CN103501201B - 一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其利用水下多径干扰存在时隙不重叠的特点，采用调频编码和脉位编码调制结合对信息进行调制，通过增加跳频数量增加每一帧的时隙数量来提高每一帧的时间长度，使大部分多径信号的时延扩展小于一帧的持续时间；在接收端利用滤波器从频域上提取主径信号。本发明在保证抗多径干扰性能的前提下，简化了发送和接收端的装置、降低了发送所需功率和增加了数据发送的速率，克服了传统的水声通信技术装置复杂、功耗大、信息受多径干扰大并且发送速率慢等缺点。

Description

一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法

技术领域

本发明涉及水下通信领域和脉位编码技术，特别涉及一种基于线性调频信号（LFM）的跳频脉位编码水声通信方法。

背景技术

由于海水是无线电的不良导体，无线电在其中的穿透力很难满足大多通信系统数据通信的设计要求。水声通信由于其水下穿透力强、方便、灵活、经济和无电缆等特点，被认为是最有前途的水下通信方式。水声通信最大的难点是多径效应：海水中的声音传播速度大约为1500m/s，而声传播产生的反射，散射无法消除。所以声波将经历不同的路径到达接收端。接收端所接收到的信号除主径之外还有叠加的其他路径的多径信号，这些多径信号虽然和主径信号一样都来自信源，但是时延不同，因此它们的叠加将造成干扰，称为多径干扰。多径干扰能造成信号衰落，信号时延扩展等问题，而时延扩展带来的码间干扰被认为是水声通信的主要障碍，它使得接收到的信号无法辨识。

现在一些水声通信系统，如一种M-ary扩频通信方法(专利号：03156106.3)、基于OFDM编码的水声通信差分解码方法(专利号：200910071541.2)等采用一般扩频或QPSK-OFDM编码等方式克服发送速率慢，多径干扰等问题，但存在发射功率高，装置复杂等问题。这些水下通信系统发端大多采用D类数字功放管，如TI的TAS5261，其功率最高达315W，其供电功率也高达50V左右。而像OFDM类似的系统，收发端装置也过于复杂，往往需要结合MIMO技术，采用收发端阵列，增加了成本。并且现有的方法大多将信息调制于载波的频率、相位上，而多径干扰所造成的频率选择性衰落、码间干扰等对载波的影响很大，因此克服多径干扰的代价也相对较大。

虽然大多数信号通过水声信道，受到多径干扰和环境干扰，在时域上变得不可辨认，但是多径干扰在一些设定的情况下也有其固有的规律。将发送信号分为帧，每一帧内分为固定的时隙。在帧长足够长、通信距离较短的情况下，接收端接收到的主径信号某一帧内某一时隙几乎不可能叠加多径信号的其它帧相应时隙的信号，这种时隙不重叠性质这是两个原因造成的：第一，要使接收到的主径信号某一时隙叠加多径信号其他帧的相应时隙，则多径信号的时延扩展应大于或等于一帧的时间长度，而除主径之外，大部分多径信号时延在一帧时长以内。第二，虽然部分多径干扰信号的时延大于一帧的时间长度，但是由于时延长度相对较长，其通信距离较长，这些多径信号的能量衰减大，因此对接收端主径信号的辨别几乎不产生影响。将一帧分为多个时隙，每个时隙填充不同中心频率的载波，若多径干扰的时延扩展在一帧时长以内，则接收端接收到的信号每个时隙都是主径信号时隙和多径信号其他时隙的叠加，不会出现主径时隙和多径信号其他帧相应时隙叠加的情况。如果这些多径信号的中心频率和主径信号的中心频率不同，则它们在幅频谱上互不干扰，就可以利用滤波器将这些多径干扰滤除。利用上述现象将信息调制于时域上，接收端对多径干扰的处理代价就大大降低了。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，具体技术方案如下。

一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其利用水下多径干扰存在时隙不重叠的特点，采用调频编码和脉位编码调制结合对信息进行调制，通过增加跳频数量增加每一帧的时隙数量来提高每一帧的时间长度，使大部分多径信号的时延扩展小于一帧的持续时间；在接收端利用滤波器从频域上提取主径信号。

进一步的，上述基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法中，所述调频编码包括：将信源整合后的非零合并符号所包含的二进制信息调制于LFM脉冲的调频斜率上，通过LFM的调频斜率表示非零合并符号的不同；所述信源整合是将二进制信息源整合为零符号以及非零合并符号，其中每个非零合并符号代表若干二进制信息；

所述脉位编码包括：通过脉冲相对位置调制信息；脉位编码所调制的信息为整合后的零与非零合并符号信息；每一帧不同的时隙对应一个符号，若该符号为零符号，则不填充，若为非零合并符号，则填充相应中心频率及调频斜率的LFM脉冲；每一帧的各个时隙脉冲都将对应不同的中心频率，对于在一帧时延扩展范围内的多径干扰信号，主径信号的每个时隙所叠加的多径干扰，其中心频率都将与主径时隙的中心频率不同。

进一步的，所述信源整合具体包括如下步骤：

③输入二进制码流并顺序搜索，若为0位，则直接存入内存，并将0视为单独一位符号，即零符号，并继续搜索；若为1位则进入下一步；

④获取非零合并符号，若设定在LFM信号上调制x比特二进制信息，则在搜索到的1位之后组合x-1位，与检索到的1位合并，共x位，组成新的符号即非零合并符号，记为A_i并存入内存，若此时二进制码流还未结束，则返回步骤①，直到完全将所需发送的信源编码完成，在内存中就存入了信源整合后的符号信息；其中A_i的取值共2^x-1个，所有合并过程的非零合并符号都将从2^x-1个不同符号中产生。

进一步的，所述调频编码具体包括：内存中的零符号和非零合并符号需要有相应的载波进行承载才能发射进入信道，对于零符号，在其时隙不发送任何信息；而对于非零合并符号则需要用不同的LFM信号表示；标准LFM信号记为：

$f_n\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}$ n=1,2,…,2^x-1公式（1）

其中x是需要调制在LFM信号上的比特数，整合后非零合并符号的信息调制在k_n上，k_n是LFM信号的调频斜率，表示其频率变化的速度，根据不同的水声信道环境可以自由调整其大小，只需要保证每个调频斜率不同且在接收端可分辨即可；f₀为标准LFM信号的初始频率，t是时间变量；标准LFM信号存入内存，为了产生中心频率与跳频中心频率相同的LFM信号，将N个跳频正弦信号也存入内存，而相应中心频率的LFM信号脉冲的生成需要将标准LFM信号和跳频正弦信号相乘，

${f_n}^{\′}\left(t\right)=f_n\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{s}t}=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}\·e^{j2\mathrm{\π}{f}_{s}t}$ s=1,2,…,N公式（2）

其中N为每一帧跳频数，f_s为相应时隙对应的中心频率频率；

进一步的，上述调频编码之后，内存中的零符号和非零合并符号分别对应为空载波和相应的LFM信号载波；脉位编码将内存中的载波信息变为具体的由LFM信号脉冲和空信号组成的声信息序列；给每个符号按顺序分配时隙，每个时隙根据内存中的符号和载波信息，填充空信号或者相应的LFM信号脉冲；LFM信号脉冲或者空信号的持续时间与时隙的时间长度相同；内存中零符号对应的时隙不填充任何信息，即填充空信号，而非零合并符号的时隙则填充相应的LFM信号脉冲，具体包括：

1）顺序检测内存中信源整合后的数据，若为零符号，则在相应时隙不做添加并继续搜索，若为非零合并符号则进入下一步；

2）在非零合并符号A_i的时隙位置添加相应跳频中心频率的LFM信号，从内存中取出其对应的标准LFM信号以及与添加时隙对应的跳频正弦信号，按式（2）的方法产生相应的LFM信号脉冲并填充该时隙；

循环上述步骤1）和2），若每一帧的跳频数是N，则一帧内有N个时隙，取内存中的每N个符号数据作为一帧；所述非零合并符号对应的LFM信号满足以下两个条件：

a：LFM信号脉冲的中心频率为通信系统中帧内相应时隙所设定的中心频率；

b：LFM信号的调频斜率与信源整合后内存中符号对应，承载相应的信息。

上述条件a在脉位编码过程中匹配，条件b则在调频编码过程中进行匹配。

上述基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法还包括添加帧头：脉位编码后，根据水声信道的不同，每一段信息前都加上帧头数据，用作接收时的多普勒频移估计以及时间同步；水声信道越稳定，帧头数据后的帧数越多；帧头数据采用脉冲对形式。脉冲使用自相关性能良好的LFM信号，两脉冲之间相隔时间为T_c，其频率分别为f_c1和f_c2；当水声信道环境稳定的时候，每个帧头后的帧数量较不稳定时大，当水声信道不好时，通过减少帧头后帧数的方法适应水下信道的变化。

上述基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法中，信号接收端的解调方法包括：

若发送端发送一个脉冲信号，记为δ(t)，由于多径的影响，在接收端接收到的信号就是多径信号的叠加：

公式（3）

其中S_接收(t)是接收到的信号，M是多径的数量，a_i是每条径对应的衰减，τ_i是每条径对应的延迟，t是时间变量；单一的脉冲由于多径干扰变为了多个脉冲，若水声信道模型记为g(t)，当多径有M条的时候，信道模型表示为

$g\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)$ 公式（4）

若此时有信号f(t)，即发送端信号进入此水下信道，则接收端接收到：

$S\left(t\right)=g\left(t\right)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)$

$=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{f}_n(t-{\mathrm{\τ}}_i)+n\left(t\right)$ 公式（5）

其中g(t)是水声信道，f_n(t)是振荡器发射的声信号，n(t)是环境噪声等造成的高斯白噪声。

进一步的，所述信号接收端的解调具体包括如下步骤：

步骤一，接收端接收信道传来的信号，并且根据帧头数据进行时间同步和多普勒频移估计；时间同步时对接收到的信号脉冲分别使用与发送端帧头频率设定相同的频率为f_c1和f_c2的LFM信号进行相关，得到两个相关输出的脉冲位置，其时间间隔记为T_c′，若T_c′=T_c，则视为同步成功；同时利用两脉冲频率的变化估计出多普勒频移，使用多普勒频移估计的数据对后续信号进行频率补偿；

步骤二，补偿后的信号通过相应的跳频滤波器滤除多径干扰；所述跳频滤波器指的是一组中心频率互相不同且与通信系统设置的跳频频率一一对应的滤波器，这些滤波器随着时间的不同依次进入工作状态，并且每一滤波器的工作时间对应一个时隙的时间长度，其滤波中心频率与该时隙设定的中心频率相同；

经过所述时间同步阶段，接收到的信号每个时隙都将对应相应的跳频滤波器，其中心频率与该时隙原始信号的中心频率相同；而接收端接收到的时隙信息是主径时隙信号和多径其他时隙信号的叠加，这些干扰信号的中心频率与主径信号的中心频率不同，如式（5）所示；信号经过跳频滤波器，相应的跳频滤波器表示为h_s(t)，其中s=1,2,…,N；

若滤波后的信号记为y(t)，

y(t)=s(t)*h_s(t)公式（6）

使用跳频滤波器将多径信号消除后，

y(t)=a*f_n′(t-τ)+n(t)*h_s(t)公式（7）；

步骤三，对处理后的数据解码，通过脉位解码和调频解码从信号中提取发送信息，具体包括：

（1）脉位解码：搜索有脉冲的时隙，该时隙对应符号为A_i，此时不清楚符号本身承载的数据；其中没有脉冲的时隙直接对应零符号；

（2）线性调频信号调频斜率解码：使用数字信号处理方法，求出线性调频信号的调频斜率，确定符号A_i；

（3）符号与二进制码流转换：通过上述（1）和（2）得到一串符号，包括零符号和非零合并符号；零符号直接对应0位，而非零合并符号则根据通信系统设定的值对应出相应的二进制码。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明利用水下多径干扰在一定条件下时隙不重叠的特点，选用跳频技术处理时隙载波。一方面可以通过增加跳频数量增加每一帧的时隙数量来提高一帧的时间长度，使大部分多径信号的时延扩展小于一帧的持续时间；一方面使一帧的每个时隙拥有不同的中心频率，在接收端就可以利用滤波器从频域上提取主径信号，克服多径干扰。本发明为了进一步增大通信速率，在脉位编码的基础上使用调频编码将更多的信息调制在脉冲频率上。本发明在保证抗多径干扰性能的前提下，简化了发送和接收端的装置、降低了发送所需功率和增加了数据发送的速率，克服了传统的水声通信技术装置复杂、功耗大、信息受多径干扰大并且发送速率慢等缺点。

附图说明

图1为线性调频信号跳频脉位编码水声通信系统结构图；

图2为线性调频信号跳频脉位编码水声通信系统实施环境示意图；

图3为线性调频信号跳频脉位编码水声通信系统装置构造图；

图4为线性调频信号跳频脉位编码水声通信系统装置模块构造图；

图5为多径时延扩展示意图；

图6为获得合并符号算法流程图；

图7为获得合并符号示意图；

图8为信息帧头结构图；

图9为整体数据结构以及帧结构图；

图10为滤波示意图；

图11为解调流程图；

图12为实施编码示意图；

图13为接收端滤波解调控制模块示意图；

图14为实施解码示意图。

具体实施例

下面结合实例和附图详细阐述一下本发明的具体实施过程和自身的特点和优点，但本发明的实施方式不限于此。

一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法的，其具体包括如下内容。

一、信号发射端调制方法：

步骤一：信源整合。

在信源编码初始阶段将获得二进制码流整合后的符号流，符号包括上述中的零符号和非零合并符号。信源编码整合阶段的步骤，如图6、7所示：

①输入二进制码流并顺序搜索。若为0位，则直接存入内存，并将0视为单独一位符号，即零符号，并继续搜索；若为1位则进入下一步。

②获取非零合并符号（位合并）。若系统设定在LFM信号上调制x比特二进制信息，则在搜索到的1位之后组合x-1位，与检索到的1位合并（共x位），组成新的符号即非零合并符号，记为A_i并存入内存，若此时二进制码流还未结束，则返回步骤一。其中A_i的取值共2^x-1个，所有合并过程的非零合并符号都将从2^x-1个不同符号中产生。

以上步骤反复循环，直到完全将所需发送的信源编码完成，在内存中就存入了信源整合后的符号信息。本发明脉位编码的载频选用线性调频信号，即LFM信号。脉位调制需要准确的同步，特别是接收端的同步，需要对脉冲进行自相关。LFM信号的自相关性能优越，峰值明显，而不同中心频率的LFM信号的自相关峰值要远远小于相同中心频率的LFM信号。本发明利用LFM信号的这一性能，对接收到的数据进行同步。

步骤二：调频编码

信源整合后，内存中的零符号和非零合并符号需要有相应的载波进行承载才能发射进入信道。对于零符号，在其时隙不发送任何信息；而对于非零合并符号则需要用不同的LFM信号表示。标准LFM信号记为：

$f_n\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}$ n=1,2,…,2^x-1公式（1）

其中x是需要调制在LFM信号上的比特数。整合后非零合并符号的信息调制在k_n上。f₀为标准LFM信号的初始频率，t是时间变量。标准LFM信号存入内存。为了产生中心频率与跳频中心频率相同的LFM信号，将N个跳频正弦信号也存入内存，而相应中心频率的LFM信号脉冲的生成需要将标准LFM信号和跳频正弦信号相乘。

${f_n}^{\′}\left(t\right)=f_n\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π}{f}_{s}t}=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}\·e^{j2\mathrm{\π}{f}_{s}t}$ s=1,2,…,N公式（2）

其中N为每一帧跳频数。f_s为相应时隙对应的中心频率频率。数据的结构和每一帧的结构如图9所示，帧头后面跟随数据，一帧内部平均分为若干时隙。图中帧内并未填充相应频率的LFM信号，需要经过算法控制模块后才能在相应时隙调制对应中心频率的LFM信号。

步骤三：脉位编码

调频编码之后，内存中的零符号和非零合并符号已经分别对应为空载波和相应的LFM信号载波。脉位编码将内存中的载波信息变为具体的由LFM信号脉冲和空信号组成的声信息序列。给每个符号按顺序分配时隙，每个时隙根据内存中的符号和载波信息，填充空信号或者相应的LFM信号脉冲。LFM信号脉冲或者空信号的持续时间与时隙的时间长度相同。内存中零符号对应的时隙不填充任何信息，即填充空信号，而非零合并符号的时隙则填充相应的LFM信号脉冲。具体方法步骤如下：

①顺序检测内存中信源整合数据，若为零符号，则在相应时隙不做添加并继续搜索，若为非零合并符号则进入下一步。

②在有位合并符号A_i的时隙位置添加相应跳频中心频率的LFM信号。使用算法控制模块从内存中取出其对应的标准LFM信号以及与添加时隙对应的跳频正弦信号，按式（2）的方法产生相应的LFM信号脉冲并填充该时隙。返回第一步。

若每一帧的跳频数是N，则一帧内有N个时隙，取内存中的每N个符号数据作为一帧。综上，非零合并符号对应的LFM信号应当满足以下两个条件：

1）LFM信号脉冲的中心频率为系统方案中帧内相应时隙所设定的中心频率。

2）LFM信号的调频斜率与信源整合后内存中符号对应，承载相应的信息。

上述第一个条件在脉位编码过程中匹配，第二个条件则在调频编码过程中进行匹配。

步骤四：添加帧头

根据水声信道的不同，每一段信息前都需要加上帧头数据，用作接收时的多普勒频移估计以及时间同步。水声信道越稳定，帧头数据后的帧数越多。

帧头数据采用脉冲对形式，简单可靠。脉冲使用自相关性能良好的LFM信号，两脉冲之间相隔时间为T_c，其频率分别为f_c1和f_c2。其结构如图8所示。当水声信道环境稳定的时候，每个帧头后的帧数量可以很大，而当水声信道不好时，则通过减少帧头后帧数的方法快速适应水下信道的变化。这样的做法可以有效的降低误码率，提高信息的准确接收率。

二、信号接收端解调方法：

通信系统的接收端组成如图1下部所示，信号接收端对接收到的信号进行处理，消除或者减小信道中多径干扰对主径信号造成的影响。若发送端发送一个极窄的脉冲信号，记为δ(t)，由于多径的影响，在接收端接收到的信号就是多径信号的叠加：

公式（3）

其中S_接收(t)是接收到的信号，M是多径的数量，a_i是每条径对应的衰减，τ_i是每条径对应的延迟，t是时间变量。由于水下信道的空变、时变等因素的存在，a_i和τ_i都是变化的。时延扩展可以直观的理解为最小传输时延和最大传输时延的差值，直接反映了信号的展宽程度。如图5所示，单一的脉冲由于多径干扰变为了多个脉冲。若水声信道模型记为g(t)，当多径有M条的时候，信道模型可以表示为

$g\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)$ 公式（4）

若此时有信号f(t)，即发送端信号进入此水下信道，则接收端接收到：

$S\left(t\right)=g\left(t\right)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)$ 公式（5）

$=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{f}_n(t-{\mathrm{\τ}}_i)+n\left(t\right)$

其中g(t)是水声信道，f_n(t)是振荡器发射的声信号，n(t)是环境噪声等造成的高斯白噪声。接收端按照如下步骤处理该信号：

步骤一：时间同步和多普勒频移估计及补偿

水听器接收信道传来的信号，并且根据帧头数据进行时间同步和多普勒频移估计。时间同步时对接收到的信号脉冲分别使用与发送端帧头频率设定相同的频率为f_c1和f_c2的LFM信号进行相关，得到两个相关输出的脉冲位置，其时间间隔记为T_c′，若T_c′=T_c，则视为同步成功。同时利用两脉冲频率的变化也可以估计出多普勒频移。使用多普勒频移估计的数据对后续信号进行频率补偿。

步骤二：跳频滤波器滤除多径干扰

补偿后的信号可以通过相应的跳频滤波器滤除多径干扰。本发明提及的跳频滤波器指的是一组中心频率互相不同且与系统设置的跳频频率一一对应的滤波器，它们随着时间的不同依次进入工作状态，并且每一滤波器的工作时间对应一个时隙的时间长度，其滤波中心频率与该时隙设定的中心频率相同。

由于经过了时间同步阶段，接收到的信号每个时隙都将对应相应的跳频滤波器，其中心频率与该时隙原始信号的中心频率相同。而接收端接收到的时隙信息是主径时隙信号和多径其他时隙信号的叠加，但是这些干扰信号的中心频率与主径信号的中心频率不同，如式（5）所示。信号经过跳频滤波器，相应的跳频滤波器表示为h_s(t)，其中s=1,2,…,N。若滤波后的信号记为y(t)。

y(t)=s(t)*h_s(t)公式（6）

叠加信号的幅频特性所示如图10，在频域表现为互相不重叠的脉冲串。图中的f_a信号是接收端希望得到的信号，但是由于多径干扰，接收到的信号混入了f_b、f_c、f_d等干扰信号。这样主径信息无法识别，造成严重的误码。发送端采取了跳频技术，使得时延扩展在一帧范围内的多径信号的幅频特性可以与主径信号完全区分出来，如图10。使用特定的跳频滤波器就可以将这些多径信号消除（如图虚线框）。

y(t)=a*f_n′(t-τ)+n(t)*h_s(t)公式（7）

由上式子可以看出，多径信号已经被滤除，只剩下相应频率的白噪声。这些白噪声对信号的识别造成的影响很小，能够相对准确的分析处理后的信号。

步骤三：数据解码

接下来对处理后的数据解码，通过脉位解码和调频解码从信号中提取发送信息。

①脉位解码。搜索有脉冲的时隙，该时隙对应符号为A_i，但这时不清楚符号本身承载的数据。没有脉冲的时隙直接对应零符号。

②线性调频信号调频斜率解码。使用数字信号处理方法，求出线性调频信号的调频斜率，确定符号A_i。

③符号与二进制码流转换。通过①和②可以得到一串符号，包括零符号和非零合并符号。零符号直接对应0位，而非零合并符号则根据系统设定的值对应出相应的二进制码。上述过程是发送端信源整合的逆过程。

通过以上步骤可以完全恢复初始发送数据，如图11。

实现上述方法的装置如图3。发射端装置包括数字信号处理芯片（集成信号处理芯片和时钟控制芯片）、晶振、电源、D\A转换器和水声换能器。其中数字信号处理芯片完成线性调频信号产生、算法控制（二进制码流的编码）、时钟控制的功能。

接收端装置与发送端类似，也包括数字信号处理芯片、晶振、电源、A\D转换和水声换能器。其中数字信号处理芯片集成了时间同步与多普勒频移估计联合处理芯片、时钟控制芯片、信号补偿芯片、滤波解调控制芯片。完成时间同步、多普勒频移估计、时钟控制、信号补偿、滤波解调等功能。

接收端和发送端装置都有USB输入输出端口，通过这一端口和计算机链接，在发射信号时获取二进制码流，在接收信号后用于向计算机传入解调后的二进制码流。

发送端和接收端数字信号处理芯片集成模块如图4所示：

数字信息源信息传入信号处理芯片，数字信号处理模块对二进制码流编码调制，载波产生模块将处理后的数据转换为相应的数字载波信号，换能器最终将数字信号转换为模拟信号传入水声信道。以上过程特别是脉位编码时需要时钟控制模块的控制。

接收端首先由水听器接收信号并且转换为数字信号，时间同步与多普勒频移估计联合处理模块用于对接收到的信息进行时间同步以及多普勒频移估计。信号补偿模块主要对后续信号进行多普勒频移补偿以及幅度补偿，滤波解调控制模块完成对信号的滤波处理以及最后的信号解码工作。

如图3所示，装置的发端和收端的数字信号处理芯片都采用TMS320C1X/C2X型数字信号处理芯片，发端芯片集成数字信号处理模块、载波产生模块、时钟控制模块等，收端集成时间同步与多普勒频移估计联合处理模块、信号补偿模块、解调控制模块以及时钟控制模块等。和A/D与D/A采用TLC549芯片，发端将数字信号转换为模拟信号，收端将模拟信号转换为数字信号。电源供给采用LM336-5.0精密基准电压源芯片给系统芯片提供5V的稳定电压。晶振采用HC--49/U，提供系统的时间基准。换能器选用CQY3-UTHE，发端用于将模拟电信号转换为声波信号，收端用于将声信号转换为模拟电信号。

方案的实施可以在任何水下环境执行，参考图2，图中反映了方案实施的环境示意，接收端和发射端都在水下放置，同时连接外部计算机对信号进行处理。整体模块、装置组成以及装置内部模块构成如图1、3、4所示，图1为线性调频信号跳频脉位编码水声通信系统结构图，由信号发送端和信号接收端组成，发送端通过算法控制模块和震荡发射模块将信号源调制在线性调频信号的载波上发送至水下信道；接收端通过水听器接收信道传来的信号，经过同步和多普勒补偿后通过滤波器以及相关的算法模块对信号进行解调。这里选用跳频数为5（N=5），线性调频信号的频率调制1bit信息。

发送端设备组成如图3和图4上部所示。发射端由数字信息源、数字信号处理模块、载波产生模块、时钟控制模块、换能器组成；接收端由水听器、时间同步与多普勒频移估计联合处理模块、信号补偿模块、解调控制模块以及时钟控制模块组成。

信号发送端：数字信息源是待发送的二进制信息，其编码在数字信号处理芯片完成。参考图12，编码完成于数字信号处理模块，步骤为：

步骤一，位搜索并且获得0位，通过位搜索发现碰到的1。若为0位，则直接存入内存，视为零符号，否则进入步骤二。

步骤二，获得非零合并符号。在位搜索发现1之后，将其与后一位信息合并，若合并

前为10，则记为L，若为11，则记为H。之后将其存入内存。

数字信号处理芯片之后进入载波产生模块，根据内存中数据信息，在有H或者L的位上产生LFM信号，其斜率分别为上升和下降两种。相当于调制2bit信息到LFM信号的调频斜率上（包括搜索的1位）。

方案选用带宽为10Hz、调频斜率为2kHz和-2kHz的LFM信号作为载波信号。五个跳频中心频率分别为：10kHz、12kHz、14kHz、16kHz、18kHz。码元持续时间也就是时隙为1ms。特定LFM产生依照公式2。

在时钟控制模块的协同下，芯片接下来进行脉位调制。利用脉冲之间的相对位置调制信息。具体流程如下：

步骤一：读取内存中的各个符号，每个符号对应一个时隙，每五个符号作为一帧。若为零符号，则填充空信息，若没有结束则继续读取后续符号，否则进入步骤二。

步骤二：非零合并符号数据对应的时隙填充相应中心频率和调频斜率的LFM脉冲，若没有结束则继续读取后续符号，返回步骤一。

之后信号通过D/A实现数字信号到模拟信号的转变，经过水声换能器发送至水声信道。

信号接收端：水听器接收信道传来的信号，首先通过A/D转换为数字信号传入数字信号处理芯片。通过时间同步与多普勒频移估计联合处理模块根据帧头数据进行时间同步和多普勒频移估计。多普勒频移通过相关数字信号处理方法可以获得，而时间同步需要对帧头的双LFM信号（图8）分别进行自相关。若两相关峰之间的时延和帧头规定的两LFM时延相等则同步成功。

使用多普勒频移估计的数据对后续信号进行频率补偿，由信号补偿模块完成。补偿后的信号进入解调控制模块处理。

解调控制模块主要由跳频滤波器、调频斜率判定模块以及数字信号处理模块组成，如图13。首先将处理后的信息通过跳频滤波器，由于运用了跳频技术，一帧范围内的多径干扰能够大部分消除。这时得到了主径的信号，如公式（7）。再通过调频斜率判定模块和D/A，将数据发送至数字信号处理芯片联合译码，就能够恢复原始发送数据。数字信号处理芯片的处理过程如下：

步骤一，脉位解码。搜索有脉冲的时隙，其对应符号H或者L。

步骤二，线性调频信号调频斜率解码。解出的数据替换符号H和L。

步骤三，将步骤一和步骤二中的数据进行合并。

通过以上步骤可以完全恢复初始发送数据。以上过程可参见图14。

Claims (7)

1.一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于利用水下多径干扰存在时隙不重叠的特点，采用调频编码和脉位编码调制结合对信息进行调制，通过增加跳频数量增加每一帧的时隙数量来提高每一帧的时间长度，使大部分多径信号的时延扩展小于一帧的持续时间；在接收端利用滤波器从频域上提取主径信号；

所述调频编码包括：将信源整合后的非零合并符号所包含的二进制信息调制于LFM脉冲的调频斜率上，通过LFM的调频斜率表示非零合并符号的不同；所述信源整合是将二进制信息源整合为零符号以及非零合并符号，其中每个非零合并符号代表若干二进制信息；

所述脉位编码包括：通过脉冲相对位置调制信息；脉位编码所调制的信息为整合后的零与非零合并符号信息；每一帧不同的时隙对应一个符号，若该符号为零符号，则不填充，若为非零合并符号，则填充相应中心频率及调频斜率的LFM脉冲；每一帧的各个时隙脉冲都将对应不同的中心频率，对于在一帧时延扩展范围内的多径干扰信号，主径信号的每个时隙所叠加的多径干扰，其中心频率都将与主径时隙的中心频率不同。

2.根据权利要求1所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于所述信源整合具体包括如下步骤：

①输入二进制码流并顺序搜索，若为0位，则直接存入内存，并将0视为单独一位符号，即零符号，并继续搜索；若为1位则进入下一步；

②获取非零合并符号，若设定在LFM信号上调制x比特二进制信息，则在搜索到的1位之后组合x-1位，与检索到的1位合并，共x位，组成新的符号即非零合并符号，记为A_i并存入内存，若此时二进制码流还未结束，则返回步骤①，直到完全将所需发送的信源编码完成，在内存中就存入了信源整合后的符号信息；其中A_i的取值共2^x-1个，所有合并过程的非零合并符号都将从2^x-1个不同符号中产生。

3.根据权利要求1所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于所述调频编码具体包括：内存中的零符号和非零合并符号需要有相应的载波进行承载才能发射进入信道，对于零符号，在其时隙不发送任何信息；而对于非零合并符号则需要用不同的LFM信号表示；标准LFM信号记为：

$\begin{array}{cc}{f}_n\left(t\right)=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}& n=1,2,...,2^{x-1}\end{array}$ 公式(1)

其中x是需要调制在LFM信号上的比特数，整合后非零合并符号的信息调制在k_n上，k_n是LFM信号的调频斜率；f₀为标准LFM信号的初始频率，t是时间变量；标准LFM信号存入内存，为了产生中心频率与跳频中心频率相同的LFM信号，将N个跳频正弦信号也存入内存，而相应中心频率的LFM信号脉冲的生成需要将标准LFM信号和跳频正弦信号相乘，

$\begin{array}{cc}{f_n}^{\′}\left(t\right)=f_n\left(t\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_{s}t}=e^{j2\mathrm{\π}(f_0+k_{n}t)t}\·e^{j2{\mathrm{\πf}}_{s}t}& s=1,2,...,N\end{array}$ 公式(2)

其中N为每一帧跳频数，f_s为相应时隙对应的中心频率；

4.根据权利要求3所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于：调频编码之后，内存中的零符号和非零合并符号分别对应为空载波和相应的LFM信号载波；脉位编码将内存中的载波信息变为具体的由LFM信号脉冲和空信号组成的声信息序列；给每个符号按顺序分配时隙，每个时隙根据内存中的符号和载波信息，填充空信号或者相应的LFM信号脉冲；LFM信号脉冲或者空信号的持续时间与时隙的时间长度相同；内存中零符号对应的时隙不填充任何信息，即填充空信号，而非零合并符号的时隙则填充相应的LFM信号脉冲，具体包括：

1)顺序检测内存中信源整合后的数据，若为零符号，则在相应时隙不做添加并继续搜索，若为非零合并符号则进入下一步；

2)在非零合并符号A_i的时隙位置添加相应跳频中心频率的LFM信号，从内存中取出其对应的标准LFM信号以及与添加时隙对应的跳频正弦信号，按式(2)的方法产生相应的LFM信号脉冲并填充该时隙；

循环上述步骤1)和2)，若每一帧的跳频数是N，则一帧内有N个时隙，取内存中的每N个符号数据作为一帧；所述非零合并符号对应的LFM信号满足以下两个条件：

a：LFM信号脉冲的中心频率为通信系统中帧内相应时隙所设定的中心频率；

b：LFM信号的调频斜率与信源整合后内存中符号对应，承载相应的信息；

上述条件a在脉位编码过程中匹配，条件b则在调频编码过程中进行匹配。

5.根据权利要求1所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于还包括添加帧头：脉位编码后，根据水声信道的不同，每一段信息前都加上帧头数据，用作接收时的多普勒频移估计以及时间同步；水声信道越稳定，帧头数据后的帧数越多；帧头数据采用脉冲对形式；脉冲使用自相关性能良好的LFM信号，两脉冲之间相隔时间为T_c，其频率分别为f_c1和f_c2；当水声信道环境稳定的时候，每个帧头后的帧数量较不稳定时大，当水声信道不好时，通过减少帧头后帧数的方法适应水下信道的变化。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于信号接收端的解调方法包括：

若发送端发送一个脉冲信号，记为δ(t)，由于多径的影响，在接收端接收到的信号就是多径信号的叠加：

公式(3)

其中S_接收(t)是接收到的信号，M是多径的数量，a_i是每条径对应的衰减，τ_i是每条径对应的延迟，t是时间变量；单一的脉冲由于多径干扰变为了多个脉冲，若水声信道模型记为g(t)，当多径有M条的时候，信道模型表示为

$g\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)$ 公式(4)

若此时有信号f(t)，即发送端信号进入此水下信道，则接收端接收到：

$\begin{array}{c}S\left(t\right)=g\left(t\right)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{a}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_i)*f_n\left(t\right)+n\left(t\right)\\ =\underset{i=1}{\overset{M}{\Σ}}{a}_i{f}_n(t-{\mathrm{\τ}}_i)+n\left(t\right)\end{array}$ 公式(5)

其中g(t)是水声信道，f_n(t)是振荡器发射的声信号，n(t)是环境噪声等造成的高斯白噪声。

7.根据权利要求6所述的一种基于线性调频信号的跳频脉位编码水声通信方法，其特征在于信号接收端的解调具体包括如下步骤：

步骤一，接收端接收信道传来的信号，并且根据帧头数据进行时间同步和多普勒频移估计；时间同步时对接收到的信号脉冲分别使用与发送端帧头频率设定相同的频率为f_c1和f_c2的LFM信号进行相关，得到两个相关输出的脉冲位置，其时间间隔记为T′_c，若T′_c＝T_c，则视为同步成功；同时利用两脉冲频率的变化估计出多普勒频移，使用多普勒频移估计的数据对后续信号进行频率补偿；

步骤二，补偿后的信号通过相应的跳频滤波器滤除多径干扰；所述跳频滤波器指的是一组中心频率互相不同且与通信系统设置的跳频频率一一对应的滤波器，这些滤波器随着时间的不同依次进入工作状态，并且每一滤波器的工作时间对应一个时隙的时间长度，其滤波中心频率与该时隙设定的中心频率相同；

经过所述时间同步阶段，接收到的信号每个时隙都将对应相应的跳频滤波器，其中心频率与该时隙原始信号的中心频率相同；而接收端接收到的时隙信息是主径时隙信号和多径其他时隙信号的叠加，这些干扰信号的中心频率与主径信号的中心频率不同，如式(5)所示；信号经过跳频滤波器，相应的跳频滤波器表示为h_s(t)，其中s＝1,2,…,N；

若滤波后的信号记为y(t)，

y(t)＝s(t)*h_s(t)公式(6)

使用跳频滤波器将多径信号消除；

步骤三，对处理后的数据解码，通过脉位解码和调频解码从信号中提取发送信息，具体包括：

(1)脉位解码：搜索有脉冲的时隙，该时隙对应符号为A_i，此时不清楚符号本身承载的数据；其中没有脉冲的时隙直接对应零符号；

(2)线性调频信号调频斜率解码：使用数字信号处理方法，求出线性调频信号的调频斜率，确定符号A_i；

(3)符号与二进制码流转换：通过上述(1)和(2)得到一串符号，包括零符号和非零合并符号；零符号直接对应0位，而非零合并符号则根据通信系统设定的值对应出相应的二进制码。