CN104901776A - 一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是水声通信领域，具体涉及一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法。本发明包括：采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预成同步信号；将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。参量发射产生的差频声波的窄指向特性可减小声波在界面反射的次数，抑制了多途扩展带来的码间干扰。参量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。

Description

一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法

技术领域

本发明涉及的是水声通信领域，具体涉及一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法。

背景技术

差分Pattern时延差编码通信(DPDS)属于脉位编码，利用相邻码元的时间差值携带信息，相比于Pattern时延差编码水声通信方法，差分Pattern时延差编码水声通信技术有效继承了Pattern时延差编码水声通信体制抗多途扩展的能力，此外还有效的提高了通信速率，具有更好的抗多普勒的能力。传统的差分Pattern时延差编码水声通信方法，采用传统发射换能器辐射声波，为获得较远的通信距离需选用低频段进行通信，此时可用带宽就会变得很窄严重限制了通信速率，为此本发明旨在结合差分Pattern时延差编码体制，寻求更为有效的发射方式。

参量阵发射利用两列声波的非线性作用产生的差频波，可在较低的频段获得较宽的宽带，同时具有与原频波相近的窄波束指向特性。基于上述特性，参量阵在掩埋物探测、地声反演以及港口警戒等领域得到了将为广泛的应用。参量阵产生的宽带低频波可同时兼顾了水声通信对通信距离与通信速率的需求，窄指向性又有效抑制了水声信道多径传输特性，同时在一定程度上实现了通信的保密。因此参量发射在水声通信中具有良好的前景。

与本发明最为接近公开报道的文献有两篇：1)哈尔滨工程大学水声工程学院赵安邦教授与2015年3月在吉林大学学报(工学版)发表名为《基于参量阵OFDM编码的水声通信》一文。文中基于OFDM水声通信信号的特点提出了与之相适应的参量发射技术，文中借鉴单边带调制的思路实现了将传统待发射的OFDM信号调制与高频载波上，之后送入参量阵向水中辐射。与文献不同，本发明采用了差分Pattern时延差编码水声通信体制，针对该体制的特点，在信号编码前进行参量预调制，得到Pattern码信号，之后再进行信息调制、帧成型并通过功率放大送入参量阵向水中辐射，相比较而言本发明的方法在计算量以及通信距离等方面更具优势。2)发明人之前发表的关于差分Pattern时延差编码水声通信的文章。本发明在前面研究的基础上，对Pattern码的生成方式以及通信的发送方式进行了改进，本发明的方法在抗多途扩展、通信速率以及通信距离等方面更具优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于参量发射的差分Pattern时延差编码水声通信方法，该方法可实现中等通信速率的稳健定向水声通信。

本发明是这样实现的：

在发射端：

(1.1)采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；

(1.2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预成同步信号；

(1.3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射；

在接收端：

(2.1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后续处理单元；

(2.2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号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；

(2.3)每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器或匹配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信息解调；

(2.4)后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值，进而完成信息解调；

(2.5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。

本发明的有益效果在于：

参量发射产生的低频宽带声波，低频声波保证了水声通信的距离，宽带特性兼顾了水声通信的速率。参量发射产生的差频声波与原频波相似的窄指向特性，宅指向特性可减小声波在界面反射的次数，进而在一定程度上抑制了多途扩展带来的码间干扰。另外，参量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。差分Pattern时延差编码水声通信体制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。

附图说明

图1为发射端编码原理框图；

图2为接收端解码原理框图；

图3为参量发射对LFM信号的影响；

图4为普通发射方式与参量发射方式对应声线图；

图5为普通发射方式与参量发射方式对应信道冲激响应函数；

图6为6kHz中心频率4kHz带宽DPDS解码示意图；

图7为10kHz中心频率4kHz带宽DPDS解码示意图；

图8为10kHz中心频率8kHz带宽DPDS解码示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明提供的是一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法。本发明属于水声通信技术领域。参量阵发射利用两列声波的非线性作用可产生低频、宽带窄指向性的差频声波，结合差分Pattern时延差编码体制可实现稳健的水声通信，通过理论分析、仿真研究以及外场试验，验证了上述方法的可行性与有效性。在进一步研究的基础上，该方法可有效的应用于工程实践。参量发射可产生低频、宽带窄指向性的声波，低频宽带兼顾了通信速率与通信距离，窄指向性抑制了水声信道的多途效应，上述特性结合差分Pattern时延差编码水声通信体制可实现稳健的水声通信，该方法适用于对稳健性要求较高、中等通信速率的应用场景。

在发射端：

(1)采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成的Pattern码信号可生成一组供差分时延差调制调用，预成Pattern码经参量阵发射得到的信号具有强自相关性与弱互相关性，用来减小相邻码元间的码间干扰；

(2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧的要求时，将该帧信号打包添加预成同步信号；

(3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。

在接收端：

(1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过与之相适配的带通滤波放大，送至后续处理单元。

(2)利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测同步信号，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；

(3)每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信息解调。

(4)后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值，进而完成信息解调。

(5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。

作为本发明的一种较佳实施例，Pattern码信号以及同步信号均采用线性调频(LFM)信号，为更有效地抗水声信道多途干扰，可采用正负调频的LFM信号充当相邻码元的Pattern码，以实现码元分割。假设通信系统带宽为B＝f_h-f_l，其中f_h为上限频率，f_l为下限频率，预期得到的LFM信号脉宽为T，调频斜率为k＝B/T＝(f_h-f_l)/T，预期得到的正调频LFM信号表达式为cos(2πf_lt+πkt²)，预期得到的负调频LFM信号表达式为cos(2πf_ht-πkt²)。由于采用参量阵进行发射，故在发送端编码用的Pattern码需要进行参量预调制，对于正调频LFM信号而言参量预调制形式为：cos(πf_lt+πkt²/2)cos(ω_pt)，对于负调频LFM信号而言参量预调制形式为：cos(πf_ht-πkt²/2)cos(ω_pt)，其中ω_p为适用于参量阵的高频载波，相关具体原理见其他说明。

图1为参量阵差分Pattern时延差编码水声通信方法发射端编码原理框图，作为本发明的一种较佳实施例，待发送的信息首先按照4bit进行量化得到每4bit对应的时延差值，然后将该差值调制在当前Pattern码与前一Pattern码之间的时延上。其中当i为奇数时采用参量预调制生成的正调频LFM信号作为Pattern码，记为LFM+，当i为偶数时采用参量预调制生成的负调频LFM信号作为Pattern码，记为LFM-。当编码后的码元个数达到预设帧长度时，将其打包成帧，添加同步信号，之后送入参量阵向水中辐射。

2作为本发明的一种较佳的实施例，接收端实现方法如下：

作为本发明的一种较佳的实施例，接收端采用标准水听器进行差频信号的接收。如图2所示为接收端原理框图，由于采用了采样发射，发射端信号频带在高频段(中心频率为f_p)，由于声波在水中传播时的非线性作用产生了我们预期的差频波信号，在接收端进行带通滤波时要在差频波的频段(中心频率为(f_h+f_l)/2)进行滤波。

作为本发明较佳实施例，帧同步信号采用LFM信号充当，利用拷贝相关器(匹配滤波器)进行帧同步，给出同步信号后延出现时刻，该时刻加上同步信号与信息信号之间保护间隔的长度即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准。每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器(匹配滤波器)检测第一个码元中Pattern码相对于解码时间基准的时延，完成第一个码元信息解调。后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为解码时间基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值。特别地，为实现码元分割，参量预编码后的Pattern码有两种，在利用拷贝相关器进行解码时本地参考用的Pattern码也与之相对应有两种，奇数时选用形如cos(2πf_lt+πkt²)的信号做参考，偶数是选用形如cos(2πf_ht-πkt²)的信号为参考。由拷贝相关器获得各个码元对应的时延差值后，将时延差值逆映射至信息，对该信息进行信道解码，最后送至信宿。

3作为本发明较佳实施例，其性能分析如下：

3.1参量发射对LFM信号幅度的影响

欲分析参量发射对LFM信号幅度的影响，首先探讨LFM信号的参量阵发射问题，设原频波具有如下形式：

$p(t,x)={\mathrm{Pe}}^{-{\mathrm{\α}}_p{x}_g}(t-\frac{x}{c})\cos \left[{\mathrm{\ω}}_p(t-\frac{x}{c})\right]---\left(1\right)$

其中t为时间，x为距离，c为介质声速，P为声压的幅值，α_p为介质对角频率为ω_p的信号的吸收系数，g(t-x/c)为高频波的包络，对于水声通信即为预期在水声信道中传输的信号，简记为g(τ)，假设该包络信号的最高频率成分相比于高频波频率ω_p为一小量，则参量阵发射的轴向声场声压表达式为：

$p_s(R,t)=-\frac{\mathrm{\β}{P}^2{\mathrm{Se}}^{-{\mathrm{\α}}_{2}R}}{8\mathrm{\π}{\mathrm{\ρc}}^4{\mathrm{R\α}}_T}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left[g^2(t-\frac{R}{c})\right]---\left(2\right)$

其中t为时间，R为距离，ρ为介质的密度，β为介质的非线性参数，S为波束的截面积，α_s为差频波中心频率对应的吸收系数，简记二次微分式前面的系数为A，则参量阵发射形成的轴向声压表达式为：

$p_s(R,t)=-A\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left[g_2(t-\frac{R}{c})\right]---\left(3\right)$

假设原频波包络信号为：g(t)＝cos[φ(t)]，φ(t)为包络信号的相位，此时不失一般性记轴向声压为：

$p_s\left(\mathrm{\τ}\right)=-A\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left[g^2\left(\mathrm{\τ}\right)\right]=-A\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left\{{\cos }^2\right[\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)\left]\right\}---\left(4\right)$

将上式展开有：

$\begin{array}{c}{p}_s\left(\mathrm{\τ}\right)=-A\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left\{{\cos }^2\right[\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)\left]\right\}\\ =-A\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2}\left\{\frac{\cos \left[2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]+1}{2}\right\}\end{array}$

$\begin{array}{c}=A\frac{\∂}{\∂t}\left\{\sin \right[2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)]\×{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\}\\ =A\left\{\cos \right[2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)]\×2{\left[{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^2+\sin [2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)]\×{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\}\\ =A\×X\cos [2\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\τ}\right)-Y]\end{array}---\left(5\right)$

其中为幅度因子，Y为声学非线性自解调效应带来的相位畸变。由上述推导可知在参量阵输入端输入形如cos(φ(t)/2)cos(ω_pt)的信号可得到形如cos[φ(t)]的差频信号。

为实现线性调频信号的参量发射，原频波包络信号具有如下形式：

$g\left(t\right)=\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}{f}_{l}t+\mathrm{\π}{\mathrm{kt}}^2}{2}\right)---\left(6\right)$

则获得的差频信号的幅值为：

$X=\sqrt[2]{4{\left[{\mathrm{\φ}}^{\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^4+{\left[{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left(\mathrm{\τ}\right)\right]}^2}=\sqrt[2]{4{({\mathrm{\πf}}_l+\mathrm{\πkt})}^4+{\left(\mathrm{\πk}\right)}^2}---\left(7\right)$

式中根号下二次方量值相比于四次方量值为一小量，近似有：

$X=\sqrt[2]{4{({\mathrm{\πf}}_l+\mathrm{\πkt})}^4+{\left(\mathrm{\πk}\right)}^2}\≈\sqrt[2]{4{({\mathrm{\πf}}_l+\mathrm{\πkt})}^4}=2{(\mathrm{\π}{f}_l+\mathrm{\πkt})}^2---\left(8\right)$

由式(8)可知，从频域来看利用参量阵产生的发射信号的幅值受到与频率有关的调制因子(2π²f²)的影响，因此在利用参量阵进行通信的过程中如果需要对LFM进行匹配滤波等处理时，可对接收信号乘以一个幅度因子(1/2π²f²)以均衡非线性效应的影响。图3为某次试验中的实测发射和接收LFM信号的频谱，其中横轴为频率、纵轴为幅值。除幅度因子之外，接收信号相位存在一个扰动，对于通信同步信号检测或Pattern时延差编码拷贝相关解码影响不大，在此不做过多考虑。

3.2参量发射水声信道特性

参量发射产生的差频波具有较为尖锐的指向性，该指向性将声线约束在一个较窄的范围内，此时在接收端收到的声线均为小掠射角声线，该特性将带来以下两方面的影响：

A多途结构：在通信距离较近的情况下，收发节点位置固定以后，相比于全指向性发射，参量发射收发节点之间本征声线的数目减少，意味着多径传输的路径数目减小。另外，由于声线掠射角的减小，不同声线传播的声程差值减小，使得多途信道的最大时延扩展减小。在通信距离较远的情况下，从多途结构的角度看，由于界面反射时带来较大的能量损失，全指向性发射产生的大部分多次反射声线几近湮灭，此时两种发射方式对应的信道结构差异较小，此时两种方式的差别更多地体现在能量方面。

B传播损失：从能量的角度分析，首先指向性发射会带来指向性增益。除了该指向性增益以外，窄指向性对应声线的小掠射传播减少了界面发射的次数，进而减小了界面反射带来的能量损失。

为验证参量发射水声通信的信道特性，基于射线声学进行了声场预报，预报的结果如图4、图5所示。预报采用了等梯度声速分布，设所在水域深度为6m，收发节点相距1km，布放深度均为水下3m。如图4所示为对应的本征声线图，上图对应全指向发射，下图对应窄指向发射(开角20°)，由图可知指向性发射约束了本征声线的数目，也即减少了水声信道多途的数目。图5为两种放射方式对应信道的冲激响应函数，左图对应全指向发射，由图对应窄指向发射，由图可知窄指向发射对应的信道结构更为简单，表现为：多途数目较少、最大多途时延扩展较小，另外由于能量更加集中窄指向发射对应的信道响应幅值更高。

4作为本发明较佳实施例，其外场试验结果如下：

为验证参量阵差分Pattern时延差编码水声通信方法的可行性，于2015年1月初在松花江进行了外场试验。上述水域属浅水水域，通信距离在1km左右，发射换能器中心频率150kHz，刚性连接于圆管上，圆管由法兰刚性连接于水面平台，换能器声中心距水面2m左右，接收采用4元垂直阵，阵元间距0.5m，其他参数见表1。

表1外场试验参数

图6为6kHz中心频率4kHz带宽DPDS系统在0.2km处解码情况，图7为10kHz中心频率4kHz带宽DPDS系统在0.2km处解码情况，图8为10kHz中心频率8kHz带宽DPDS系统在0.2km处解码情况。所有系统在1km处解码情况与0.2km处相当，为更为直观地观测系统性能，下面以0.2km处通信信号为蓝本进行分析。所有试验的误码率结果统计见表2。

对比图6与图7可知，提高差频波频率有效提升了接收信噪比。对比图7与图8可知，系统带宽的进一步提高提升了LFM信号时延分辨的能力，原本比较接近的途径被区分了出来。图8中接收信号波形图中的同步信号，可明显地看出：同步信号前半段低频部分的响应值明显低于高频部分，这意味着随着差频带宽的提高，参量发射由于宽带信号的自解调效应带来不同频率成分响应的差异值变大，这个差异带来了拷贝相关峰值的下降，对比图7与图8中解码拷贝相关峰可验证这个观点。对于DPDS系统而言，当使用参量发射且系统带宽较宽时可对拷贝相关信号进行相应的补偿，或采用相干重置的方法可进一步提高系统性能。

表2误码率统计表

注：误码率为0表示在统计范围内没有出现误码。

Claims (1)

1.一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法，包括发射端和接收端两部分，其特征在于：

在发射端：

(1.1)采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；

(1.2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预成同步信号；

(1.3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射；

在接收端：

(2.1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后续处理单元；

(2.2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号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；

(2.3)每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器或匹配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信息解调；

(2.4)后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值，进而完成信息解调；

(2.5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。