CN102315883A - 基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法。(1)以相邻码元时间差值携带信息；(2)利用不同线性调频信号(LFM)来实现码元分割；(3)不存在由相对运动产生时间漂移的累积，具有较好的抗码间干扰和抗多普勒的能力。仿真研究和湖试数据处理结果均验证了该方法的有效性与稳健性，与常规Pattern时延差编码通信方法相比该方法在一定程度上提高了通信系统的有效性，在收发节点存在相对运动的时候该方法具有更好的稳健性。在进一步研究的基础上，该方法可有效的应用于工程实践。

Description

基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种水声通信方法，更确切地说涉及一种基于非固定码元宽度的差分Pattern时延差编码水声通信方法。

背景技术

近年来随着人类海洋活动的增加，各种无人、载人潜器在海洋勘探开发领域发挥越来越大的作用，而其与母船间的信息互通是依靠水声通信的，所以水声通信尤其是移动水声通信技术逐渐成为了研究热点。在不同的应用场合，研究人员提出了各种各样的通信技术。

Pattern时延差编码通信(PDS)属于脉位编码，利用Pattern码出现在码元窗的时延差值进行时延编码，占空比小，可节省功耗；并且采用码元的时间宽度在时域进行相邻码元的分割。水声信道是一个时变空变的随参信道，在信源与信宿之间不存在相对运动时通常将水声信道看作多途相干信道。PDS的上述特性使得每个携带信息的基本码元均具有抗码间干扰的能力，有效地降低了水声信道的码间干扰，并且可克服多途衰落及噪声干扰。

PDS采用的是固定码元宽度来抵消多途信道引起的码间干扰，但是固定码元宽度一方面会带来一定程度上通信速率的下降。另外，就是当存在由于相对运动而产生时间压缩或展宽时，常规PDS通信系统在解码时存在的时间漂移累积会带来后续码元解码误码的大规模出现。而且当存在时间压缩或展宽时，在接收端很难精确做到码元分割。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效的提高通信速率，具有较好的抗码间干扰和抗多普勒的能力的基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

在发射端：

(1)采用线性调频信号(LFM)或者其他具有良好自相关性的信号作为通信帧同步信号；

(2)将经过信源编码的信息调制在非固定宽度码元中Pattern码的时延差之上，Pattern码由不同的线性调频信号或者具有良好自相关性较低互相关性的其他信号充当；

(3)将步骤(2)得到的信号经过功率放大后通过发射换能器发射；

在接收端：

(4)首先利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测经过前置放大同步信号，检测相关峰判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准；

(5)根据步骤(4)提供的时间基准，在可能出现第一个Pattern码的区间进行滑动相关搜索，利用拷贝相关器(匹配滤波器)得到第一个Pattern码的相关峰进而得到第一个Pattern码时延差值，利用该差值解调出第一个码元携带的信息，同时第一个码元中Pattern码的后延即为下一个码元的解码时间基准；

(6)利用步骤(5)提供的当前码元的解码时间基准，采用同第一个码元相同的解码方法完成后续码元的解码。

本发明基于PDS体制的特点，研究了收发节点相对运动给通信带来的影响，提出了一种以相邻码元的时间差值携带信息的差分编码方式(DPDS)，它的码元宽度是非固定的，有效的提高了通信速率，具有较好的抗码间干扰和抗多普勒的能力。其主要优点体现在具有抗水声信道多途扩展性能，相比于PDS编码水声通信技术具有更高的通信速率与抗多普勒性能，具体来说：

(1)携带信息的码元采用了非固定宽度码元，提高了系统的通信速率，相比于同样参数下的PDS通信系统，DPDS系统通信速率提高了30％左右。

(2)以相邻码元时间差值携带信息，不存在由相对运动产生时间漂移的累积，具有较好的抗多普勒的能力。

(3)对于相邻码元采用不同的Pattern码(相邻Pattern码具有较低的互相关性能)来实现码元分割，因此系统具有很好的抗水声信道多途扩展的性能。

附图说明

图1为差分Pattern时延差编解码示意图；

图2为非固定码元宽度Pattern时延差编码通信方法的帧结构示意图；

图3为在进行仿真研究时采用的水声信道的冲激响应函数；

图4为在进行仿真研究时相关解码的结果；

图5为湖试时所在水域的声速分布情况；

图6为湖试数据同步估计结果。

图7为湖试数据相关解码的结果；

图8不同多普勒条件下解码仿真结果表；

图9试验数据处理结果统计表。

具体实施方式

本发明主要包括：

(1)携带信息的码元采用了非固定宽度码元；

(2)以相邻码元时间差值携带信息；

(3)利用不同线性调频信号(LFM)来实现码元分割；

(4)不存在由相对运动产生时间漂移的累积，具有较好的抗码间干扰和抗多普勒的能力。

具体步骤包括：

在发射端：

(1)采用线性调频信号(LFM)或者其他具有良好自相关性的信号作为通信帧同步信号，同步主要用来提供第一个码元解码的时间基准以及用来进行信道估计；

(2)将经过信源编码的信息调制在非固定宽度码元中Pattern码的时延差之上，Pattern码可由不同的LFM信号或者具有良好自相关性较低互相关性的其他信号充当；

(3)将上述信号经过功率放大后通过发射换能器发射。

在接收端：

(1)首先利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测经过前置放大同步信号，主要是利用同步信号的优良的自相关性检测其相关峰判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准；

(2)根据上一步提供的时间基准，在可能出现第一个Pattern码的区间进行滑动相关搜索，利用拷贝相关器(匹配滤波器)得到第一个Pattern码的相关峰进而得到第一个Pattern码时延差值，利用该差值解调出第一个码元携带的信息。同时第一个码元中Pattern码的后延即为下一个码元的解码时间基准；

(3)利用上一步提供的当前码元的解码时间基准，采用同第一个码元相同的解码方法完成后续码元的解码。

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

1、发射端编码实现方法：

差分Pattern时延差编码水声通信体制(Differential Pattern Time Delay Shift Coding，DPDS)是对Pattern时延差编码体制的改进，如图1所示。从图中可以看到，每个码元均无固定码元宽度，相邻的Pattern码采用正、负调频斜率的线性调频信号(也可采用其他具有良好自相关性能较低互相关性能的信号)进行码元分割，这样可以抑制部分多途信道对相邻码元产生的码间干扰。

图1中T_p为Pattern码脉宽。T_{i_end}表示第i个码元结束时刻，τ_i表示第i个码元所调制的时延值，τ_i∈[0，T_c]，其中T_c为最大编码时间。若每个码元携带nbit信息，则将最大编码时间T_c分为2n-1份，编码量化层Δτ＝T_c/(2ⁿ-1)。例如当每个码元携带4bit信息时，则将编码时间均分为15份，第i个码元的时延差τ_i为：

τ_i＝T_{i_end}-T_{i-1_end}-T_p＝k_i×Δτ，ki＝0，1，…，2n-1         (1)

式中，第i个码元信息的参考时基是前一码元，不同的τ_i代表不同的信息，若k＝0，则代表信息“0000”，Pattern码位置τ＝0；若k＝8，则代表信息“1000”，Pattern码位置τ＝8×Δτ。

由式(1)可得：在最大编码时间T_c和Pattern脉宽T_p一定时，通信速率与每个码元携带的信息数n有关，每个码元所携带的信息量n越大，则通信速率越高，但此时的编码量化间隔Δτ就越小，这时对系统的时延估计精度的要求就越高。也就是说，时延估计的精度越高，则编码的量化层Δτ可分得越细，每个码元所携带的信息量就越大，系统的通信速率就越高。

2、接收端解码实现方法：

差分Pattern时延差编码通信体制信号结构如图2所示，图中信息码开始时刻为0时刻，之前有同步信号以及宽度为T_z的保护时隙。T_z大于信道多途扩展时延，一方面可提高同步准确度，另一方面以减少同步码多途扩展对后续信息码的干扰。图2所示为一个帧单元的结构，在进行水声通信时多个帧顺序发送，帧与帧之间同样有T_z的保护时隙。

本发明提出的差分Pattern时延差编码每个码元没有了固定码元宽度，相邻的Pattern码采用正负线性调频信号(也可采用其他具有良好自相关性能较低互相关性能的信号)进行了码元分割，这样可以抑制部分多途信道对相邻码元产生的码间干扰。图2中信息码开始时刻为0时刻，之前有一个同步信号以及一个宽度为T_z的时隙(T_z大于信道多途扩展时延，一方面可提高同步准确度，另一方面以减少同步码多途扩展对后续信息码的干扰)。图1中T_{i_end}表示第i个码元结束时刻，Code i表示第i个码元，τ_i表示第i个码元所调制的时延值，有τ_i∈[0，T_c]，其中T_c为最大编码时间。由图1可得：

T_{1_end}＝τ₁+T_p

T_{2_end}＝T_{1_end}+τ₂+T_p＝τ₁+τ₂+2×T_p

                                                       ......(2)

$T_{n\_\mathrm{end}}=T_{n-1\_\mathrm{end}}+{\mathrm{\τ}}_n+T_p=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\τ}}_i+n\×T_p$

由式(2)可得，差分Pattern时延差通信系统在进行解码时，第i个码元Pattern码相关峰出现的位置T_{i_end}与解码时间基准T_{i-1_end}(该时刻为前一个码元Pattern码的相关峰位置)的差值，再减去T_p即求得第i个码元携带的时延值τ_i。

理想信源条件下，从统计的角度来分析，对于每个码元平均码元宽度为T_p+T_c/2，差分Pattern时延差编码通信系统的通信速率为：

$v=\log (\frac{T_c}{\mathrm{\Δ\τ}}+1)/(T_p+T_c/2)=n/(T_P+T_c/2)---\left(3\right)$

3、系统对抗多普勒效应方法：

当信源、信宿间存在相对运动时，将会产生两方面问题：①多普勒效应对Pattern码在时域上产生压缩或展宽引起的与本地参考码之间相关性的减弱；②由于信源、信宿间相对距离的变化而造成时间漂移，该时间漂移随着通信的持续而会发生累积。对于第一个问题，由于本方法选取正、负调频斜率的LFM为Pattern码型，它具有较好的多普勒容限，在LFM信号相关性损失3dB(半功率点)的情况下对应的多普勒系数为1.74/BT，其中B为信号的带宽、T为信号的脉宽。本方法采用的Pattern码参数下多普勒容限为0.0435，本方法的仿真和湖试条件下产生的多普勒均不会对Pattern码的相关性产生很大的影响，在此不做详细讨论。下面分析一下第二个问题。

信源、信宿间径向运动速度为v，其在通信时间长度为T_x内的移动距离，等于信源、信宿相对距离变化所产生的时间压缩量内的声程，即：

vT_x＝c(T_x-T_x′)                                           (4)

式中，dT_x＝T_x-T_x′为时间压缩量，也是通信时间长度T_x内的时间漂移累积量。

从式(1)中可以看出，各码元信息是以相邻码元的时间差携带的，参考时基是前一码元，所以对于下一码元，式(4)中的通信时间长度为T_x＝T_p+τ_i。只要保证在此通信时间T_x范围内，时间漂移累积量dT_x小于编码量化层Δτ/2，则不会由于时间漂移产生误码，即满足：

${\mathrm{dT}}_x=\frac{{\mathrm{vT}}_x}{c}<\frac{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{2}---\left(5\right)$

式中，c为声速。由此可推出，当信源、信宿间径向运动速度

时，通信系统不会由于时间漂移累积产生误码。对于差分Pattern时延差编码系统，式(5)中的通信时间长度的最大值为T_xmax＝T_p+T_c，假设T_p＝T_c，每个码元携带nbit信息，则v只要保证不大于

时，则不会由于信源、信宿间的相对运动而产生的时间漂移的累积导致误码。工程实际应用中，为提高通信质量，水声通信期间通信双方相对速度应低于5m/s较为适宜，以减小多普勒效应和本地背景干扰。所以DPDS系统具有较好的抗多普勒效应产生的时间压缩、展宽的能力。

4、系统提高通信速率方法：

从统计的角度来分析信源，对于每个码元平均码元宽度为T_p+T_c/2，则差分Pattern时延差编码通信系统的通信速率为n/(T_p+T_c/2)。同传统PDS系统比较，差分Pattern时延差编码除了具有抗相对运动产生时间漂移累积的能力外，可以推出其通信速率提高了：

Δv＝n/(T_P+T_c/2)-n/T₀                                      (6)

假设T_p＝T_c，则通信速率约提高了33.3％。

5、仿真与湖试验证：

通信系统信号参数如下：采样频率48kHz；同步信号采用带宽4-8kHz脉宽40ms的LFM信号；Pattern码采用正负调频斜率的LFM信号(相邻的Pattern采用不同的LFM信号进行码元分割)，带宽4-8kHz脉宽T_p＝10ms，没有固定的码元宽度，每个码元携带4bit信息，最小量化时延为0.667ms；最大编码时间T_c＝10ms；保护间隔：T_z＝50ms。

为验证差分Pattern时延差编码通信体制以及上述分析，在此进行了系统的仿真分析。仿真中采用的多途信道冲激响应函数如图3所示。

图4为同步码后的两个信息码元与本地Pattern码的拷贝相关波形输出结果，其中上图为Pattern1相关的结果，下图为Pattern2相关的结果。从图中可以看出正、负调频斜率的LFM信号做为两个Pattern，由于他们之间具有较弱的互相关性，不会产生相邻码元带来的码间干扰。通过变采样技术，仿真验证在不同多普勒系数条件下的系统性能，如图8的表1所示。其中环境干扰为带限高斯白噪声。

从表1解码结果来看，在±5m/s的范围内，在未采用任何多普勒补偿技术下，本文提出的差分Pattern时延差编码通信系统具有较好的抗多普勒性能，验证了该体制的可行性与稳健性。而常规的Pattern时延差编码系统在未进行多普勒补偿情形下，将产生较大的误码率。

为进一步验证系统的有效性，于2010年9月在莲花湖进行了湖试。莲花湖平均水深40m，收、发节点分别位于两艘处于自由漂泊状态的船上。图5为试验当时通过声速剖面仪测量得到的声速梯度分布，水面等温层非常薄，声速呈负梯度声速分布，且负声速梯度的量级较大。

发射换能器吊放深度为水下2m，刚性连接在发射船上；接收水听器吊放深度为水下7m；信源信宿相距距离为300-3000m，试验进行时发射船处于移动状态，存在多普勒效应。

图6为湖试数据中通信距离为2000m时接收数据同步和相关解码的结果。试验过程中，船速有限，最大船速约为7m/s。实际中工程应用往往为保证通信质量，水声通信期间通信双方相对速度也不宜过高。

图9的表2为试验数据的处理结果统计，由此可以看出，DPDS系统相比于同参数下PDS系统通信速率提高33.3％的同时，当信源、信宿存在相对运动产生多普勒效应时，差分Pattern时延差通信系统仍具有较好的稳健性。

Claims (1)

1.一种基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法，其特征是：

在发射端：

(1)采用线性调频信号或者其他具有良好自相关性的信号作为通信帧同步信号；

(2)将经过信源编码的信息调制在非固定宽度码元中Pattern码的时延差之上，Pattern码由不同的线性调频信号或者具有良好自相关性较低互相关性的其他信号充当；

(3)将步骤(2)得到的信号经过功率放大后通过发射换能器发射；

在接收端：

(4)首先利用拷贝相关器检测经过前置放大同步信号，检测相关峰判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准；

(5)根据步骤(4)提供的时间基准，在可能出现第一个Pattern码的区间进行滑动相关搜索，利用拷贝相关器得到第一个Pattern码的相关峰进而得到第一个Pattern码时延差值，利用该差值解调出第一个码元携带的信息，同时第一个码元中Pattern码的后延即为下一个码元的解码时间基准；

(6)利用步骤(5)提供的当前码元的解码时间基准，采用同第一个码元相同的解码方法完成后续码元的解码。

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