CN103532881B - 一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，包括：相干通信发送端按默认通信制式向相干通信接收端发送信号，发送信号的头部包括Chirp信号；相干通信接收端对所接收到的信号进行采集，为采集信号中所包含的Chirp信号与相干通信接收端本地的Chirp信号求取最佳同步位置；计算最佳同步位置的互相关系数；相干通信接收端根据最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式，选取结果回传相干通信发送端；相干通信发送端根据相干通信制式发送相干通信数据，相干通信接收端根据所接收到的相干通信数据的帧头信息确定相干通信制式，进而根据该相干通信制式接收相干通信数据。

Description

一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法

技术领域

本发明涉及相干通信领域，特别涉及一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法。

背景技术

水声信道具有传播速度低，可用带宽窄的特点，是一个典型的时变、多径衰落信道。盐度、温度、深度、风、浪以及航运等人类活动都会对水声信道产生显著的影响，相比无线电波信道，水声信道要恶劣得多。

相干通信是目前最为常见的一种通信方式。现有技术中的相干通信方式包括多相移键控（MPSK）、差分相移键控（DPSK）和正交幅度调制（QAM）等调制方法。而在水声通信领域中，使用最多的相干通信方式为多相移键控（MPSK）和差分相移键控（DPSK）的调制方法，尤其是多相移键控（MPSK）调制方法。使用MPSK调制方法可以取得较高的频谱利用率，MPSK调制方法的通信制式有多种，包括BPSK、QPSK、8PSK、16PSK。不同的通信制式有不同的数据传输速率，且对传输信道的要求也各有不同。在通信过程中为了降低通信误比特率、提高系统鲁棒性与数据传输速率，可对通信制式进行自适应调整。

在无线通信系统中已经提出了一些通信制式的自适应调整方法。根据无线通信信道的传输条件，信噪比（信号功率估计与噪声功率估计的比值）通常被用来作为现有的自适应调整方法的判决参数。但在利用水声信道进行通信的系统中，水声信道的多径、混响现象严重，它们和环境噪声一样制约着接收效果，限制高阶通信制式的使用。如果在利用水声信道进行通信的系统中，所采用的通信制式自适应调整方法依然将信噪比作为判决参数，那么在信噪比估计中，严重的多径分量或混响分量会随着发送功率的提高而提高，采用平均能量的方法不能将其和信号有效部分区分，因而经常出现信噪比估计很好但通信效果很差的情况。因此，在利用水声信道进行通信的系统中，需要一种更有效的、简便易行的信道评价方法，将其作为通信制式自适应调整的依据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的通信制式自适应调整方法效果不佳，不适应水声信道的缺陷，从而提供一种有效、简便易行的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，用于在包含相干通信发送端与相干通信接收端的水下通信系统中实现对相干通信制式的自适应调整，包括：

步骤1）、所述相干通信发送端按默认通信制式向所述相干通信接收端发送信号，所发送信号的头部包括Chirp信号；

步骤2）、所述相干通信接收端对所接收到的信号进行采集，为采集信号中所包含的Chirp信号与所述相干通信接收端本地的Chirp信号求取最佳同步位置；

步骤3）、计算步骤2）所得到的最佳同步位置的互相关系数；

步骤4）、所述相干通信接收端根据步骤3）所得到的最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式，选取结果回传所述相干通信发送端；

步骤5）、所述相干通信发送端根据步骤4）确定的相干通信制式发送相干通信数据，所述相干通信接收端根据所接收到的相干通信数据的帧头信息确定相干通信制式，进而根据该相干通信制式接收相干通信数据。

上述技术方案中，在所述的步骤2）中，所述的求取最佳同步位置采用将采集信号中所包含的Chirp信号与本地的Chirp信号求滑动相关的方法实现。

上述技术方案中，在步骤3）中，所述的互相关系数用ρ_opt表示，其计算公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{opt}}=\frac{\left|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\right[n+k\left]c\right[k\left]\right|}{\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|c\right[k]|}^2}\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|r\right[n+k\left]\right|}^2}}$

其中，r[n+k](0≤k<N)为所述相干通信接收端所接收到的Chirp信号，c[k](0≤k<N)为所述相干通信接收端本地的Chirp信号，N为Chirp信号的点数，n为步骤2）计算得到的最佳同步位置。

上述技术方案中，在步骤4）中，所述的根据最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式包括：

若0.4≤ρ_opt<0.55，最佳相干通信制式为BPSK；

若0.55≤ρ_opt<0.75，最佳相干通信制式为QPSK；

若0.75≤ρ_opt<0.9，最佳相干通信制式为8PSK；

若0.9≤ρ_opt＜1，最佳相干通信制式为16PSK。

本发明的优点在于：

本发明利用线性调频信号的相关系数进行通信制式自适应，比传统的无线通信中基于信噪比判据的自适应调制方法更加符合水声通信信道的规律，自适应调整效果好，计算方法简单、可靠。

附图说明

图1为与本发明方法所涉及的水下通信系统的结构示意图；

图2为本发明方法的流程图；

图3（a）为有混响下接收信号的波形示意图；

图3（b）为无混响下接收信号的波形示意图；

图4（a）为有混响下对相关系数的估计示意图；

图4（b）为无混响下对相关系数的估计示意图；

图5（a）是有混响的信道下QPSK的接收效果图；

图5（b）是无混响的信道下QPSK的接收效果图。

具体实施方式

在对本发明的方法做详细说明之前，本申请人首先对与本发明方法有关的水下通信系统做一简要说明。

如图1所示，所述的水下通信系统包括相干通信发送端与相干通信接收端，相干通信发送端所发送的信号经由水声信道传输后被所述的相干通信接收端接收。

本申请人经过研究发现，相干通信发送端所发射的Chirp信号与相干通信接收端本地的Chirp信号之间的相关系数能够反映水声信道的情况。所述的相关系数衡量了两个信号的相关程度，相关系数越大，说明信道情况越好，而该值越小说明信道多途、环境噪声等情况越严重，信道情况不好。相关系数可以较为全面地反映信道多途的情况，涵盖了多途宽度及冲激响应阶数的信息。与将混响信息排除在外的信噪比相比，相关系数还包含了信道混响信息，对信道情况的反映更为全面。

基于上述原理，本发明提供了一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤1）、相干通信发送端按默认通信制式向相干通信接收端发送信号，所发送信号的头部包括Chirp信号。

步骤2）、相干通信接收端对所接收到的信号进行采集，为采集信号中所包含的Chirp信号与相干通信接收端本地的Chirp信号求取最佳同步位置。

步骤3）、计算步骤2）所得到的最佳同步位置的互相关系数。

步骤4）、相干通信接收端根据步骤3）所得到的最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式，选取结果回传相干通信发送端。

步骤5）、相干通信发送端根据步骤4）确定的相干通信制式发送相干通信数据，相干通信接收端根据所接收到的相干通信数据的帧头信息确定相干通信制式，进而接收相干通信数据。

下面对该方法中的各个步骤做进一步的说明。

在步骤1）中，所述默认通信制式具体是哪一种并不重要，BPSK、QPSK、8PSK、16PSK等通信制式都有可能是默认通信制式。

在步骤2）中，为采集信号中所包含的Chirp信号与相干通信接收端本地的Chirp信号求取最佳同步位置可采用现有技术中的多种方法，在一个实施例中，可采用将采集信号中所包含的Chirp信号与本地的Chirp信号求滑动相关的方法来求取这两个信号的最佳同步位置。在其他实施例中，也可采用现有技术中的其他方法。

在步骤3）中，所述的互相关系数用ρ_opt表示，其计算公式如下：

${\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{opt}}=\frac{\left|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}r\right[n+k\left]c\right[k\left]\right|}{\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|c\right[k]|}^2}\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|r\right[n+k\left]\right|}^2}}$

其中，r[n+k](0≤k<N)为相干通信接收端所接收到的Chirp信号，c[k](0≤k<N)为相干通信接收端本地的Chirp信号，N为Chirp信号的点数，n为步骤2）计算得到的最佳同步位置。

在步骤4）中，根据互相关系数求取相干通信制式可采用根据调整时滑动相关系数最大值ρ_opt，从而得到代表最佳通信制式的方法，互相关系数与最佳通信制式之间的对应关系如下表1所示：

互相关系数	0.4≤ρopt<0.55	0.55≤ρopt<0.75	0.75≤ρopt<0.9	0.9≤ρopt<1
					最佳通信制式	BPSK	QPSK	8PSK	16PSK

表1

根据表1所描述的对应关系，在得到互相关系数后，即可找到最佳通信制式。

以上是对本发明方法的描述。通过上述描述可以看出，本发明利用线性调频信号的相关系数进行通信制式自适应，比传统的无线通信中基于信噪比判据的自适应调制方法更加符合水声通信信道的规律，自适应调整效果好，计算方法简单、可靠。

在以下的实验中也验证了本发明方法的效果。

图3-图5给出了信道在有无混响情况下的对比示意图。图3给出了有无混响下接收信号的波形，其中图3（a）为有混响下接收信号的波形，SNR=20dB（SNR表示信号功率与加性噪声功率的比值（即信噪比）），SRR＝10dB（SRR表示信号功率与混响功率的比值（即信混比）），即有混响和噪声；图3（b）为无混响下接收信号的波形，SNR=20dB,SRR=∞dB，即无混响，但有噪声。从这两个图中可以看出，混响/多径总是伴随信号的产生而产生，信号结束后混响也将结束，做信噪比估计时混响部分将和有用信号本身一起作为信号的估计值，两种信道的信噪比估计大小基本一致。图4（a）是有混响下对相关系数的估计，SNR=20dB，SRR=10dB，即有混响和噪声；图4（b）是无混响下对相关系数的估计，SNR＝20dB,SRR＝∞dB，即无混响，但有噪声。从这两个图可以看出，在有混响的情况相关系数峰值为0.91，没有混响的情况为0.98，可以反映出其区别。图5是有混响的信道下以及无混响的信道下QPSK的接收效果图，其中图5（a）为有混响的情况，SNR=20dB，SRR=10dB，即有混响和噪声；图5（b）为无混响情况，SNR＝20dB,SRR＝∞dB，即无混响，但有噪声。从这两个图可以看出，有混响的情况下，QPSK的接收效果较差。因而，相关系数峰值可以反映出具有多途/混响的信道的好坏，从而作为相干通信制式调节的依据。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都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 (4)

1.一种自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，用于在包含相干通信发送端与相干通信接收端的水下通信系统中实现对多相移键控调制方法中的相干通信制式的自适应调整，包括：

步骤1)、所述相干通信发送端按默认通信制式向所述相干通信接收端发送信号，所发送信号的头部包括Chirp信号；

步骤2)、所述相干通信接收端对所接收到的信号进行采集，为采集信号中所包含的Chirp信号与所述相干通信接收端本地的Chirp信号求取最佳同步位置；

步骤3)、计算步骤2)所得到的最佳同步位置的互相关系数；

步骤4)、所述相干通信接收端根据步骤3)所得到的最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式，选取结果回传所述相干通信发送端；

步骤5)、所述相干通信发送端根据步骤4)确定的相干通信制式发送相干通信数据，所述相干通信接收端根据所接收到的相干通信数据的帧头信息确定相干通信制式，进而根据该相干通信制式接收相干通信数据。

2.根据权利要求1所述的自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，所述的求取最佳同步位置采用将采集信号中所包含的Chirp信号与本地的Chirp信号求滑动相关的方法实现。

3.根据权利要求1所述的自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，其特征在于，在步骤3)中，所述的互相关系数用ρ_opt表示，其计算公式如下：

${\mathrm{\&rho;}}_{opt}=\frac{|\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}r\&lsqb;n+k\&rsqb;c\&lsqb;k\&rsqb;|}{\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}|c\&lsqb;k\&rsqb;{|}^2}\sqrt{\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}|r\&lsqb;n+k\&rsqb;{|}^2}}$

其中，r[n+k](0≤k＜N)为所述相干通信接收端所接收到的Chirp信号，c[k](0≤k＜N)为所述相干通信接收端本地的Chirp信号，N为Chirp信号的点数，n为步骤2)计算得到的最佳同步位置。

4.根据权利要求1所述的自适应调整单载波水声相干通信制式的方法，其特征在于，在步骤4)中，所述的根据最佳同步位置的互相关系数选取相干通信制式包括：

若0.4≤ρ_opt＜0.55，最佳相干通信制式为BPSK；

若0.55≤ρ_opt＜0.75，最佳相干通信制式为QPSK；

若0.75≤ρ_opt＜0.9，最佳相干通信制式为8PSK；

若0.9≤ρ_opt＜1，最佳相干通信制式为16PSK。