CN103368660B - 一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法。将海豚Whistles信号应用于差分Pattern时延差编码通信体制中而提出了一种仿生水声通信方式。（1）选取Whistles信号作同步码和Pattern码；（2）以相邻Whistles信号之间的时延差值携带信息；（3）Whistles信号不同于线性调频信号等有规编码信号，其是海洋环境中真实存在的，不容易被探测，且特殊的编码方式也不易使信息被破译，具有较强的通信隐蔽性。对系统进行了水池实验，在通信速率为67bit/s，信噪比为0dB时实现了低误码数据传输，验证了系统的有效性、稳健性和隐蔽性。

Description

一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法

技术领域

本发明涉及的是水声通信方法。更确切地说是一种仿生水声通信方法。

背景技术

随着现代探测技术的发展，对水声通信隐蔽性的要求不断提高。仿生是一种隐蔽水声通信可以采取的方法，与单纯的降低信噪比不同，仿生是用水声环境中自然存在的信号做调制波形，这种信号可以选用海豚、鲸鱼等海洋哺乳动物发出的声音。根据信号的不同形式，一般把海豚声信号分成三大类：回声定位信号(Clicks)、通信信号(Whistles)和应急突发信号(Burst Pulses)。近年来，国内外对海豚声纳的研究主要集中在回声定位信号和通信信号上，对于后者的研究主要分为两种：一是通信信号的分类；二是通信信号传递信息的分析，而将其应用于水声通信编码方面的研究甚少。

文献《差分Pattern时延差编码水声通信技术研究》（通信学报第33卷第6期112-117页）以及专利申请号为201110122340.8的专利文件中公开的《基于非固定码元宽度的Pattern时延差编码水声通信方法》对DPDS体制进行了详细描述。DPDS体制将信息编码技术和信道编码技术融于信号码元的设计中，采用码元分割，以相邻码元的时间差值携带信息，具有较好的抗码间干扰和抗多普勒的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效性、稳健性和隐蔽性好的基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

在发射端：

（1）将信息进行串并转换，计算信息所要调制的时延差值；

（2）将时延差值调制在不同Whistles信号之间形成编码信号；

（3）编码信号之前添加同步信号形成一帧信号，同步信号是为了确定解码的时基并进行信道估计，同步信号采用一段Whistles信号；

（4）将帧信号经过功率放大后通过换能器发射出去；

在接收端：

（5）对水听器接收来的信号进行同步，同步主要是利用Whistles信号优良的自相关特性，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护时隙的长度确定信号开始的时刻，信号开始的时刻即为第一个码元解码的时间基准；

（6）根据上一步提供的时间基准截取编码信号，利用拷贝相关器搜索第一个Pattern码的相关峰，该相关峰时刻减去Pattern码脉宽即得到第一个码元的时延差值进而解调出携带的信息，并串转换后得到原信息序列，同时该相关峰时刻为下一个码元的解码提供了时间基准；

（7）重复（6）中的步骤完成后续码元的解码。

本发明的主要特点体现在：选取了海豚Whistles信号作同步码和Pattern码，并以相邻Whistles信号之间的时延差值携带信息。海豚Whistles信号不同于线性调频信号等有规编码信号，其是海洋环境中真实存在的，不容易被探测，且DPDS特殊的编码方式能够使其更接近真实环境中的海豚信号，因此具有较强的通信隐蔽性。

附图说明

图1为海豚Whistles信号的时域波形；

图2为海豚Whistles信号的时频分析图；

图3为差分Pattern时延差编码示意图；

图4为进行水池实验时同步码相关检测结果；

图5(a)-图5(d)为进行水池实验解码相关结果。

具体实施方式

本发明主要包括如下步骤。

在发射端：

（1）将信息进行串并转换，计算信息所要调制的时延差值；

（2）将时延差值调制在不同Whistles信号之间形成编码信号；

（3）编码信号之前添加同步信号形成一帧信号，同步信号是为了确定解码的时基并进行信道估计，同步信号采用一段Whistles信号；

（4）将帧信号经过功率放大后通过换能器发射出去。

在接收端：

（1）首先对水听器接收来得信号进行同步，同步主要是利用Whistles信号优良的自相关特性，同步信号的相关峰位置时刻加上保护时隙的长度就可以确定信号开始的时刻，该时刻即为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截取编码信号，利用拷贝相关器搜索第一个Pattern码的相关峰，该相关峰时刻减去Pattern码脉宽即得到第一个码元的时延差值进而解调出携带的信息，信息并串转换后得到原信息序列，同时该相关峰时刻为下一个码元的解码提供了时间基准；

（3）重复2中的步骤完成后续码元的解码。

下面举例对本发明做更详细地描述。

1、海豚Whistles信号的分析与选取

海洋哺乳动物发出的信号为非平稳信号。传统的信号分析手段，如傅里叶变换反映不出信号频率随时间变化的行为，只适合分析平稳信号，而对频率随时间变化的非平稳信号只能给出一个总的平均效果。时频分析的方法可用于分析非平稳信号，可以描述信号的频率随时间变化的特点。

海豚Whistles信号主要用于个体或群体之间互相联络，情感表达。Whistles信号为调频信号，频带较窄，持续时间从几百毫秒到几秒长短不一。图1为采集到的一段海豚Whistles信号，图2是对采集到的信号进行短时傅里叶变换的结果。由图2可知该段海豚Whistles信号能量主要集中在2～8kHz范围内，属于低频信号，适宜在水中进行远距离传输。

图1中的海豚Whistles信号共包含6串不同的信息码元，从每串信息码元中截取一段长度为40ms的有效信号，分别记为W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆。表1详细列出了归一化后的各串信号互相关及自相关系数。

表1海豚Whistles各串信号相关系数

海豚Whistles信号能量集中在声频范围，属于低频信号，各信息码元串之间互相关较弱。从图2可以看出海豚Whistles信号相邻信息码元串之间有一定的时间间隔，且时间间隔不固定，而DPDS系统也正是利用相邻码元之间的时延差值来携带信息，因此DPDS系统中应用海豚Whistles信号能够使通信信号更近似于海洋中的海豚所发信号，具有较强的隐蔽性。

从海豚Whistles信号中选取Pattern码应遵循以下两个原则：一是选取Whistles信号个数尽可能多；二是Whistles信号之间的互相关性弱。综合以上原则并根据表1统计结果。选取一组互相关系数小(归一化互相关系数小于0.30)的W₁、W₂、W₃、W₅作为水下数据传输系统的4种Pattern码波形。

2、编解码实现方法：

DPDS水声通信体制将数字信息调制于Pattern码出现在码元的时延差信息中，属于脉位编码，其编码示意图如图3所示。图3中：T_p为Pattern码脉宽；T_{i_end}为第i个码元结束时刻；d_i为第i个码元所调制的时延值，d_i∈[0,T_c]，其中T_c为最大编码时间。

以Δd表示最小量化时间，假设每个码元携带n bit信息，则最小量化时间Δd=T_c/(2ⁿ-1)，时延值d_i=k_i×Δd(k_i=0,1,…,2ⁿ-1)。DPDS波形可以用以下的表达式表示：

$s\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{p}_j[t-\underset{n=1}{\overset{L\·i+j}{\mathrm{\Σ}}}{k}_n\·\mathrm{\Δd}-(L\·i+j-1)\·T_p]$

式中，L为Pattern码的个数；p_j(t)为第j个Pattern码波形；为(L·i+j)个码元的时延差值；(L·i+j-1)·T_p为(L·i+j-1)个Pattern码时间宽度。

解码时利用原始Pattern码与经过信道的Pattern码做滑动相关运算，找出相关峰的位置，第i个码元Pattern码相关峰位置T_{i_end}与第i-1个码元Pattern码相关峰位置T_{i-1_end}的差值，再减去T_p即求得第i个码元携带的时延值d_i。

3、水池验证

为了验证系统的有效性和稳健性，于哈尔滨工程大学信道水池进行了水声通信实验。该信道水池长40m，宽6m，高6m，水深约5m，收发节点分别位于两台行车上，发射换能器频带2～8kHz，接收水听器和功放采用BK公司的BK8105和BK2713，信号放大滤波采用嘉兆科技的PF-1U-8FA，发射换能器和接收水听器均垂直吊放，发射和采集设备采用两台电脑声卡。

通信系统信号参数如下：采样频率48kHz；Pattern码采用4段带宽2～8kHz海豚Whistles信号W₁、W₂、W₃和W₅，脉宽T_p=40ms；同步信号采用W₆；每个码元携带4bit信息，最小量化时间为2.5ms；最大编码时间T_c=40ms；保护间隔：T_z=50ms；通信速率为67bit/s。

信源、信宿相距8m，发射换能器吊放1m，接收水听器吊放2m时，图4显示了同步检测输出结果，图5(a)-图5(d)显示了Pattern码拷贝相关输出结果。

从图4可以看到，水池实验时信号所经过的信道较为复杂，最大多途扩展延时达20ms。但由于海豚Whistles信号具有优良的自相关特性以及较弱的互相关性，且选用了4种Whistles信号作为Pattern码波形，因此系统具有较强的抗码间干扰的能力，对多途效应不敏感。从图5(a)-图5(d)也可以看出，尽管实验信道多途复杂，但接收信号与本地Pattern码的解码相关峰仍比较明显，验证了系统的有效性和稳健性，也体现了拷贝相关解码可获得相关增益，有助于实现低发射功率下的隐蔽通信。

为了进一步验证系统的稳健性，实验时多次改变信源、信宿的距离以及发射换能器和接收水听器的吊放深度，以验证系统在不同信噪比、不同声信道条件下的性能。表2给出了实验数据的处理结果，从实验结果可以看出，DPDS仿生水声通信系统在信噪比较低且声信道不同情况下均表现出优异的解码性能，具有很好的稳健性。

表2实验数据处理结果统计

Claims (1)

1.一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法，其特征是：

在发射端，

(1)将信息进行串并转换，计算信息所要调制的时延差值；

(2)将时延差值调制在不同Whistles信号之间形成编码信号；DPDS水声通信体制将数字信息调制于Pattern码出现在码元的时延差信息中，属于脉位编码，T_p为Pattern码脉宽，d_i为第i个码元所调制的时延值，d_i∈[0,T_c]，T_c为最大编码时间，以Δd表示最小量化时间，设每个码元携带n bit信息，则最小量化时间Δd＝T_c/(2ⁿ-1)，T_c为最大编码时间，时延值d_i＝k_i×Δd、k_i＝0,1,…,2ⁿ-1，DPDS波形用表达式：

表示

式中，L为Pattern码的个数；p_j(t)为第j个Pattern码波形；个码元的时延差值；(L·i+j-1)·T_p为(L·i+j-1)个Pattern码时间宽度；

(3)编码信号之前添加同步信号形成一帧信号，所述同步信号采用一段Whistles信号；

(4)将帧信号经过功率放大后通过换能器发射出去；

在接收端，

(5)对水听器接收来的信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护时隙的长度确定信号开始的时刻，信号开始的时刻即为第一个码元解码的时间基准；

(6)根据上一步提供的时间基准截取编码信号，利用拷贝相关器搜索第一个Pattern码的相关峰，该相关峰时刻减去Pattern码脉宽即得到第一个码元的时延差值进而解调出携带的信息，并串转换后得到原信息序列，同时该相关峰时刻为下一个码元的解码提供了时间基准；

(7)重复(6)中的步骤完成后续码元的解码。