CN103905085B - 一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法，其特征在于：步骤1：将要发送的信息分为三组，将三组信息分别采用BPSK扩频调制、CSK扩频调制和MFSK扩频调制，并将前述三路信号混合调制在频率正交的载波上；步骤2：将前述混合调制后的信号以脉冲的形式随机发送；步骤3：接收端采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪；步骤4：对同步后的信号进行解调，将解调后的数据并串转换，得到发送的信息。

Description

一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法

技术领域

本发明涉及一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法。

背景技术

随着世界各国海洋开发和海洋军事领域的飞速发展，如何实现稳健的、隐蔽的水声通信成为一个新的研究热点。水声信道是一带宽有限、多途和噪声干扰比较强的时变、频变和空变的信道，水声信道的复杂性以及多变性严重限制了水声通信的性能。扩频通信具有抗干扰能力、抗信道衰落能力强以及低截获率等优点，被广泛应用于水声远程、可靠、隐蔽通信中。

为了实现低检测概率的隐蔽通信，最简单的方法采用直接序列扩频的方法，并采用RAKE接收机以及空间分集等技术提高接收信噪比，从而达到降低声源级、降低截获概率的目的，虽然直接序列扩频可以在很低的信噪比下工作，在时域很难被检测，然而由于采用固定的载波频率调制，通过频域检测的方法容易被发现；跳频通信方式在直接序列扩频的基础上，用PN扩频码控制周期性的改变载波频率，因此造成了侦听的难度，降低了截获概率，而跳频通信占用的带宽比较宽，频带利用率低。

发明内容

本发明目的在于提供一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法，能够有效提高信号的抗干扰能力和抗截获能力，并且频带利用率高。

实现本发明目的技术方案：

一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法，其特征在于：

步骤1：将要发送的信息分为三组，将三组信息分别采用BPSK扩频调制、CSK扩频调制和MFSK扩频调制，并将前述三路信号混合调制在频率正交的载波上；

步骤2：将前述混合调制后的信号以脉冲的形式随机发送；

步骤3：接收端采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪；

步骤4：对同步后的信号进行解调，将解调后的数据并串转换，得到发送的信息。

步骤1中，BPSK扩频调制作为同步信号，同时携带1比特信息，CSK扩频调制需将调制的信息映射到扩频码的码元相位上，MFSK扩频调制可以根据信道情况调整频率间隔。

步骤4中，对同步后的信号进行解调时，CSK扩频信号和MFSK扩频信号采用非相干方式解调，对BPSK扩频信号采用相干方式解调。

步骤3中，采用BPSK扩频信号为同步信号。

步骤4中，对BPSK扩频信号解调前需要估计载波相位，载波相位可以借助自身信号估计。

本发明具有的有益效果：

本发明将要发送的信息分为三组，将三组信息分别采用BPSK扩频调制、CSK扩频调制和MFSK扩频调制，并将前述三路信号混合调制在频率正交的载波上，将混合调制后的信号以脉冲的形式随机发送，由于采用扩频调制，且时间上随机的发送短时脉冲信号，可以有效的提高信号的抗干扰能力和降低信号的截获概率。由于猝发信号中混合了三路信号，BPSK调制支路信号作为同步信号且携带信息，CSK调制和MFSK调制具有较高的频带利用率，且可根据信道情况灵活的调节通信速率，因此，本发明具有抗干扰能力强、低截获概率和高频带利用率等优点。另外，本发明采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪，根据三路信号的特点，采用BPSK扩频信号为捕获信号，可有效降低运算量。

附图说明

图1为猝发混合扩频通信系统发射机框图；

图2为扩频前正交MFSK信号频谱示意图；

图3为扩频后MFSK信号频谱示意图；

图4为时频二维序列捕获原理框图；

图5为猝发混合扩频系统的接收机框图；

图6为MFSK非相干最大似然接收机。

具体实施方式

本发明猝发混合扩频水声隐蔽通信方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将要发送的信息分为三组，将三组信息分别采用BPSK扩频调制、CSK扩频调制和MFSK扩频调制，并将前述三路信号混合调制在频率正交的载波上；

步骤1中，BPSK扩频调制作为同步信号，同时携带1比特信息，CSK扩频调制需将调制的信息映射到扩频码的码元相位上，MFSK扩频调制可以根据信道情况调整频率间隔。

步骤2：将前述混合调制后的信号以脉冲的形式随机发送；

步骤3：接收端采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪；

步骤3中，采用BPSK扩频信号为同步信号。

步骤4：对同步后的信号进行解调，将解调后的数据并串转换，得到发送的信息。

步骤4中，对同步后的信号进行解调时，CSK扩频信号和MFSK扩频信号采用非相干方式解调，对BPSK扩频信号采用相干方式解调。对BPSK扩频信号解调前需要估计载波相位，载波相位可以借助自身信号估计。

下面结合具体实施例，进一步详细说明猝发混合扩频水声隐蔽通信方法及其有益效果。

（1）将要发送的信息分为三组，分别采用BPSK（二进制移相键控）扩频调制、CSK（循环移位键控）扩频调制和MFSK（多进制移频键控）扩频调制，将扩频信号调制在三路频率正交的载波上发送出去。

猝发混合扩频系统的发射机框图如图1所示，将信源串并转换，按1+k₀+k₁进行分组，其中，BPSK调制携带1bit信息，CSK携带k₀bit信息，MFSK携带k₁bit信息，BPSK信号采用正交调制中的同相支路调制，CSK信号采用正交调制中的正交支路调制，MFSK信号以Δ为频率间隔调制在载波频率为f_c的载波上。三路信号的扩频序列采用m序列，设生成m序列的移位寄存器的阶数为r，则生成的序列长度为N=2^r-1，以一个码片长度为最小移位间隔Δτ的循环移位序列携带的最大比特数为r-1。设码片长度为T_c，则一个符号长度T_s=NT_c。经过CSK调制的扩频码序列可以表示为

$c^k\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}c(t+\mathrm{k\&Delta;\&tau;})& (0\&le;t\&le;T_s-\mathrm{k\&Delta;\&tau;})\\ c(t-T_s+\mathrm{k\&Delta;\&tau;})& (T_s-\mathrm{k\&Delta;\&tau;}<t\&le;T_s)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k为CSK调制多进制的信息，c(t)是扩频码波形。MFSK扩频调制以Δ=λ/T_s为频率间隔，λ是归一化载波间隔，调整λ，可以改变载波间隔。扩频前正交MFSK信号频谱如图2所示，扩频后MFSK信号频谱如图3所示，在多途信道下，为了降低由于多途带来的载波间干扰，可以增大调制的频率间隔。

（2）接收端，采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪。

接收端首先应对信号进行捕获，捕获到信号后对信号进行跟踪，本发明采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪，根据三路信号的特点，为了降低运算量，采用BPSK信号捕获信号。

时频二维序列搜索接收机结构框图如图4所示，将信号可能出现的频率范围划分为若干频段，频段间隔频率足够小，从而由于频率偏差引入的相关能量损失降低到可以容忍的程度，接收机在每个搜索频段内对所有可能相位的伪码序列进行搜索；如果在驻留频段内没有发现伪码序列，则接收机切换到下一个频段继续搜索，直到搜索到对应的伪码序列。在这个二维空间中，由载波步进频率（载波频偏搜索间隔）和伪码步进相位（伪码序列搜索步进）组成了最小搜索单位，接收机在每一个搜索单位内进行相关操作，即在每一个单位区间内进行一次搜索判决，搜索判决变量与检测门限进行比较，判决过程顺序在每一个单位区间内进行，直到判决变量通过检测门限。

（3）获到信号后，进行信号的细同步，对同步后的信号进行解调和解扩，得到发送的信息。

根据步骤(1)描述的发射信号结构，发送的信号可以表示为

其中，P为信号发射功率，f_c为载波频率，设载波初始相位为是MFSK的第m个码元的初相位，b₀(t)和b₂(t)分别为BPSK调制和MFSK调制所携带的信息，b₀(t)值为+1或-1，b₂(t)的值为{1-M₁,3-M₁,...,-1,1,...,M₁-3,M₁-1}，Δ为MFSK调制的相邻频率间隔，c(t)为调制采用的扩频码，表示c(t)经过CSK调制的信息b₁(t)循环移位后的扩频码，三组信号的调制频率是相互正交的。考虑信号通过AWGN信道，接收信号可以表示为

其中，τ表示传播时延，f_d表示多普勒频移，和表示发射机和接收机的载波相位差，为随机的载波相位，均匀的分布在(0,2π]，n(t)为双边带功率谱密度为N₀/2的加性高斯白噪声。

猝发混合扩频系统的接收机框图如图5所示，捕获信号后，获得了载波频率和码元相位的粗略估计，然后需要进一步的跟踪载波频率和码元相位，细同步获得载波频率和码元相位后，就可以对CSK信号和MFSK信号进行非相干解调，MFSK非相干最大似然接收机如图6所示。CSK非相干解调和MFSK非相干解调原理相似，只是乘以c(t)的不同循环移位的扩频码，而不是乘以不同频率的载波。

对于BPSK扩频信号，由于信息调制在码元相位上，载波相偏可能导致判决时出现倒π现象，因此解调前需要估计载波相位，载波相位可以借助自身信号估计，假设接收机实现了载波频率和码元相位的准确同步，接收机采用正交下变频解调，低通滤波后，同相支路为

正交支路为

其中，和分别表示同相支路和正交支路解调滤波后的噪声，当b₂(t)=m时，δ(b₂(t),m)=1，其他情况时δ(b₂(t),m)=0，m表示MFSK当前码元调制的数字信息，用BPSK路的扩频码对两路信号解扩并对其积分有

其中，R(c,c)表示c(t)的自相关函数值，表示c(t)与的互相关函数值，和表示由噪声和其他两路信号造成的干扰项。忽略干扰项，载波相位可以估计为

估计出载波的相位后，即可采用相干解调的方法，完成BPSK信号的解调过程。下面分析一下该系统在AWGN信道和水声多途信道下的性能。

在AWGN信道下，不考虑多普勒频移和同步问题，由于每路信号调制的载波是相互正交的，因此正交解调后，各路信号之间相互没有干扰，各路的误码性能是单独传输时的误码性能，只是传输的功率比单独传输时的要小，设在AWGN信道下，BPSK扩频调制、CSK调制和MFSK扩频调制的误码率分别为P₀、P₁和P₂，发送的二进制信息出现0和1的概率相同，则系统总的误码率为

$P_e=\frac{P_0+k_0{P}_1+k_1{P}_2}{1+k_0+k_1}---\left(9\right)$

不考虑加性噪声，信号经过时不变水声多途信道后，接收信号可以表示为：

其中，0<τ_l<T_s，L为路径数，α_l和τ_l分别为第l条路径的归一化衰减系数和时延，以BPSK扩频信号为例，分析多途信道对信号解调的影响。假设接收端以能量最大的声线为信号的起始时刻，则相应的时延为0，BPSK扩频信号发送的第一个比特为b₀[0]，为了检测该比特数据，相应的判决变量可以表示为

$Z=\frac{1}{T_s}{\&Integral;}_0^{T_s}r\left(t\right)c\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\&pi;}{f}_{c}t\right)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

将式(10)带入上式，可得判决变量Z为

其中，

D=δ(b₀[0],k)(13)

是当前需要解调的数据，k=+1或k=-1表示BPSK调制的二进制信息，而其余三项为干扰项，其中，

定义

$R_{c,c}\left[{\mathrm{\&tau;}}_l\right]=\frac{1}{T_s}{\&Integral;}_0^{{\mathrm{\&tau;}}_l}c\left(t\right)c(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)\mathrm{dt}---\left(15\right)$

${\hat{R}}_{c,c}\left[{\mathrm{\&tau;}}_l\right]=\frac{1}{T_s}{\&Integral;}_{{\mathrm{\&tau;}}_l}^{T_s}c\left(t\right)c(t-{\mathrm{\&tau;}}_l)\mathrm{dt}---\left(16\right)$

则I_s(l)可以表示为

其中，b₀[-1]表示BPSK调制的前一个符号携带的比特信息，R_c,c[τ_l]和为c(t)的部分自相关函数，同理，I_M1(l)可以表示为

其中，R_c,c[τ_l,b₁[-1]]和表示c(t)和的部分互相关函数，而是c(t)的循环移位，因此R_c,c[τ_l,b₁[-1]]和实际上是c(t)和τ_l与b₁(t)有关的自相关函数。表示CSK调制前一个符号携带信息调制后的扩频码，I_M2(l)可以表示为

其中，和定义为c(t)的广义部分自相关函数，b₂[-1]和分别表示MFSK调制的前一个符号携带的比特信息和码元初相位，从式(12)看出，干扰项主要有3项，第一项干扰由自身信号的多途引起的，第二项干扰是CSK路信号的多途信号引起的，第三项干扰是MFSK路信号的多途信号引起的，而这些干扰主要和扩频序列的自相关性有关，扩频序列长度为N，码片长度为T_c的m码序列的自相关函数可以表示为

$R_N\left(\mathrm{\&tau;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\frac{N+1}{N}\frac{\left|\mathrm{\&tau;}\right|}{T_c}& \left|\mathrm{\&tau;}\right|\&le;T_c\\ -\frac{1}{N}& \left|\mathrm{\&tau;}\right|>T_c\end{array}\right.---\left(20\right)$

从上式可以看出，当时延大于一个码片时，相关函数值便下降到-1/N，此时多途信号引起的干扰非常小，对于水声信道来说，是一个稀疏的多途信道，多途时延一般都大于码片长度，因此多途干扰可以近似为噪声干扰。

上面分析了BPSK扩频信号在多途信道下相干解调的性能，CSK扩频信号和MFSK扩频信号的非相干解调性能分析与其相似，只是增加一路正交解调信号。

Claims (1)

1.一种猝发混合扩频水声隐蔽通信方法，其特征在于：

步骤1：将要发送的信息分为三组，将三组信息分别采用BPSK扩频调制、CSK扩频调制和MFSK扩频调制，并将前述三路信号混合调制在频率正交的载波上；BPSK扩频调制作为同步信号，同时携带1比特信息，CSK扩频调制需将调制的信息映射到扩频码的码元相位上，MFSK扩频调制根据信道情况调整频率间隔；

步骤2：将前述混合调制后的信号以脉冲的形式随机发送；

步骤3：接收端采用时频二维搜索算法对信号进行捕获和跟踪，采用BPSK扩频信号为同步信号；

步骤4：对同步后的信号进行解调，将解调后的数据并串转换，得到发送的信息，对同步后的信号进行解调时，CSK扩频信号和MFSK扩频信号采用非相干方式解调，对BPSK扩频信号采用相干方式解调，对BPSK扩频信号解调前需要估计载波相位，载波相位借助自身信号估计。