CN101969348B - 一种蛙人用便携式水声通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛙人用便携式水声通信设备与方法，本发明利用由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成的同步双脉冲，可以同时解决多用户水下通信的信号检测、用户标识与粗同步问题，利用双脉冲组合既保证了信号检测的实时性，又保证了多用户标识与同步的准确性，利用混沌调频调相扩频信号进行多用户分组M元扩频通信，因为各混沌调频调相扩频信号之间相互正交且可并发信号数目多，可以有效地减少多用户通信时同时解调的互干扰影响，可以有效地提高多用户水声通信的通信效率与性能。本发明的设备便于蛙人携带。

Description

一种蛙人用便携式水声通信设备

技术领域

本发明属于便携式通信声纳设备领域，特别涉及一种利用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用户通信的通信调制与解调方法的声纳设备与方法。本发明主要用于水下潜水作业蛙人的中近程实时通信中。 

背景技术

蛙人在进行潜水作业时，常用的通信方式主要有两种：一种是手语，但是这种方式由于水下可视范围小，通信的距离有限；另一种是有线方式，而因为线缆的限制，一方面通信距离有限，另一方面也会影响蛙人作业。因此，蛙人需要一种无线通信方式，来满足水下通信的问题。因为声波是水下唯一能够远程传播的媒介，所以通信声纳是解决蛙人通信问题的一种有效方式。然而普通通信声纳由于尺寸较大，并不适于蛙人携带。而一些美国专利(Ear I Kent Hunter，etc.，Diver communication system，P3789353；Ivan Gardos，etc.，Integrated diver face mask and ultrasound underwater voice communication apparatus，P5136555)采用的超声波单边带通信方式，其通信距离与通信带宽均有限，且无法满足多用户同时通信的要求。本发明利用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用户通信，所设计的便携式水声通信声纳设备，不仅能够满足蛙人与水面基地、蛙人与蛙人之间实时通信的要求，而且能够满足多用户同时通信的要求。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种蛙人用便携式水声通信设备与方法，利用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用户通信，来满足水下蛙人中近程实时通信的便携式通信声纳设备与方法。本发明通过双脉冲检测、用户标识与同步方法和基于混沌调频调相序列的分组M元扩频调制与多用户检测解调方法，来完成蛙人之间和蛙人与水面基地之间的中近程双向半双工实时语音与报文通信。 

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种蛙人用便携式水声通信设备，包括数据输入装置、通信发射装置、通信接收装置、数据输出装置及与各装置相连接的电源与接口装置，其中：所述数据输入装置采集语音信号，语音信号经压缩编码后发送至通信发射装置，通信发射装置将接受到的信号转换成声信号发送到水声信道中，水声信道中的声信号被通信接受装置采集后，转化成电信号发送至数据输出装置，数据输出装置将电信号转化处理后通过耳机播放。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信设备的一种优选方案，其中： 

所述数据输入装置包括麦克风，音频编码器与控制模块，所述音频编码器将麦克风采集的语音信号进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置，所述控制模块通 过旋钮设置指令控制通信发射装置； 

所述通信发射装置包括：参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混沌序列发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模块，匹配网络与功率放大器以及收发共置换能器；其中，所述参数选择器根据控制模块提供的指令，选择与发射信息类别相匹配的频段和数据率，分别提供给用户映射器和数据编码器；所述用户映射器根据参数选择器提供的参数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌映射器以及混沌序列发生器；所述数据编码器根据参数选择器提供的参数对控制模块提供的消息指令或者音频编码器提供的语音数据进行信源编码与信道编码；所述数据分组器将数据编码器发送的数据流进行分组，并发送至混沌调制器；所述混沌序列发生器根据用户映射器提供的参数通过混沌映射方程产生由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映射器和同步脉冲发生器；所述混沌映射器根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生器所产生的混沌序列进行映射生成相互正交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并将这些分组发送至混沌调制器；所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据分组器提供的数据分组调制成发射数据块，并发送至波形发生器；同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同步双脉冲，并发送至波形发生器；波形发生器将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲发生器提供的同步双脉冲进行组合生成最终的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模块；所述发射转换与控制模块将通信发射信号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发射信号与发射参数送至匹配网络与功率放大器；所述匹配网络与功率放大器由发射转换与控制模块驱动进行模拟发射信号的功率放大和匹配；所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，在匹配网络与功率放大器的驱动下，将模拟发射信号转换成声信号发送到水声信道中； 

所述通信接收装置包括收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同步检测器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据解码器；其中，所述收发共置换能器负责采集水声数据，进行声电转换发送至前置滤波与放大器；所述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大，送至模/数转换器；所述模/数转换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测器；所述混沌序列发生器通过混沌映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并发送至副本生成器和同步脉冲发生器；所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副本，并发送至同步检测器；所述同步检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲副本进行通信信号检测，如果检测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并将对应用户标识发送至副本生成器；所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混沌解调器； 所述副本生成器根据混沌序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户标识，生成对应多用户分组M元扩频副本集合，送至混沌解调器；所述混沌解调器根据信道均衡器提供的数据与副本生成器提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列的相关解调，生成解调数据并发送至数据解码器；所述数据解码器将解调数据进行解码生成接收信息，发送至数据输出装置； 

所述数据输出装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机，所述用户判别器判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给消息映射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放；所述音频解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播放。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信设备的一种优选方案，其中：所述通信发射装置与通信接收装置共用混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器。 

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种蛙人用便携式水声通信方法，包括数据输入步骤、通信发射步骤、通信接收步骤和数据输出步骤，其中，所述通信发射步骤具体包括如下步骤： 

步骤1根据数据输入装置获得的用户信息，确定发射的各项参数和数据； 

步骤2将待发送的通信编码数据分成K个码元一组的数据块； 

步骤3按照混沌映射关系得到混沌序列，形成混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并根据数据块所含信息从分组中选择相应的混沌调频值序列和混沌调相值序列组合； 

步骤4通过混沌调频值序列和混沌调相值序列组合生成混沌调频调相扩频信号集合，将所述混沌调频调相扩频信号集合中所有混沌调频调相扩频信号叠加成一组并发混沌调频调相扩频信号，P组并发混沌调频调相扩频信号组成一个混沌调频调相扩频序列； 

步骤5根据用户信息生成同步双脉冲，并同混沌调频调相扩频序列进行组合，最后进行发射； 

所述通信接收步骤具体包括如下步骤： 

步骤6对接收到的数据，通过多用户同步双脉冲副本，进行双脉冲用户检测与粗同步； 

步骤7再对检测到的用户接收数据进行信道均衡与细同步； 

步骤8然后通过与多用户分组M元扩频副本集合进行副本相关，检测与判决，并根据混沌映射关系恢复编码信息； 

步骤9对编码信息进行解码，由数据输出装置将解码信息转换后播放。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的一种优选方案，其中步骤1中所述发射的各项参数：蛙人与水面基地发射频段：10kHz～15kHz，蛙人与蛙人之间发射频段：15kHz～25kHz、传输数据率20bps～8kbps、用户标识1～255；其中步骤2中：所述待发送的通信编码数据是由原始通信数据经信源编码和信道编码后得到；所述信源编码采用霍夫曼编码；所述信道编码采用卷积码或turbo码；且通信编码数据是二进制数据；所述K的取值为256～8912。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的一种优选方案，其中步骤3中所述混沌映射关系如下，根据一个或两个混沌映射模型，由不同初始值生成相互正交的M组混沌序列并从中提取r个进行组合，即组合数满足 

使混沌序列组合与数据块所含信息一一对应，形成数据块所含信息映射到混沌序列组合的混沌映射关系，r值常规取值为1～128；所述混沌调频值和混沌调相值是根据一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值；所述数据块所含信息是指对应K个码元的二进制数值，其与 

个混沌调频值序列和混沌调相值序列组合一一对应；其中所述步骤4中生成并发混沌调频调相扩频信号的方法如下：每组混沌调频值序列和混沌调相值序列组合，包含r个混沌调频值序列和混沌调相值序列对，可以调制得到r个混沌调频调相扩频信号；r个混沌调频调相扩频信号相互叠加可以构成一组并发混沌调频调相扩频信号；P组并发混沌调频调相扩频信号顺序排列，可以组成一个混沌调频调相扩频序列，即一个混沌调频调相扩频序列包含K*P个二进制码元，所述P取值范围1～1000。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的另一种优选方案，其中步骤5中所述同步双脉冲是由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲两个脉冲组成；线性调频脉冲形式是唯一的，每个设备均相同；混沌调频调相脉冲对应的混沌调频值与调相值序列由设备确定，一个设备对应一组唯一的混沌调频值与调相值序列，是与其它混沌调频调相扩频信号相互正交的信号；同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列组合时，相互之间存在一个固定间隔T，以避免信道扩展导致的信号串扰。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的另一种优选方案，其中所述步骤6中双脉冲用户检测与粗同步方法如下：首先通过线性调频脉冲副本，对接收数据进行副本相关检测；如果通过峰值检测发现存在通信信号，再通过混沌调频调相脉冲副本进行副 本相关检测；由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，通过双脉冲检测所检出用户数可以是多个；根据步骤5中由于信号发射时同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列之间存在固定间隔T，通过混沌调频调相脉冲副本相关所检出的相关峰值可以进行粗同步，标示混沌调频调相扩频序列初始位置；由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，因此不同检出用户相关峰值可以标示不同用户的混沌调频调相扩频序列初始位置。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的一种优选方案，其中步骤7中所述信道均衡方法采用RLS均衡或turbo均衡；所述步骤9中，所述信道译码方法采用Turbo算法或Viterbi算法。 

作为本发明所述蛙人用便携式水声通信方法的一种优选方案，所述步骤8中，所述多用户分组M元扩频副本集合是根据步骤6中所检测到的用户标识和步骤3和4的相应过程生成的；对应检出用户数为W，则产生W*M组混沌调频调相扩频副本信号；各组混沌调频调相扩频副本信号分别与接收数据进行副本相关后，通过最大似然方法检测峰值，并根据检测出的峰值按照步骤3中得到的混沌映射关系恢复编码信息，其中W取值1～255，M取值256～65536。 

上述技术方案中，所述步骤1中，所述数据输入装置是指麦克风，音频编码器与控制模块。所述用户信息是指由麦克风与音频编码器获得的用户语音数据，以及用户通过控制模块设置的指令。 

上述技术方案中，所述步骤2中，所述待发送的通信编码数据是由原始通信数据经信源编码和信道编码后得到。所述信源编码采用霍夫曼编码，用于去除冗余信息；所述信道编码采用卷积码或turbo码，用于减少系统误码率。且通信编码数据是二进制数据。所述K的取值为256～8912，具体的取值取决于所采用的混沌映射模型和码间串扰水平。 

上述技术方案中，所述步骤3中，所述混沌映射关系如下：根据一个或两个混沌映射模型(如Quadratic映射、Chebyshev映射、Second-Order映射)，由不同初始值生成相互正交的M组混沌序列并从中提取r个进行组合，即组合数满足 

使混沌序列组合与数据块所含信息一一对应，形成数据块所含信息映射到混沌序列组合的混沌映射关系，r值常规取值为1～128。所述混沌调频值和混沌调相值是根据一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值。所述数据块所含信息是指对应K个码元的二进制数值，其与 

个混沌调频值序列和混沌调相值序列组合一一对应。 

上述技术方案中，所述步骤4中，生成并发混沌调频调相扩频信号的方法如下：每组混沌调频值序列和混沌调相值序列组合，包含r个混沌调频值序列和混沌调相值序列对，可以调制得到r个混沌调频调相扩频信号；r个混沌调频调相扩频信号相互叠加可以构成一组并发混沌调频调相扩频信号。P组并发混沌调频调相扩频信号顺序排列，可 以组成一个混沌调频调相扩频序列，即一个混沌调频调相扩频序列包含K*P个二进制码元。 

上述技术方案中，所述步骤5中，所述同步双脉冲是由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲两个脉冲组成，线性调频脉冲主要用于信号检测，混沌调频调相脉冲主要用于标识发射用户和粗同步。线性调频脉冲形式是唯一的，每个设备均相同。混沌调频调相脉冲对应的混沌调频值与调相值序列由设备确定，一个设备对应一组唯一的混沌调频值与调相值序列，是与其它混沌调频调相扩频信号相互正交的信号。同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列组合时，相互之间存在一个固定间隔T，如图3所示，以避免信道扩展导致的信号串扰。 

上述技术方案中，所述步骤6中，双脉冲用户检测与粗同步方法如下：首先通过线性调频脉冲副本，对接收数据进行副本相关检测；如果通过峰值检测发现存在通信信号，再通过混沌调频调相脉冲副本进行副本相关检测。对应可能存在的Q个用户，生成Q个对应的混沌调频调相脉冲副本，进行Q次副本相关，所得峰值进行阈值检测，检测出对应用户标识。由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，通过双脉冲检测所检出用户数可以是多个。根据步骤5由于信号发射时同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列之间存在固定间隔T，通过混沌调频调相脉冲副本相关所检出的相关峰值可以进行粗同步，标示混沌调频调相扩频序列初始位置。由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，因此不同检出用户相关峰值可以标示不同用户的混沌调频调相扩频序列初始位置。 

上述技术方案中，所述步骤7中，所述信道均衡方法采用RLS均衡或turbo均衡，用以减小或去除水声信道影响。 

上述技术方案中，所述步骤8中，所述多用户分组M元扩频副本集合是根据步骤6中所检测到的用户标识和步骤3和4的相应过程生成的。对应检出用户数为W，则产生W*M组混沌调频调相扩频副本信号。各组混沌调频调相扩频副本信号分别与接收数据进行副本相关后，通过最大似然方法检测峰值，并根据检测出的峰值按照步骤3中得到的混沌映射关系恢复编码信息。 

上述技术方案中，所述步骤9中，所述信道译码方法采用Turbo算法或Viterbi算法。所述数据输入装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机，通过用户判别器、消息映射器和音频编码器将接收的报文和语音信息均转换成语音数据流，由耳机播放。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点： 

1、本发明利用由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成的同步双脉冲，可以同时解决多用户水下通信的信号检测、用户标识与粗同步问题，利用双脉冲组合既保证了信号检测的实时性，又保证了多用户标识与同步的准确性 

2、本发明利用混沌调频调相扩频信号进行多用户分组M元扩频通信，因为各混沌调 频调相扩频信号之间相互正交且可并发信号数目多，可以有效地减少多用户通信时同时解调的互干扰影响，可以有效地提高多用户水声通信的通信效率与性能。 

3、本发明的设备可以与现有蛙人装备相结合，便于蛙人携带。 

4、本发明的设备也适于水下无人潜器编队使用。 

5、本发明的部分技术不仅适用于水声通信中，还适用于无线电通信和光纤通信中。 

附图说明

图1表示蛙人用便携式水声通信设备示意图。 

图2表示蛙人用便携式水声通信系统框图。 

图3表示蛙人用便携式水声通信系统发射脉冲示意图。 

图4表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列时序图。 

图5表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列自相关图。 

图6表示Quadratic映射所产生的混沌调频序列互相关图。 

图7表示一维混沌序列直接映射示意图。 

图8表示双脉冲用户检测与粗同步方法的流程框图。 

图9表示多用户分组M元扩频解调方法的流程框图。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步地描述。其中图1中包括了蛙人面罩1、麦克风2、耳机3、线缆4、数据接口模块5、圆柱状细长水密罐6、收发共置换能器7、电池与电源管理模块8、电子段9、蛙人腰带10、控制模块11。 

实施例1 

本实施例提供的水下中近程实时通信的蛙人用便携式水声通信设备如图1所示，设备主体由圆柱状细长水密罐6，蛙人面罩1与蛙人腰带10三部分组成。按功能划分可以分成数据输出装置、数据输入装置、通信发射装置、通信接收装置、电源与接口装置五个部分。其中，前四个部分的功能框图如图2所示。本实施例将描述蛙人通过本发明设备与水面基地进行报文通信的过程。 

所述数据输入装置包括：麦克风，音频编码器与控制模块。所述麦克风安装于蛙人面罩下部如图1所示，采集蛙人语音数据；所述音频编码器在圆柱状细长水密罐内部，将麦克风采集的进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置；所述控制模块安装于蛙人腰带上，通过旋钮设置指令控制通信发射设备。 

所述通信发射装置包括：参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混沌序列发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模块，匹配网络与功率放大器以及收发共置换能器。其中混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器与通信接收装置共用。除收发共置换能器外，其它模块均在圆柱状细长水密罐内部。 

所述参数选择器根据控制模块提供的指令，选择与发射信息类别相匹配的频段和数 据率，分别提供给用户映射器和数据编码器。所述用户映射器根据参数选择器提供的参数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌映射器以及混沌序列发生器。所述数据编码器根据参数选择器提供的参数对控制模块提供的消息指令或者音频编码器提供的语音数据进行信源编码与信道编码。所述数据分组器将数据编码器发送的数据流进行分组，并发送至混沌调制器。所述混沌序列发生器根据用户映射器提供的参数通过混沌映射方程产生由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映射器和同步脉冲发生器。所述混沌映射器根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生器所产生的混沌序列进行映射生成相互正交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并将这些分组发送至混沌调制器。所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据分组器提供的数据分组调制成发射数据块，并发送至波形发生器。同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同步双脉冲，并发送至波形发生器。波形发生器将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲发生器提供的同步双脉冲进行组合生成最终的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模块。所述发射转换与控制模块将通信发射信号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发射信号与发射参数送至匹配网络与功率放大器。所述匹配网络与功率放大器由发射转换与控制模块驱动进行模拟发射信号的功率放大和匹配。所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，在匹配网络与功率放大器的驱动下，将模拟发射电信号转换成声信号发送到水声信道中。 

所述通信接收装置包括：收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同步检测器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据解码器。其中混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器与通信发射装置共用。除收发共置换能器外，其它模块均在圆柱状细长水密罐内部。 

所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，负责采集水声数据，进行声电转换发送至前置滤波与放大器。所述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大，送至模/数转换器。所述模/数转换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测器。所述混沌序列发生器通过混沌映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并发送至副本生成器和同步脉冲发生器。所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副本，并发送至同步检测器。所述同步检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲副本进行通信信号检测，如果检测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并将对应用户标识发送至副本生成器。所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混沌解调器。所述副本生成器根据混沌序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户标识，生成对应多用户分组M元扩频副本集合，送至混沌解调器。所述混沌解调器根据信道均衡器提供的数据与副本生成器提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列的相关解调，生成解调数据并发送至数据解码器。所述数据解码器将解调数据进行解码生成接收信息，发送至数据输出装置。 

所述数据输出装置包括：用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机。所述用户判别器判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给消息映射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放：所述音频解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播放；所述耳机安装于蛙人面罩两侧如图1所示，播放装置接收到的信息。除收耳机外，其它模块均在圆柱状细长水密罐内部。 

所述电源与接口装置包括：电池与电源管理模块，数据接口模块。所述电池与电源管理模块，在圆柱状细长水密罐内部，负责整个设备的供电。所述数据接口模块，位于圆柱状细长水密罐两端，通过位于两端盖上的水密接插件，使位于水密罐外部的收发共置换能器、耳机、麦克风、控制模块连接至水密罐内部。 

本实施例提供的蛙人用便携式水声通信方法，包括数据输入过程、通信发射过程和通信接收过程、数据输出过程，其中所述通信发射过程包括如下步骤： 

1)根据由控制模块获得的用户信息，确定发射的各项参数； 

2)将待发送的通信编码数据分成K个码元一组的数据块； 

3)按照一定的混沌映射关系得到混沌序列，形成混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并根据数据块所含信息从分组中选择相应的混沌调频值序列和混沌调相值序列组合； 

4)通过混沌调频值序列和混沌调相值序列组合生成混沌调频调相扩频信号集合，将所述混沌调频调相扩频信号集合中所有混沌调频调相扩频信号叠加成一组并发混沌调频调相扩频信号，P组并发混沌调频调相扩频信号组成一个混沌调频调相扩频序列； 

5)根据用户信息生成同步双脉冲，并同混沌调频调相扩频序列进行组合，最后进行发射； 

所述通信接收过程包括如下步骤： 

6)对接收到的数据，通过多用户同步双脉冲副本，进行双脉冲用户检测与粗同步； 

7)再对检测到的用户接收数据进行信道均衡与细同步； 

8)然后通过与多用户分组M元扩频副本集合进行副本相关，检测与判决，并根据混沌映射关系恢复编码信息； 

9)对编码信息进行解码，由用户判别器与消息映射器将解码信息转换后由耳机播放。 

上述技术方案中，所述步骤1)中，用户通过控制模块设置发送给水面基地的报文信息，报文信息如表1所示，反映蛙人在水下的基本工作状态。所述发射的各项参数是指发射频段为10kHz～15kHz，传输数据率为20bps、用户标识(1～255)等。由于蛙人与水面基地之间的报文通信的特点是通信距离远通信速率低，所以采用低频段和窄带宽。 

表1报文表 

工作	待命	援助	安全	呼救
					1101	1011	1100	1010	0101

[0076] 上述技术方案中，所述步骤2)中，所述待发送的通信编码数据是由原始通信数据经信源编码和信道编码后得到。所述信源编码采用霍夫曼编码，用于去除冗余信息；所述信道编码采用卷积码或turbo码，用于减少系统误码率。且通信编码数据是二进制数据。所述K的取值为256～8912，具体的取值取决于所采用的混沌映射模型和码间串扰水平，假设分割的数据块为(x₁，x₂，K，x_L)，信源与信道编码后的序列为(c₁，c₂，K，c_κ)，其中L为编码前的数据长度，K为编码后的数据长度。 

上述技术方案中，所述步骤3)中，所谓混沌是在非线性动态系统中出现的确定性但是具有类随机性的过程，这个过程是非周期的、不收敛但有界，并且对初始值极度敏感。混沌序列的类随机特性非常适用于扩频调制通信机制，且由于对初始值极其敏感，初始值稍有不同就能形成互不相关的序列，因此混沌映射可以提供大量的、相互正交的、类随机又可以确定再现的混沌序列。混沌映射模型有很多，如Quadratic映射、Chebyshev映射、Second-Order映射等，不同混沌映射模型得到的混沌序列，其相关特性有所不同。本实施例中采用Quadratic映射，所谓Quadratic映射方程可以表示为： 

g(m+1)＝P-Qg²(m)                         (1) 

其中，当3/4＜PQ＜2时，g(m)∈(-2/Q，2/Q)，本实施例里取Q＝2，P＝1，g(0)∈(-1，1)，g(m)∈(-1，1)。 

图4为Quadratic映射方程所产生的混沌序列，序列长度为1024，初始值为0.8501，其自相关特性如图5所示，自相关旁瓣峰值为0.0651；其互相关特性如图6所示，另一个混沌序列的初始值为0.8564，互相关峰值为0.085。 

所述步骤3)的混沌映射过程是指根据一个或两个混沌映射模型，由不同初始值生成相互正交的M组混沌序列并从中提取r个进行组合，使之获得的组合数 

以使混沌序列组合与数据块所含信息满足一一对应关系，r值常规取值为1～128。 

本实施例中，采用一个混沌一维模型获得的混沌序列直接映射成调频值和调相值，如图7所示。采用步骤2)的Quadratic映射方程生成M组混沌序列记做： 

G¹，G²，K，G^m，K，G^M                   (2) 

其中， 

为长度为N的混沌序列。 

如果设带宽范围为B，由上述公式可以得到混沌调频值： 

$f_n^m=g_n^m*B/2---\left(3\right)$

由此可得，M组混沌调频值序列F¹，F²，K，F^m，K，F^M，且  $F^m=[f_1^m,f_2^m,K,f_n^m,K,f_N^m].$

同理可以得到混沌调相值： 

${\mathrm{\ρ}}_n^m=(g_n^m+1)*\mathrm{\π}/2---\left(4\right)$

由此可得，M组混沌调相值序列Ω¹，Ω²，K，Ω^m，K，Ω^M，且 

而根据数据块所含信息，从M组混沌调频值和调相值序列中，提取r个组合得到混 沌调频值和混沌调相值组合： 

(F，Ω)_r＝[(F^m1，Ω^m1)，K，(F^mr，Ω^mr)]                 (5) 

其中，组合(ml，K，mr)由数据块信息(c₁，c₂，K，c_κ)确定。 

所述步骤3)的数据块所含信息是指对应K个码元的二进制数值，其与 个混沌调频值序列和混沌调相值序列组合一一对应。 

上述技术方案中，所述步骤4)中，生成并发混沌调频调相扩频信号的方法如下：每组混沌调频值序列和混沌调相值序列组合，包含r个混沌调频值序列和混沌调相值序列对。根据每个序列对中对应的混沌调频值和混沌调相值对调制得到一个混沌调频调相扩频码片，N个码片组成一个混沌调频调相扩频信号。根据信息对应得到的混沌调频值和混沌调相值组合，生成r个混沌调频调相扩频信号以构成一个混沌调频调相扩频信号集合。 

混沌调频调相扩频信号的表达式为： 

s^m(t)＝Acos[ω₀t+∫c^m(t)dt+k^m(t)]         0≤t≤T     (6) 

其中，A为信号幅值，ω₀＝2πf₀为中心角频率，f₀为中心频率，c(t)为频率调制函数，有： 

$c^m\left(t\right)=2\mathrm{\π}{f}_n^m{\mathrm{\ξ}}_n\left(t\right)---\left(7\right)$

这里，ξ_n(t)＝u[t-nT₀]-u[t-(n+1)T₀]为持续时间为T₀的单位脉冲函数，u(t)为阶跃函数， N＝T/T₀。 

$k^m\left(t\right)={\mathrm{\ρ}}_n^m{\mathrm{\ξ}}_n\left(t\right)---\left(8\right)$

因此，r个混沌调频调相扩频信号相互叠加可以构成一组并发混沌调频调相扩频信号。其表达式为： 

$s_p\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{r}{\mathrm{\Σ}}}{s}^{\mathrm{mi}}\left(t\right)---\left(9\right)$

其中，s^mi(t)由混沌调频值和混沌调相值组合(F，Ω)_r获得。 

P组并发混沌调频调相扩频信号顺序排列，可以组成一个混沌调频调相扩频序列，即： 

$s\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i[t+(i-1)\mathrm{\τ}]---\left(10\right)$

其中，τ是一组并发混沌调频调相扩频信号脉宽。 

因此，一个混沌调频调相扩频序列包含K*P个二进制码元。 

上述技术方案中，所述步骤5)中，所述同步双脉冲是由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲两个脉冲组成，线性调频脉冲主要用于信号检测，混沌调频调相脉冲主要用于 标识发射用户和粗同步。线性调频脉冲形式是唯一的，每个设备均相同。混沌调频调相脉冲对应的混沌调频值与调相值序列由设备确定，一个设备对应一组唯一的混沌调频值与调相值序列，是与其它混沌调频调相扩频信号相互正交的信号。同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列组合时，相互之间存在一个固定间隔T(如图3所示)，以避免信道扩展导致的信号串扰。最终发射信号的数学表达式为： 

$p\left(t\right)={\mathrm{syn}}^{\mathrm{LFM}}\left(t\right)+{\mathrm{syn}}_{\mathrm{ID}}^{\mathrm{CH}}(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LFM}})+s(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LFM}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{CH}}+T)---\left(11\right)$

其中，syn^LFM(t)为线性调频脉冲，τ_LFM为其脉宽； 

为混沌调频调相脉冲，τ_CH为其脉宽，ID代表设备对应的标识。 

上述技术方案中，所述步骤6)中，双脉冲用户检测与粗同步方法如下(如图8所示)：首先通过线性调频脉冲副本，对接收数据进行副本相关检测；如果通过峰值检测发现存在通信信号，再通过混沌调频调相脉冲副本进行副本相关检测(对应可能存在的Q个用户，生成Q个对应的混沌调频调相脉冲副本，进行Q次副本相关，所得峰值进行阈值检测，检测出对应用户标识)。由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，通过双脉冲检测所检出用户数可以是多个。其数学原理如下： 

若设理想信道下，通信接收数据的表达式为： 

$r\left(t\right)={\mathrm{syn}}^{\mathrm{LFM}}\left(t\right)+{\mathrm{syn}}_{\mathrm{ID}}^{\mathrm{CH}}(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LFM}})+s(t+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{LFM}}+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{CH}}+T)+n\left(t\right)---\left(12\right)$

其中，n(t)为噪声信号。 

首先，通过线性调频脉冲副本rep^LFM(t)进行副本相关检测，即： 

d(t)＝∫r(t)*rep^LFM(t-τ)dτ             (13) 

由于，线性调频脉冲副本与噪声信号是正交的，因此通过峰值检测： 

其中，D是检测阈值。如果通过线性调频脉冲副本相关检测到存在通信信号，则通过Q个可能存在的用户对应混沌调频调相脉冲副本 

q＝1，Λ，Q，进行Q次副本相关，即： 

$d_q\left(t\right)=\∫r\left(t\right)*{\mathrm{rep}}_q^{\mathrm{CH}}(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ},q=1,\mathrm{\Λ},Q---\left(15\right)$

由于混沌调频调相脉冲副本之间，以及与噪声信号之间都是正交的，因此通过峰值检测： 

可以检测出接收数据中可能存在的用户，由于在水声信道中各个用户共享一个信道，因此在时间上存在两个以上用户同时或间隙很小的到达通信接收设备的可能性，因此检出的用户数W一般为1，同时存在大于1的情况，这与各个用户与水面基地的距离和通 信繁忙程度有关，如果距离近或者通信繁忙同时检出的用户数就多。 

根据步骤5)由于信号发射时同步双脉冲与混沌调频调相扩频序列之间存在固定间隔T，通过混沌调频调相脉冲副本相关所检出的相关峰值可以进行粗同步，标示混沌调频调相扩频序列初始位置，即： 

$T_q=T+\hat{t}|{\hat{m}}_q^{\mathrm{CH}}\left(t\right)\≥D---\left(17\right)$

由于混沌调频调相脉冲之间都是相互正交的，因此不同检出用户相关峰值可以标示不同用户的混沌调频调相扩频序列初始位置。 

上述技术方案中，所述步骤7)中，所述信道均衡方法采用RLS均衡或turbo均衡，用以减小或去除水声信道影响。 

上述技术方案中，所述步骤8)中，所述多用户分组M元扩频副本集合是根据步骤6)中所检测到的用户标识和步骤3)和4)的相应过程生成的。对应检出用户数为W，则产生W*M组混沌调频调相扩频副本信号。 

${\mathrm{rep}}_w^m\left(t\right)=s_w^m\left(t\right)---\left(18\right)$

每组副本信号分别与接收数据进行副本相关： 

$d_w^m\left(t\right)=\∫r\left(t\right)*{\mathrm{rep}}_w^m(t-\mathrm{\τ})\mathrm{d\τ}---\left(19\right)$

由于各扩频信号相互正交的，通过最大似然检测峰值得到： 

${\hat{m}}_w=\arg \max \left(d_w^m\left(t\right)\right)=\left\{\begin{array}{cc}{A}^2& m\∈(m1,K,\mathrm{mr}){|}_w\\ 0& m\∉(m1,K,\mathrm{mr}){|}_w\end{array}\right.---\left(13\right)$

根据检测出的峰值可以分别检出对应用户w的映射组合(m1，K，mr)|_w，如图9所示。各个映射组合按照步骤2)中得到的混沌映射关系恢复编码信息(c₁，c₂，K，c_κ)|_w。 

上述技术方案中，所述步骤9)中，所述信道译码方法采用Turbo算法或Viterbi算法，再进行信源译码恢复通信信息(x₁，x₂，K，x_L)|_w。 

对于每个用户，可以通过用户判别器和消息映射器将接收的报文转换成语音数据流，由耳机顺序播放；也可以以图形显示的方式显示在水面基地的监视设备上。 

实施例2 

本实施例所提供的水下蛙人中近程实时通信的便携式通信声纳设备与实施例1相同，如图1所示。本实施例将描述蛙人之间通过发明设备进行语音通信的过程。 

本实施例所提供的利用混沌调频调相序列进行分组M元扩频多用户通信过程，包括通信发射过程和通信接收过程，所述通信发射过程包括如下步骤： 

1)根据控制模块获得的用户信息，确定发射的各项参数，由麦克风获得语音数据流，并通过音频编码器转换； 

2)将待发送的通信编码数据分成K个码元一组的数据块； 

3)按照一定的混沌映射关系得到混沌序列，形成混沌调频值序列映射分组和混沌调 相值序列映射分组，并根据数据块所含信息从分组中选择相应的混沌调频值序列和混沌调相值序列组合； 

4)通过混沌调频值序列和混沌调相值序列组合生成混沌调频调相扩频信号集合，将所述混沌调频调相扩频信号集合中所有混沌调频调相扩频信号叠加成一组并发混沌调频调相扩频信号，P组并发混沌调频调相扩频信号组成一个混沌调频调相扩频序列； 

5)根据用户信息生成同步双脉冲，并同混沌调频调相扩频序列进行组合，最后进行发射； 

所述通信接收方法包括如下步骤： 

6)对接收到的数据，通过多用户同步双脉冲副本，进行双脉冲用户检测与粗同步； 

7)再对检测到的用户接收数据进行信道均衡与细同步； 

8)然后通过与多用户分组M元扩频副本集合进行副本相关，检测与判决，并根据混沌映射关系恢复编码信息； 

9)对编码信息进行解码，由用户判别器与音频解码器将解码信息转换后由耳机播放。 

上述技术方案中，所述步骤1)中，用户通过控制模块设置蛙人之间的语音通话模式，一般为广播模式。所述发射的各项参数是指发射频段为15kHz～25kHz，传输数据率为8kbps、用户标识(1～255)等。由于蛙人之间的语音通信的特点是通信距离近、通信速率高，所以采用高频段和高带宽。 

上述技术方案中，所述步骤2)至8)的注意事项同实施例1。 

上述技术方案中，所述步骤9)中，所述信道译码方法同实施例1。对于每个用户，通过用户判别器和音频解码器转换成语音数据流，由耳机顺序播放。 

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (2)

1.一种蛙人用便携式水声通信设备，包括数据输入装置、通信发射装置、通信接收装置、数据输出装置及与各装置相连接的电源与接口装置，其特征在于：所述数据输入装置采集语音信号，语音信号经压缩编码后发送至通信发射装置，通信发射装置将接受到的信号转换成声信号发送到水声信道中，水声信道中的声信号被通信接收装置采集后，转化成电信号发送至数据输出装置，数据输出装置将电信号转化处理后通过耳机播放；

所述数据输入装置包括麦克风，音频编码器与控制模块，所述音频编码器将麦克风采集的语音信号进行实时无损语音压缩编码，并发送至通信发射装置，所述控制模块通过旋钮设置指令控制通信发射装置；

所述通信发射装置包括：参数选择器，用户映射器，数据编码器，数据分组器，混沌序列发生器，混沌映射器，混沌调制器，同步脉冲发生器，波形发生器，发射转换与控制模块，匹配网络与功率放大器以及收发共置换能器；其中，所述参数选择器根据控制模块提供的指令，选择与发射信息类别相匹配的频段提供给用户映射器、选择与发射信息类别相匹配的数据率提供给数据编码器；所述用户映射器根据参数选择器提供的参数选择与用户相匹配的混沌参数发送给混沌映射器以及混沌序列发生器；所述数据编码器根据参数选择器提供的参数对控制模块提供的消息指令或者音频编码器提供的语音数据进行信源编码与信道编码；所述数据分组器将数据编码器发送的数据流进行分组，并发送至混沌调制器；所述混沌序列发生器根据用户映射器提供的参数通过混沌映射方程产生由不同初始值确定的混沌序列，并发送至混沌映射器和同步脉冲发生器；所述混沌映射器根据用户映射器所提供的参数对混沌序列发生器所产生的混沌序列进行映射生成相互正交的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，并将这些分组发送至混沌调制器；所述混沌调制器根据混沌映射器提供的混沌调频值序列映射分组和混沌调相值序列映射分组，进行分组M元混沌扩频调制，将数据分组器提供的数据分组调制成发射数据块，并发送至波形发生器；同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成同步双脉冲，并发送至波形发生器；波形发生器将混沌调制器提供的发射数据块和同步脉冲发生器提供的同步双脉冲进行组合生成最终的通信发射信号，并发送给发射转换与控制模块；所述发射转换与控制模块将通信发射信号进行数/模转换以及发射调理，并将模拟发射信号与发射参数送至匹配网络与功率放大器；所述匹配网络与功率放大器由发射转换与控制模块驱动进行模拟发射信号的功率放大和匹配；所述收发共置换能器位于圆柱状细长水密罐上部，在匹配网络与功率放大器的驱动下，将模拟发射信号转换成声信号发送到水声信道中；

所述通信接收装置包括收发共置换能器，前置滤波与放大器，模/数转换器，同步检测器，同步脉冲发生器，混沌序列发生器，副本生成器，信道均衡器，混沌解调器，数据解码器；其中，所述收发共置换能器负责采集水声数据，进行声电转换发送至前置滤波与放大器；所述前置滤波与放大器对模拟接收信号进行滤波与放大，送至模/数转换器；所述模/数转换器将模拟接收信号转换成数字信号，发送至同步检测器；所述混沌序列发生器通过混沌映射方程产生信道内所有用户可能使用的混沌序列，并发送至副本生成器和同步脉冲发生器；所述同步脉冲发生器根据混沌序列发生器提供的多用户同步混沌序列，生成由线性调频脉冲与混沌调频调相脉冲组成多用户同步双脉冲副本，并发送至同步检测器；所述同步检测器根据同步脉冲发生器提供的多用户同步双脉冲副本进行通信信号检测，如果检测到通信信号则进行同步后将数据发送至信道均衡器，并将对应用户标识发送至副本生成器；所述信道均衡器对通信信号进行信道均衡，后送至混沌解调器；所述副本生成器根据混沌序列发生器提供的混沌序列和同步检测器提供的用户标识，生成对应多用户分组M元扩频副本集合，送至混沌解调器；所述混沌解调器根据信道均衡器提供的数据与副本生成器提供的多用户分组M元扩频副本集合，进行混沌扩频序列的相关解调，生成解调数据并发送至数据解码器；所述数据解码器将解调数据进行解码生成接收信息，发送至数据输出装置；

所述数据输出装置包括用户判别器，消息映射器，音频编码器与耳机，所述用户判别器判别通信接收装置获得的数据，将语音数据发送给音频编码器，将消息数据发送给消息映射器；所述消息映射器将报文数据内容映射成预置语音数据流发送至耳机播放；所述音频解码器将语音数据进行实时无损语音压缩解码，并将解码语音数据流发送至耳机播放。

2.根据权利要求1所述的蛙人用便携式水声通信设备，其特征在于：所述通信发射装置与通信接收装置共用混沌序列发生器，同步脉冲发生器以及收发共置换能器。

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