CN101567727A - 一种差分循环移位扩频水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分循环移位扩频水声通信方法，由1－2个扩频码组成基本扩频码，采用相位或频率调制载波形成相应基本扩频波形；在通信发送端，根据待发送的信息确定循环移位大小，并对基本扩频波形进行差分循环移位，实现多元调制，将循环移位波形通过发射换能器发送进入水声信道；在接收端采用信道匹配滤波方法进行多径联合；利用FFT对接收信号进行快速循环相关，根据相关输出波形峰值判断循环移位的大小，进而进行译码。本发明有效地提高了通信速率，计算量低，接收机简单，便于实时实现，可以灵活调节通信速率，可以实现多径联合，隐蔽性好，被截获概率低，保密性强。

Description

一种差分循环移位扩频水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更确切地说，涉及中远程水声通信中的一种低复杂度、低功耗扩频通信方法。

背景技术

随着人类对海洋资源开发事业的迅速发展，世界各国对水下信息传输技术的要求越来越迫切。水声通信是实现水下信息远程传输的主要形式，是涵盖海洋技术与信息技术的国家急需的高新技术之一。

水声信道一般可以表征为带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂性及多变性严重限制了水声通信性能。由于水声信道的复杂多变性，各种调制和解调技术均有一定的实用性，为此，美国海军空间与海洋作战系统研究中心(Spaceand Naval Warfare Systems Center)进行了多次SignalEx海上实验。SignalEx实验目的是为了比较各种水声通信调制技术在不同水声信道环境下的统计性能，以优化系统参数，其调制方式主要分为近程高速水声通信和远程低速水声通信技术。高速水声通信主要采用相位相干(MPSK)技术或正交多载波(OFDM)技术；低速水声通信主要采用频移键控(MFSK)，脉冲位置调制(PPM)和扩频技术。近年来，扩频水声通信技术受到较大关注，其原因：一方面，在远程(＞10km)水声通信中，扩频通信具有重要的应用价值，它保密性好，抗多径干扰和信道衰落能力强，可在低信噪比条件下工作；另一方面，当前水声通信已经发展到开始建立水声通信网络的阶段，如美国的Seaweb网络，它可用于自主式分布传感器系统，欧盟的用于近海环境监测的声通信网等。其中，多用户水声通信是实现水声通信网络的关键技术之一。水声信道的有限带宽限制了频分复用(FDMA)技术在水声网络中的应用，而时分复用(TDMA)需要严格的同步技术，目前普遍认为扩频及码分多址技术(CDMA)是浅海水声通信网络最有应用前景的多址接入方案。现已提出多种用于水声通信网络的DS-CDMA方案及相应的信号处理技术。可见，扩频水声通信技术具有重要的研究意义。然而，在水声通信可用频率范围内，声波在水中的衰减与频率的平方成正比，导致水声通信的带宽十分有限。远程水声通信的带宽往往只有几kHz，甚至几百Hz，以至常规直接序列扩频水声通信数据率极低，仅几到几十比特，严重影响了通信系统的实用性。

通常情况下，水声信道多径传播复杂，产生严重的码间干扰，对水声通信产生严重影响。通过提高发射功率对抑制多径干扰、提高接收端信噪比，其作用不大。利用扩频信号固有特性，在接收端联合利用多径信息，是一种能够提高远程扩频水声通信系统性能的有效方法。

目前扩频水声通信方法概括如下：

(1).直接序列扩频技术

直接序列扩频(DSSS)水声通信系统，其发射端仅分配一个扩频序列，若扩频序列长度为L，每个码片持续时间为T，则通信速率为：

$\mathrm{Rs}=\frac{1}{\mathrm{TL}}---\left(1\right)$

水声通信带宽有限，使得DSSS数据率低，一般仅为几比特。

(2).M元扩频技术

为了提高扩频通信数据率，可以采用M元扩频通信技术。其基本原理为：根据要传输的n比特的二进制信息，在一组包含M＝2n个伪随机码的集合中选取某一个伪随机码进行相位调制后发射。接收端包括一组匹配滤波器，每个滤波器匹配于伪随机序列组中的一个序列。根据伪随机序列的正交性，只有匹配于发射信号的滤波器的输出才能超过判决门限，依此进行译码，其数据率为：

$\mathrm{Rs}=\frac{1}{\mathrm{LT}}{\log }_{2}M---\left(2\right)$

称为M元扩频通信。与DSSS相比，M元扩频通信的数据率提高log2M倍。

(3).M元并行组合扩频技术

由于M元伪随机码之间的准正交性，可以在发射端同时选取k个伪随机码，分别进行相位调制后同时发射，以进一步提高数据率，称为并行组合M元扩频通信。实际中，通常把M个伪随机码分成N组，根据传输的信息，从每组中选择一个伪随机码，共有N个伪随机码，分别进行相位调制，叠加后，形成发射信号。接收端处理方法和M元伪随机码组处理方法不同之处在于需要选择N个较大的峰值进行判决译码，其数据率为：

$\mathrm{Rs}=\frac{N}{L\·T}{\log }_2\frac{M}{N}---\left(3\right)$

可以把M元扩频通信技术看作是并行组合M元扩频通信的一种特例，即N＝1时的传输方式。

因此，现有的直接序列扩频水声通信数据率过低，而M元扩频水声通信接收机计算量大，复杂度高，不便于实时处理。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种差分循环移位扩频水声通信方法，利用扩频序列的相关特性，可获得较高速率、低复杂度、低功耗、低截获概率，并可以利用多径信息进行远程扩频通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1).由1-2个扩频码组成基本扩频码，扩频码可选择伪随机码或混沌码；

(2).由基本扩频码采用相位或频率调制载波形成相应基本扩频波形；

(3).在通信发送端，根据待发送的信息确定循环移位大小，并对基本扩频波形进行差分循环移位，实现多元调制，移位大小通常选择为扩频码元长度的整数倍，将循环移位波形通过发射换能器发送进入水声信道；

(4).在接收端采用信道匹配滤波方法进行多径联合；

(5).利用FFT对接收信号进行快速循环相关，根据相关输出波形峰值判断循环移位的大小，进而进行译码。

本发明的有益效果是：本发明与直接序列扩频水声通信相比，有效地提高了通信速率；与M元扩频水声通信相比，计算量低，接收机简单，便于实时实现。本发明通过循环步长大小的设置，可以灵活调节通信速率；利用频域Rake接收机，可以实现多径联合；本发明循环移位波形，隐蔽性好，被截获概率低，保密性强。

附图说明

图1是扩频序列的循环移位相关特性图；

图2是循环移位原理图；

图3是差分循环移位扩频通信系统框图；

图4是信道匹配滤波方法原理图；

图5是实施实例中湖上实验5km水声信道冲击响应图；

图6是实施实例中5km、15km单码差分循环移位扩频湖上实验结果分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步详细的描述。

(1).由1-2个扩频码组成基本扩频码，扩频码可选择伪随机码或混沌码。

本发明中需要的基本扩频码，可以是m序列，Gold序列，Kasami序列及混沌序列，它们均具有良好的循环相关特性。设扩频序列为x＝(x₁，x₂，…x_N)，N为序列长度，则扩频序列的自相关函数为：

$R\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& j=0\\ \frac{1}{N},& j=\mathrm{1,2},...N-1\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中R(j)定义为：

$R\left(j\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{x}_{i+j}---\left(2\right)$

式中x的下标按模N运算，即有x_N+k≡x_k。令y为x的循环移位序列，表示如下：

$y=\left\{\begin{array}{cc}{x}_{i+k},& 1\≤i\≤N-k\\ x_{i+k-N},& N-k+1\≤i\≤N\end{array}\right.---\left(3\right)$

则y与x的互相关函数为：

$\tilde{R}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y{x}_{i+m}$

$=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N-k}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i+k}{x}_{i+m}+\frac{1}{N}\underset{i=N-k+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i+k-N}{x}_{i+m}---\left(4\right)$

由于x的下标按模N运算，则x_i+k-N≡x_i+k。

(4)式变为：

$\tilde{R}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{i+k}{x}_{i+m}---\left(5\right)$

比较式(1)，(2)及(5)可得：

$\tilde{R}\left(m\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& m=k\\ \frac{1}{N},& m\≠k\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据(6)式可知差分循环移位扩频序列和基本扩频序列的互相关函数的峰值位置由循环移位大小确定。利用不同的循环移位可以实现多元调制，图1给出了长度为63的Kasami序列x和其循环移位序列y相关特性，其循环移位长度分别为16，31，46和61个码片宽度。由图1可以看出，基本序列和其循环移位序列具有良好的相关特性，旁瓣低，并且其峰值位置指示其循环移位的大小。

(2).由基本扩频码采用相位或频率调制载波形成相应基本扩频波形；

通过对基本扩频码进行相位或频率调制，可以获得基本扩频波形。如基于扩频序列相位调制的循环移位键控基本波形可以表示为：

$f\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{c}t\right)p(t-i{T}_c)---\left(7\right)$

其中，T_c为扩频码片持续时间，N是扩频序列长度，每个码片采用二进制相位调制，p(t)是发射端脉冲成形滤波器。另外，基本扩频波形可以直接选择相关性良好的线性调频(LFM)信号，可表示为

其中，f_I为起始频率，μ为调频斜率。

(3).差分循环移位编码

循环移位调制根据输入的二进制信息，对基本扩频波形f(t)进行循环移位获得移位波形g(t)，其关系如下：

$g\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}f(t+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& 0\&le;t\&le;T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}\\ f(t-T+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}<t\&le;T\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中表示T为波形持续时间，Δτ是移位步长，k根据输入的二进制信息确定。如果利用可以分辨的M个不同循环移位序列表示信息，则每个移位波形g(t)可表示log₂M个比特信息。根据输入信息，利用(7)式产生移位波形g(t)。其移位步长Δτ可以为一个码片长度或多个码片长度，甚至为分数个码片长度，这取决于时延估计的精度。多普勒对时延估计的影响较大，为了减轻这一影响，我们采用差分循环移位调制技术。在差分移位编码中，其基本波形为前一码元的信号波形。如下式所示：

$g_{n+1}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{g}_n(t+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& 0\&le;t\&le;T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}\\ g_n(t-T+\mathrm{k\&Delta;\&tau;}),& T-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}<t\&le;T\end{array}\right.---\left(11\right)$

其下标表示第n个信号波形。

差分循环移位调制原理如图2所示，差分循环移位扩频通信系统框图如图3所示。

(4).信道匹配滤波(CMF)

水声信道是一复杂时变多径信道，已有的水声通信系统通常采用抗多径干扰技术，如保护间隔及自适应信道均衡技术。未来的水声通信系统应该具有匹配信道及利用多径的能力，以提高水声通信系统性能。常规扩频水声通信，采用Rake接收机技术联合利用多径信息。Rake接收机需要多路相关器，为了简化接收机，对于差分循环移位扩频水声通信，我们采用信道匹配滤波器技术，可表示为

$\hat{r}\left(t\right)=g\left(t\right)\&CircleTimes;r_b\left(t\right)---\left(12\right)$

其中，g(t)为信道匹配滤波器的脉冲响应函数，r_b(t)为接收信号基带波形，

$g\left(t\right)={\tilde{h}}^{*}(-t)---\left(13\right)$

其中

为估计的信道脉冲响应函数。信道匹配滤波器原理框图如图4所示

(5).循环相关处理

接收端通过计算接收基带信号r_b(t)和基本波形f_b(t)相关技术，估计相关峰值的位置，进行译码，可表示为

y(t)＝|IDFT(DFT^*(f_b(t))×DFT(r_b(t)))|

$\mathrm{\&tau;}=\arg \underset{t}{\max }\left(y\left(t\right)\right)$

k＝τ/Δτ(14)

其f_b(t)为f(t)的相应基带波形，储存在本地接收机，而rb(t)是r(t)的基带波形，通过正交解调获得。DFT/IDFT为相应的傅立叶变换。(·)^*为共轭运算。

下面结合图3，按照差分循环移位扩频通信的信号流程，结合具体实施实例进一步详细描述本发明。

系统参数及工作环境如下：系统带宽2kHz，载频10kHz，采样频率40kHz；扩频码片宽度0.5ms，扩频码长度32，移位步长为半个码片长度，即0.25ms；则每个循环移位波形代表6比特信息，持续时间为32ms，单码循环移位波形的数据率达375bit/s。单通道时，扩频序列长度为32，移位步长为半个码片长度，则M＝64，每个符号代表6比特信息，持续时间为16ms，

①.由1-2个扩频码组成基本扩频码，保存在本地存储器中；

②.对基本扩频进行载波调制形成相应基本扩频波形。本例采用相位调制。

③.差分循环移位编码。

对将要发送的二进制信息，进行分组，每6比特为一组；二进制信息组和相应的循环移位大小成一一对应关系；如二进制信息组b＝[0 0 0 0 1 0]对应循环移位大小为0.5ms；根据分组后的二进制信息组，按照图2对信号波形进行差分循环移位操作。如，若二进制信息组b＝[0 0 0 0 1 0]；则需要将前一符号信号波形最前端的0.5ms数据移位到最末端形成发射波形并通过功率放大器由换能器发送到水声信道中。

④.匹配滤波处理。

在接收端，将水听器接收到的信号通过带通滤波器，AGC电路后进行A/D采样获得数字信号。对获得的数字信号，先进行信道匹配滤波，联合多径能量，提高信噪比。如图4所示，湖上实验5km信道冲击响应如图5所示。

⑤.译码。

对信道匹配滤波后的信号，利用FFT/IFFT技术进行快速循环相关，其本地参考波形为基本波形f(t)。对循环相关输出波形进行峰值检测。根据基本波形的循环相关特性，只有对应的循环移位大小的位置才出现最大相关峰。根据相关峰位置，判断差分循环移位大小，根据二进制信息与与循环移位大小一一对应关系，判断所发送的6位二进制信息组b＝[0 0 0 0 1 0]。

图6给出循环相关处理输出波形眼图及相应时延估计误差。为了更加直观示意接收机性能，模拟通信中常用的眼图的概念，给出相关输出波形叠加时的情况，每次均以相关输出波形峰值对应的位置为零点，如6(a)，6(b)中的左图所示，当相关输出波形重叠程度越高，表示其接收性能越好，这主要取决于SNR和信道条件；由图6可以看出(a)图的相关输出波形重叠效果优于(b)图。这是由于5km时接收信噪比约为7.1dB，Doppler偏移估计值为-1.3Hz，15km时接收信噪比约为5.5dB，Doppler偏移估计值为-2.2Hz。循环移位大小需根据相关器时延估计结果，图6(a)，64(b)中的右图给出时延估计误差与码片宽度的比值随符号数量变化的结果，通信距离为5km时，总的时延在0.25个码片以内变化；通信距离为15km时，总的时延在1个码片以内变化。

Claims (1)

1、一种差分循环移位扩频水声通信方法，其特征在于包括下述步骤：

(1).由1-2个扩频码组成基本扩频码，扩频码选择伪随机码或混沌码；

(2).由基本扩频码采用相位或频率调制载波形成相应基本扩频波形；

(3).在通信发送端，根据待发送的信息确定循环移位大小，并对基本扩频波形进行差分循环移位，实现多元调制，移位大小选择为扩频码元长度的整数倍，将循环移位波形通过发射换能器发送进入水声信道；

(4).在接收端采用信道匹配滤波方法进行多径联合；

(5).利用FFT对接收信号进行快速循环相关，根据相关输出波形峰值判断循环移位的大小，进而进行译码。

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