CN104967489A - 一种msk信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿生水声通信领域，具体涉及一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法。本发明包括：对传输二进制信息进行MSK调制，生成相应MSK信号；提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线；使用水听器接收信号；对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号。由于技术方案对选取的真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，因此，海豚哨声信号样本可根据水声通信应用的海域和具体的通信需求灵活选取；信息调制是采用将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

Description

一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法

技术领域

本发明属于仿生水声通信领域，具体涉及一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法。

背景技术

近年来，随着现代探测技术的发展，对水声通信提出了隐蔽性的要求。传统的隐蔽水声通信方法多从低信噪比角度出发，将信号隐藏在海洋背景噪声中实现隐蔽通信的效果。但是，这种方法同时降低了通信距离。与低信噪比隐蔽水声通信不同，仿生隐蔽水声通信采用仿生伪装的方法，采用水声环境中自然存在的生物信号做调制波形，达到隐蔽的效果。

中国专利说明书CN103368660A中公开了一种基于差分Pattern时延差编码的仿生水声通信方法。该方法将海豚哨声信号应用于差分Pattern时延差编码通信体制中，以达到仿生隐蔽通信的目的。中国专利说明书CN103401619A中公开了一种基于虚拟时间反转镜M元仿生信号编码的水声通信方法，该方法同样采用海豚哨声信号进行调制，实现隐蔽通信。但是，在这两种通信体制下，为了降低在接收端进行相关解码的误码率，对选取的哨声信号之间具有相关性要求，哨声信号样本需求量较大。中国专利说明书CN104217722A公开了一种海豚哨声信号时频谱轮廓提取方法，但未将其应用于水声通信之中。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够使用任意单一海豚哨声信号样本实现仿海豚哨声隐蔽水声通信的MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法。

本发明目的是这样实现的：

发送端，

(1)对传输二进制信息进行MSK调制，生成相应MSK信号；

(2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，与步骤(1)中所述MSK信号相加，得到调制后的哨声信号时频谱轮廓曲线；

(3)将步骤(2)中所述调制后的哨声信号时频谱轮廓曲线合成仿生通信信号；

(4)在步骤(3)中所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号；

(5)将步骤(4)中所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

接收端，

(6)使用水听器接收信号；

(7)对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

(8)从步骤(7)中所述仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线；

(9)将步骤(8)中所述时频谱轮廓曲线与步骤(2)中所述真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相减，得到接收MSK信号；

(10)解调步骤(9)中所述接收MSK信号，实现信息解码。

本发明的有益效果在于：

由于技术方案对选取的真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，因此，海豚哨声信号样本可根据水声通信应用的海域和具体的通信需求灵活选取；信息调制是采用将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线伸缩的方式，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

附图说明

图1为基于时频谱MSK调制的仿海豚哨声水声通信流程图；

图2为附加相位θ_k(t)轨迹图；

图3为时频谱MSK调制通信信号帧结构；

图4为MSK信号解调流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明公开了一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法。在发射端，以提取的真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线与MSK信号相加的结果为基础，合成仿生通信信号，在仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，形成一帧发射信号。在接收端，通过同步信号相关确定仿生通信信号的起始位置，提取接收仿生信号时频谱轮廓曲线，将其与发送端的真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相减，得到接收MSK信号，解调MSK信号，实现信息解码。该仿生通信方法对真实海豚哨声信号样本的特征和数量没有特殊要求，合成的编码信号符合海豚哨声信号特点，具有很强的隐蔽性。

本发明涉及一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法。其具体流程如图1所示。下面结合附图对具体实施方式进行详细描述。

在信号的发送端：

步骤1：对传输二进制信息进行MSK调制，生成相应MSK信号。

MSK信号是一种特殊的二进制正交2FSK信号，在信号变化的过程中，能够始终保持包络恒定、相位连续。其中，MSK信号的第k个码元可以表示为：

在式(1)中，w_c＝2πf_c，为载波角载频；a_k＝±1(当输入码元为“1”时，a_k＝+1；当输入码元为“0”时，a_k＝-1)；T_s为码元宽度；为第k个码元的初始相位，在一个码元中保持不变。

MSK信号是一种相位连续的信号。相位连续的条件表现为前一码元结束时的相位与后一码元起始时的相位相等。参照式(1)可知，这就是要求：

由式(2)可以写出下列递归条件：

由式(3)可以看出，第k个码元的相位同时与当前的输入a_k、前一码元的相位和前一码元的输入a_k-1这三个因素有关。这就表明，MSK信号的每一个码元都与前一码元之间存在递推性。

若令t＝kT_s+t'，其中0＜t'＜T_s，则式(1)可以改写为：

在满足w_cT_s＝2π*N，N为正整数的条件下：

即：

则有：

根据式(3)得到的结论，当a_k+1＝a_k时，

当a_k≠a_k-1，且a_k＝1时，当a_k≠a_k-1，且a_k＝-1时，

综合上述结论可以得到：

因此，根据所述规律，在设置的情况下，可以根据输入数字序列描绘出MSK信号码元的随时间变化的轨迹图。例如，图2是根据输入数字序列：a_k＝1，1，-1，-1，-1，1，1，1，1，-1，-1，-1，所描绘出的轨迹图。

根据输入的二进制信息和的可以值得到每一个码元的MSK信号，从而获得调制后的MSK信号。

步骤2：从哨声信号样本库中提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，与步骤1中生成的MSK信号相加，得到调制后的哨声信号时频谱轮廓曲线。如果提取的真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线存在谐波，则将基波轮廓曲线与MSK信号相加，再根据谐波与基波的倍数关系，得到调制后的谐波轮廓曲线。

步骤3：将步骤2中调制后的时频谱轮廓曲线合成仿生通信信号。

海豚哨声信号是一个调频谐波信号，可以通过一组加权叠加的调频正弦信号表示为：

$s\left[n\right]=\underset{r=1}{\overset{R}{\mathrm{\Σ}}}{a}_r\left[n\right]\sin \left(2\mathrm{\π}{\mathrm{\φ}}_r\right[n\left]\right)---\left(9\right)$

其中，R是谐波次数，a_r[n]表示第r次谐波时第n点的幅度，φ_r[n]表示第r次谐波第n点的相位。由公式(9)可知，若要实现哨声信号合成，需要知道各次谐波中每个采样点的幅度和相位。

(A)瞬时频率相位转化

连续时间信号的瞬时频率可以表示为对相位的求导，所以相应的，对每一个采样点相位的估计可以表示为对瞬时频率的积分。根据步骤2中得到的调制后的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，可以得到哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值f′_r[n]。因此，可以将第r次谐波在每个采样点的相位表示为：

(B)能量幅度转化

假设仿真所使用的哨声信号样本库中的真实哨声信号在L个数据范围内是平稳的。采用窗长度为L的短时傅里叶变换，则哨声信号x[n]的短时傅里叶变换可以表示为：

$X[w,m]=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}x\left[n\right]w[n-w]\exp (-\mathrm{jwn})---\left(11\right)$

其中，w[n]表示宽度为L的窗函数。短时傅里叶变换结果X[w,m]是时间m和频率w的时频函数，当m固定不变，X[w,m]是关于频率w的标准傅里叶变换结果。采用海豚哨声信号时频谱轮廓提取方法，可以得到该哨声信号时频谱轮廓f_r[n]。用X_m[ω]表示第m个时间段傅里叶变换的结果。则在短时傅里叶变换所得的每一个时间段内的能力值e_r[m]可以表示为：

e_r[m]＝X_m[f_r[(m-1)*L+1]]       (12)

令每个数据块第一个采样点幅度为：

$a_r\left[m\right]=2\sqrt{e_r\left[m\right]}/L---\left(13\right)$

采用插值的方法，可以获得该数据块每一个采样点的值，最终得到第r次谐波在每个采样点上的幅度值a_r[n]。

将所述每个采样点的幅度和相位带入公式(9)，可以合成仿生通信信号。

为说明的简明起见，仅以时频谱基波轮廓曲线合成仿生信号。

步骤4：在所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号。具体形式如图3所示。

步骤5：将所述帧信号经过功率放大后通过换能器发射出去。

在信号的接收端：

步骤6：使用满足仿生信号频率范围的水听器接收信号。

步骤7：使用同步信号对接收信号相关处理，可以获得清晰的相关峰。由相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

步骤8：从步骤7中得到的接收仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线。

步骤9：将步骤8中所述时频谱轮廓曲线与步骤2中所述真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相减，得到接收MSK信号；

步骤10：解调步骤9中所述接收MSK信号，实现信息解码。

由于MSK信号是本身即为一种2FSK信号，因此一般的MSK信号解码也像2FSK信号一样，采用相干解调或非相干解调的方法。但是在本发明所述通信方法中，MSK信号频率很低，码元频率相差很小，无法通过滤波器分离。因此，本发明提出使用误差判决法进行仿生MSK信号解码。假设接收信号第k个码元为s_ok(t)，具体的解调方式如图4所示。

由公式(5)可知，在调制参数w_c、T_s已知的情况下，MSK信号在第k个码元的表达式只存在a_k和两个未知量，如果两者确定，就可以在接收端恢复该码元的表达式。已知第1个码元的假设a₁＝1，可以计算出在此参数条件下的第1个码元的表达式s'₁(t)；假设a₁＝-1，可以计算出相应第1个码元的表达式s”₁(t)。分别计算s'₁(t)、s”₁(t)与接收信号第1个码元s_o1(t)的平方误差，使用判决器判别两者的大小。如果δ₁<δ₂，则判定a₁＝1；如果δ₁>δ₂，则判定a₁＝-1。由式(8)可以根据a₁计算出进而可以重复上述过程，直至解码所有码元，实现接收端的信息解调。

以上实施例用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任意修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。

Claims (1)

1.一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法，其特征在于：

发送端，

(1)对传输二进制信息进行MSK调制，生成相应MSK信号；

(2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，与步骤(1)中所述MSK信号相加，得到调制后的哨声信号时频谱轮廓曲线；

(3)将步骤(2)中所述调制后的哨声信号时频谱轮廓曲线合成仿生通信信号；

(4)在步骤(3)中所述仿生通信信号前添加原始哨声信号作为同步信号，所述同步信号与所述仿生通信信号之间插入零序列作为保护间隔，形成一帧信号；

(5)将步骤(4)中所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

接收端，

(6)使用水听器接收信号；

(7)对接收信号进行同步，由同步信号的相关峰位置时刻加上保护间隔的长度确定信号开始的时刻，从所述接收信号中提取仿生通信信号；

(8)从步骤(7)中所述仿生通信信号中提取时频谱轮廓曲线；

(9)将步骤(8)中所述时频谱轮廓曲线与步骤(2)中所述真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相减，得到接收MSK信号；

(10)解调步骤(9)中所述接收MSK信号，实现信息解码。