扩信号低通滤波实现解调的步骤，从而实现了高性能传输。

在步骤(1)中：通过设计扩频处理增益使得多径时延满足时延差条件。即0＜(τ_i-τ₀)＜(N-1)T_c。式中(τ_i-τ₀)是时延差，T_c是扩频码片周期。当满足这一条件时，多径干扰对接收端影响很小或起增强作用。

在步骤(2)中，对扩频信号进行MSK调制，使MSK的载波为15KHz。送到发信机传输。调制过程如下：

$S_{\mathrm{MSK}}\left(t\right)=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_c+\mathrm{\φ}\left(t\right)]$

$=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}{m}_{k}t}{2T_c}+{\mathrm{\φ}}_k]$

为保证信号正交要求Δf＝f₂-f₁＝1/2T_c，相位连续要求

${\mathrm{\φ}}_k={\mathrm{\φ}}_{k-1}+(m_{k-1}-m_k)\mathrm{k\π}/2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\φ}}_{k-1}& m_k=m_{k-1}\\ {\mathrm{\φ}}_k\±\mathrm{k\π}& m_k\≠m_{k-1}\end{array}\right.$

可见，φ_k不仅与此时的输入有关，还与上一时刻的相位有关。不失一般性，设初始相位为0，则MSK信号改写为正交幅度键控形式，即：

$S_{\mathrm{MSK}}=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{\φ}\left(t\right)]$

$=A{\cos \mathrm{\φ}}_k\cos \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-A{m}_k\cos {\mathrm{\φ}}_k\sin \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t$

式中f_c为载频。

在步骤(3)中，由于远程水声通信使得信号能量衰减很大，因此在解调信号之前选择先进行解扩处理集中能量是必须的。所以在接收端同步后进行相干解扩，得到解扩信号。而对于相干解扩后的信号只需取低频分量就可恢复信源数据。

本发明具有下述优点：

1、本发明克服了远程水声信道多径干扰；

2、降低了远程水声通信系统误码率；

3、提高了频谱利用率；

4、解决了相位突变和PAPR大问题；

5、可以灵活调整扩频处理增益与通信速率关系；

6、提高了水声通信的保密性。

附图说明

图1为浅海远程水平信道水声通信方法原理框图；

(a)发信机原理框图；

(b)收信机原理框图；

图2为浅海远程水平信道水声通信方法扩频调制过程仿真图；

(a)信源信号；

(b)已调扩频信号；

(c)信源信号对应频谱；

(d)扩频后信号对应频谱；

图3为浅海远程水平信道水声通信方法MSK调制仿真图；

(a)扩频后信号经MSK调制信号；

(b)二元相移键控(BPSK)频谱；

(c)MSK信号频谱；

图4为浅海远程水平信道水声通信方法在理想信道中仿真图；

(a)信源信号；

(b)收信机解扩后信号；

(c)收信机解调后信号；

图5为浅海远程水平信道水声通信方法在模拟水声信道条件下仿真图。

(a)信源信号；

(b)收信机解扩后信号；

(c)收信机解调后信号；

(d)收信机进行信号重建后信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1(a)所示，信源信号与PN序列模2加实现扩频调制。再将此扩频调制信号经过MSK调制，形成射频发射信号。图(b)给出了收信机原理框图，接收到的信号提取同步后，将同步信号分别送至本地PN码发生器和本地MSK调制器，实现本地PN码同步和载波同步。将本地PN码经过本地MSK调制，与接收信号相干解扩。再将同步信号送至低通滤波器，解扩信号经低通滤波实现解调后信号输出就得到了所要的接收信息。扩频通信参数是根据具体浅海远程水平水声信道实际情况来选择的。不失一般性，本发明利用已有的实测数据进行仿真。这里取多径时延差(τ_i-τ₀)≤10ms。一般为7ms或8ms。并考虑到扩频码片宽度T_c应该是信息速率T_a的整数倍。故取码片速率R_c＝10k bit/s。处理增益G_p＝100，满足0＜(τ_i-τ₀)＜(N-1)T_c。对应的特征多项式f(x)＝1+x³+x⁷，周期N＝127。如图2所示，图(a)所示信源信号经扩频调制得到图(b)所示已调扩频信号。对比图(c)信源信号频谱和图(d)扩频后信号频谱，可以看出，经扩频调制后的信源信号频谱大大扩展，在这种低功率普密度条件下通信可以提高通信的保密性。

在扩频调制之后，为适应浅海远程水平水声信道特点，要对扩频已调信号进行射频MSK调制，如步骤(2)，采用正交幅度键控形式：即：

$S_{\mathrm{MSK}}=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{\φ}\left(t\right)]$

$=A{\cos \mathrm{\φ}}_k\cos \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-A{m}_k\cos {\mathrm{\φ}}_k\sin \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t$

如图3所示，已调信号波形如图(a)，通过比较图(b)BPSK信号频谱和图(c)MSK信号频谱，可以看出，MSK比BPSK能量更集中，旁瓣泄露更小。

经过扩频调制和射频MSK调制后，将信号放入浅海远程水平水声信道中传输，如图4所示，在理想信道条件下，图(a)信源信号经扩频和MSK调制得到射频信号，在收信机端经解扩得到如图(b)所示解扩信号。再经低通滤波得到收信机输出如图(c)所示。对比图(a)和(c)，可以看出没有误码。为真实模拟水声信道，本发明取多径为13条的衰落信道模拟水声信道。

有多径干扰的信号经传输到收信机。下面结合图5及信号分析说明本发明在多径干扰条件下通信过程。

设信源产生的信号为a(t)，码元速率为R_a，码元宽度为T_a，如图(a)所示，有：

$a\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{g}_a(t-n{T}_a)$

式中：a_n为信息码，以概率p取+1，则以概率1-p取-1，即

g_a(t)为门函数。

伪随机序列产生器产生的PN码为c(t)，速率为R_c，宽度为T_c，T_c＝1/R_C，则有：

$c\left(t\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n{g}_c(t-n{T}_c)$

式中：c_n为随机码元取+1或-1；g_c(t)为门函数。

模2相加或相乘的过程在二进制条件下是等价的。由于PN码速R_c要比信息速率R_a大得多，一般是整数倍关系，所以扩展频谱后的序列速率仍为伪随机序列速率R_c。用此扩展后的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。原则上此种扩频方法的调制可以用任何一种方式。取样后设a(t)c(t)＝m_k，当采用MSK方式时，调制后信号为：

$S_{\mathrm{MSK}}\left(t\right)=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_c+\mathrm{\φ}\left(t\right)]$

$=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{\mathrm{\π}{m}_{k}t}{2T_c}+{\mathrm{\φ}}_k]$

为保证信号正交要求Δf＝f₂-f₁＝1/2T_c，相位连续要求

${\mathrm{\φ}}_k={\mathrm{\φ}}_{k-1}+(m_{k-1}-m_k)\mathrm{k\π}/2=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\φ}}_{k-1}& m_k=m_{k-1}\\ {\mathrm{\φ}}_k\±\mathrm{k\π}& m_k\≠m_{k-1}\end{array}\right.$

可见，φ_k不仅与此时的输入有关，还与上一时刻的相位有关。不失一般性，设初始相位为0，则MSK信号改写为正交幅度键控形式，即：

$S_{\mathrm{MSK}}=A\cos [2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\mathrm{\φ}\left(t\right)]$

$=A{\cos \mathrm{\φ}}_k\cos \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-A{m}_k\cos {\mathrm{\φ}}_k\sin \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t$

式中f_c为载频。

收信机接收到信号是有用信号s_I(t)、信道噪声n_I(t)、干扰信号J_I(t)即收到经混频后的信号为：

r_I(t)＝s_I(t)+n_I(t)+J_I(t)

如果本地接收扩频码为c′(t)，当同步时c(t)＝c′(t)，将c(t)经MSK调制得：

$S_{\mathrm{MSK}}^{\′}=A{\cos \mathrm{\φ}}_k\cos \frac{\mathrm{\πt}}{{2T}_c}\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-A{c}_k\cos {\mathrm{\φ}}_k\sin \frac{\mathrm{\πt}}{2T_c}\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t$

代入接收信号得：

r_I(t)＝s_I(t)S′_MSK+n_I(t)S′_MSK+J_I(t)S′_MSK

得到的信号就是解扩信号，如图(b)所示。对上式中求和的三部分进行分析，第一项：

s_I′(t)＝s_I(t)S′_MSK

式中c(t)c(t)＝1，则原式经过取低通可以化简为：

s_I′(t)＝a_kA²cos²φ_k

此信号为解调信号，如图(c)所示。通过判决再生就得到了要传输的信号a(t)。如图(d)。

对于第二项和第三项，由于干扰和噪声与c(t)不相关并且扩频后功率谱密度降低，因此能够通过带通滤波器的信号很少。从而使噪声和干扰大大降低，实现了远程水声通信。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施例，但本发明的其它变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的人和修改或效仿变换，都属于本发明的权利保护范围。

Claims (6)

1、一种浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在通信发信机端，有用PN码与信源信号直接模2加的直接序列扩频调制步骤；

(2)在通信发信机端，将(1)中得到的扩频信号用MSK射频调制以适应浅海远程水平水声信道特点；

(3)在通信收信机端，有同步后，用本地PN码经本地MSK调制，进行相干解扩，将解扩信号低通滤波实现解调的步骤。

2、根据权利要求1所述的浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于：发信机有采用扩频调制步骤，从而有效抗多径和噪声干扰。

3、根据权利要求1所述的浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于：采用MSK调制方式使得传输信号恒包络，避免了包络不恒定使得信号PAPR大的问题，从而降低了对水声换能器要求。

4、根据权利要求3所述的浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于：采用MSK调制方式使得传输信号无相位突变，不会在带宽严重受限的浅海远程水平水声信道传输过程中造成非线性失真。

5、根据权利要求3所述的浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于：MSK占用带宽较FSK小，适合在带宽受限的水声信道条件下提高通信速率。

6、根据权利要求1所述的浅海远程水平信道水声通信方法，其特征在于：在接收端采取先解扩再解调的相干解扩解调步骤，从而使衰减严重的信号能量先集中起来，再经低通滤波得到无误码信号。

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