CN105245294B - 基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法 - Google Patents
基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的是一种基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法。本发明对直扩系统提出了差分能量检测器的解码处理方法，通过比较接收端相关器输出能量完成解码，并与有源平均声强器相结合，提出单矢量差分能量检测器的解码方法。本发明具有很好的抗载波相位跳变和多途扩展干扰的能力，并可对信号方位信息实时跟踪估计，利用估计方位进行矢量组合可获得矢量处理增益，从而保证直扩系统可以在低信噪比、时变信道条件下稳定工作。通过计算机仿真分析和大连海试试验，验证了本发明提出的单矢量差分能量检测器方法的有效性和稳健性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水声通信方法，更确切地说是一种远程水声通信中直扩系统的解码方法。
背景技术
水声信道是一个带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂性及多变性使得高质量水声通信面临着挑战。
直接序列扩频通信具有很好的抗干扰、抗多径的能力，能够在较低信噪比条件下工作，是实现高质量水声通信的首选通信方式。在扩频水声通信系统中，载波相位的跳变将严重影响扩频系统的扩频增益，导致系统性能下降。矢量水听器可以同步共点地获得声场的矢量和标量信息，且单个矢量水听器即可实现测量目标的方位信息，具有良好的空间指向性。但是在实际应用中，由于接收端在海面上发生转动或者收发双方存在相对运动，相对于矢量水听器而言通信目标的方位是随时间发生变化的，此时有源平均声强器的性能将受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较低的复杂度、高可靠性，可在低信噪比条件下有效抑制载波相位跳变的影响的基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)在直扩系统发射端，首先按照公式对原始信息序列进行差分编码得到差分序列，其中an为原始信息序列、表示模二相加、dn为差分编码后的信息序列；
(2)对差分序列进行直接序列扩频调制，经过BPSK载波调制后的信号即为发射端发射信号；
(3)接收端使用矢量水听器接收信号，对矢量水听器输出的三路信号分别用复载波ejωct进行解调处理，将通带信号转换为基带信号；
(4)解调处理后的基带信号以每两个扩频符号周期持续时间为单位进入单矢量差分能量检测器进行解码处理。
本发明解决的主要问题是在低信噪比条件下，如何克服载波相位跳变影响，实现高质量直扩水声通信。本发明将对有源平均声强器进行改进并与差分能量检测器相结合，提出单矢量差分能量检测器的解码处理方法，通过差分能量检测器的输出结果反馈给有源平均声强器，可对目标方位进行实时更新，从而利用实时更新的方位信息进行矢量组合，提高接收端处理增益。
本发明的优点主要体现在：
(1)直扩系统接收端采用能量检测而非相位检测进行解码，可有效克服载波相位跳变影响；
(2)可对目标方位进行实时更新，从而利用实时更新的方位信息进行矢量组合，提高接收端处理增益；
(3)该方法可在低信噪比、时变信道条件下稳定工作。
附图说明
图1为差分能量检测器原理图；
图2为单矢量差分能量检测器原理图；
图3为仿真采用的水声信道；
图4a-图4b为实时方位估计结果，其中图4a为匀速率转动、图4b为变速率转动；
图5为方位估计均方根误差曲线；
图6为直扩系统性能对比图；
图7为实测水声信道；
图8为矢量水听器接收信号；
图9为不同信噪比条件下方位跟踪估计结果；
图10为p+2vc归一化指向性；
图11为相关器能量输出结果，其中图11a为差分能量检测器、图11b为单矢量差分能量检测器；
图12为单矢量差分能量检测器输出结果。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
图1为差分能量检测器原理图。接收信号在粗同步后以两个扩频符号周期为单位进入差分能量检测器，分别与本地构建的两组扩频序列做相关运算。差分能量检测器通过对两个相关器的能量输出进行比较最终完成直扩系统解码。下面通过公式对差分能量检测器原理及性能进行详细说明。
在直扩系统发射端，首先对原始信息序列进行差分编码，差分编码的目的在于防止能量检测器输出误差扩散。设原始信息序列为an(an以概率P取1，以概率1-P取0)，则经过差分编码后的序列为：
式中，为模二相加，dn为差分编码后的信息序列且d0＝1。对差分序列dn进行转换，将序列dn中取0项转换为-1：
dn＝sign(dn-0.5) (2)
式中，sign(·)为符号函数。此时由式(1)和式(2)可知：
an＝sign(|dndn-1-1|) (3)
对转换后的差分序列dn进行扩频和载波调制，即可将信号发送出去(仅取一个扩频符号周期说明)：
s(t)＝dnPN(t)cos(ωct) (4)
式中，PN(t)为扩频序列的时域波形，ωc为载波中心频率。
直扩系统接收端利用差分能量检测器进行解码。首先利用本地参考扩频序列构建一对组合序列：
P+(t)＝[PN(t),PN(t)],P-(t)＝[PN(t),-PN(t)] (5)
接收端利用信号进行载波解调后，低通滤波器的输出信号为(取两个扩频符号周期，不考虑噪声影响)：
式中，dn＝±1，为第n个扩频符号内的载波残留的随机相位，L为水声信道多径条数，Ai为每条路径衰减系数，τi为每条路径的时延。
分别与本地组合序列P+(t)和P-(t)进行相关运算后的能量输出为：
式中，“＜·＞”为相关运算；|·|为取模运算；ρ为扩频序列的自相关函数。对于定点水声通信，水声扩频系统载波相位跳变较为缓慢，可认为相邻扩频符号间的载波残留的随机相位变化不大，即因此可得：
因此由式(3)可知，若maxE1(t)＞maxE2(t)，则dndn+1＝1，an＝0；反之，dndn+1＝-1，an＝1，过比较相关器输出能量匹配结果的大小即可完成解码。此时输出结果均为实数，因此差分能量检测器将不受载波相位跳变影响。同时，由于差分能量检测器算法是比较两个相关器能量输出结果，可知当水声信道多途扩展小于扩频符号周期时，水声信道的多途扩展分量将成为能量的有益贡献，差分能量检测器将不受多途扩展的影响。
另外，若采用cos(ωct)信号解调，低通滤波输出信号的残留载波相位的存在形式为而非因此当时差分能量检测器的两个相关器输出能量差将受到严重影响，进而产生误码。因此可以看到采用信号进行解调是差分能量检测器的关键一步，它有效抑制了残留载波相位在π/2附近处跳变时对直扩系统的影响。
图2给出了本发明提出的单矢量差分能量检测器原理框图。在直扩系统接收端，单矢量水听器声压振速输出信号首先进入有源平均声强器对当前目标方位进行估计。利用估计得到的方位进行矢量组合，从而完成对矢量水听器指向性的电子旋转，实现定向通信。差分能量检测器在进行相关运算时将相关峰的位置信息反馈给有源平均声强器从而保证有源平均声强器的方位估计增益最大化。
在单矢量差分能量检测器中，有源平均声强器是以扩频符号周期为单位对接收信号进行处理的。假设有源平均声强器对第k个扩频符号周期信号进行方位估计，在满足声学欧姆定律条件下，单矢量水听器输出信号为：
式中，θk为第k个扩频符号周期的信号方位，np、nx、ny为各项同性的加性非相干干扰，且彼此相互独立，h(t)为相干多途水声信道。则第k个扩频符号周期对应的信号的有源平均声强器方位估计输出结果为：
式中，(·)*为取共轭运算、Re{·}为取实部运算；Ip、Ix和Iy分别为本地参考扩频序列与pk(t)、和对应相乘后积分输出结果。其中，对于Ip，有：
式中，n'p为噪声干扰，经过扩频处理其干扰大大降低。假设水声信道直达声为第一条路径，则由扩频序列相关特性可知：
式中，M为扩频序列周期；Γp由多径干扰分量和噪声干扰分量组成，由于经过扩频处理后其干扰大大降低，因此可视为小量处理。同理有：
可以看到，Ix和Iy分别与Ip *相乘后期望项为实数，消除了的影响，即有源平均声强具有抗载波相位跳变、抗多径干扰的能力。利用有源平均声强器输出的方位信息进行振速组合：
由于差分能量检测器是以每两个扩频符号为单位进行处理的，因此选择两个扩频符号进行振速组合，最后将p+2vc矢量组合信号输入差分能量检测器完成直扩系统解码。从式(11)可以看出，有源平均声强器的输出增益取决于码位同步，当码位同步误差超过扩频序列一个码片持续时间时，其输出增益将显著降低，而在水声直扩系统中多普勒累积十分明显，这将严重影响有源平均声强器的性能。通过检测差分能量检测器的相关器输出能量峰值出现的时刻，可以实时地将码位信息反馈给有源平均声强器，从而保证有源平均声强器的码位同步实时更新，有效解决了多普勒累积的影响。
作为本发明一种较佳的实施例，其仿真研究及外场试验研究结果如下：
仿真研究：
本发明根据矢量水听器二维输出模型对单矢量差分能量检测器进行仿真研究，仿真采用的水声信道结构如图3所示。仿真参数为：系统采样率fs＝48kHz，载波中心频率fc＝6kHz，扩频序列选用周期为511的m序列，发射船初始方位为100o。仿真中分别假设接收船做匀速率转动和变速率转动。在带限信噪比为0dB条件下，有源平均声强器的实时方位估计结果如图4a-图4b所示。
图4a-图4b中的信号实际方位是每个扩频符号周期持续时间的平均方位，由于扩频符号周期持续时间较短且接收船转动速率较低，可认为信号方位在此期间为定值。可以看到有源平均声强器可以有效的实时跟踪信号方位的变化。当直扩系统采用周期为511的m序列作为扩频序列时，图5给出了有源平均声强器在不同信噪比条件下的方位估计均方根误差曲线。可以看到，在带限信噪比为-15dB时，有源平均声强器的方位估计偏差值小于6°。
利用本发明提出的有源平均声强器实现方位估计，再对矢量水听器输出信号进行p+2vc组合后进入差分能量检测器，最终完成解码。图6给出了采用差分能量检测器和单矢量差分能量检测器的直扩系统性能结果。
海上试验
对直接序列扩频通信进行了海上试验。试验海域深度在20～40m，最大通信距离为10km。试验当天海面风浪较大，这将使得接收信号的相位发生快速跳变。图7给出了试验当天通信距离为10km时测试得到的水声信道，可见直达声到达时刻越来越近，即风浪导致通信过程中收发双方存在相对运动，运动速度约为0.5m/s。另外，接收船由于风浪作用在海面上做缓慢转动，因此发射船相对矢量水听器的方位将随时间发生变化。
海试中直扩系统参数为：带宽4kHz，载波中心频率6kHz，采用BPSK调制，扩频序列选用周期为511的m序列。发送数据每帧包含180bit信息，共发送9组。图8给出了通信距离为10km时，矢量水听器接收信号的时域波形图，可以看到vx和vy通道的信号包络发生明显变化，这说明矢量水听器在接收信号时发生了转动。
海试中，图8所示的接收信号接收信噪比约为0dB，为了进一步验证单矢量差分能量检测在低信噪比条件下的稳定性，对接收信号额外加入高斯白噪声，使得接收信号的输入信噪比达到-18dB。图9给出了有源平均声强器的方位估计跟踪结果，从图中可以看出，在接收信号时，接收船发生了近似为匀速的转动，导致矢量水听器接收信号的方位随时间发生变化。
从图9可以看出，在信噪比较高时(SNR＝0dB)，有源平均声强器的方位跟踪估计结果平稳；而在低信噪较低时(SNR＝-18dB)，有源平均声强器的方位跟踪估计结果发生了交大的跳变。这是因为随着信噪比的下降，式(12)和式(13)中的“小量”干扰将越来越大，导致有原平声强器方位估计的均方根误差增大。在后续研究中，将会对进一步提高有源平均声强器方位估计输出信噪比进行研究，以减小有源平均声强器在低信噪比条件下的方位估计均方根误差。虽然，在信噪比为-18dB时，有源平均声强器方位跟踪估计结果跳变较为严重(最大方位估计偏差为12°)，但直扩系统仍然可以获得矢量组合处理增益。图10给出了p+2vc的归一化指向性，可以看到在±30°范围内均可较好的获得矢量处理增益。
图11a-图11b给出了差分能量检测器和单矢量差分能量检测器的在信噪比为-18dB时的解码输出对比图。可以看到，由于获得了矢量处理增益，单矢量差分能量检测器的两个相关器输出能量差明显，如图11(b)所示；而仅仅利用了声压通道的差分能量检测器的相关器输出能量差相近，出现误码，如图11(a)所示。
图12给出了单矢量差分能量检测器在信噪比为-18dB条件下的前10bit信息解码的输出结果，可以看到每bit对应的相关器输出能量差值明显，解码效果良好。由于发送数据有限，基于单矢量差分能量检测器的直扩系统均实现了无误码传输，验证了本文提出的单矢量差分能量检测器算法的稳定性。
Claims (1)
1.一种基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法，包括以下步骤：
(1)在直扩系统发射端，首先按照公式对原始信息序列进行差分编码得到差分序列，其中an为原始信息序列、表示模二相加、dn为差分编码后的信息序列；
(2)对差分序列进行直接序列扩频调制，经过BPSK载波调制后的信号即为发射端发射信号；
(3)接收端使用矢量水听器接收信号，对矢量水听器输出的三路信号分别用复载波ej ωct进行解调处理，将通带信号转换为基带信号；
(4)解调处理后的基带信号以每两个扩频符号周期持续时间为单位进入单矢量差分能量检测器进行解码处理；
其特征是具体包括：
在直扩系统发射端，首先对原始信息序列进行差分编码，设原始信息序列为an，an以概率P取1；以概率1-P取0，则经过差分编码后的序列为：
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式中，dn为差分编码后的信息序列且d0＝1，对差分序列dn进行转换，将序列dn中取0项转换为-1：
dn＝sign(dn-0.5) (2)
式中，sign(·)为符号函数，此时由式(1)和式(2)得：
an＝sign(|dndn-1-1|) (3)
对转换后的差分序列dn进行扩频和载波调制，将信号发送出去：
s(t)＝dnPN(t)cos(ωct) (4)
式中，PN(t)为扩频序列的时域波形，ωc为载波中心频率，
直扩系统接收端利用差分能量检测器进行解码，首先利用本地参考扩频序列构建一对组合序列：
P+(t)＝[PN(t),PN(t)],P-(t)＝[PN(t),-PN(t)] (5)
接收端利用信号进行载波解调后，低通滤波器的输出信号为：
式中，dn＝±1，为第n个扩频符号内的载波残留的随机相位，L为水声信道多径条数，Ai为每条路径衰减系数，τi为每条路径的时延；
分别与本地组合序列P+(t)和P-(t)进行相关运算后的能量输出为：
式中，“＜·＞”为相关运算；|·|为取模运算；ρ为扩频序列的自相关函数，对于定点水声通信，水声扩频系统载波相位跳变较为缓慢，认为相邻扩频符号间的载波残留的随机相位变化不大，即因此得：
由式(3)，若maxE1(t)＞maxE2(t)，则dndn+1＝1，an＝0；反之，dndn+1＝-1，an＝1，过比较相关器输出能量匹配结果的大小即完成解码；
在单矢量差分能量检测器中，有源平均声强器是以扩频符号周期为单位对接收信号进行处理的，假设有源平均声强器对第k个扩频符号周期信号进行方位估计，在满足声学欧姆定律条件下，单矢量水听器输出信号为：
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式中，θk为第k个扩频符号周期的信号方位，np、nx、ny为各项同性的加性非相干干扰，且彼此相互独立，h(t)为相干多途水声信道，则第k个扩频符号周期对应的信号的有源平均声强器方位估计输出结果为：
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式中，(·)*为取共轭运算、Re{·}为取实部运算；Ip、Ix和Iy分别为本地参考扩频序列与pk(t)、和对应相乘后积分输出结果，其中，对于Ip，有：
式中，n'p为噪声干扰，设水声信道直达声为第一条路径，则由扩频序列相关特性得：
式中，M为扩频序列周期；Γp由多径干扰分量和噪声干扰分量组成，由于经过扩频处理后其干扰大大降低，因此视为小量处理，同理有：
Ix和Iy分别与Ip *相乘后期望项为实数，利用有源平均声强器输出的方位信息进行振速组合：
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由于差分能量检测器是以每两个扩频符号为单位进行处理的，因此选择两个扩频符号进行振速组合，最后将p+2vc矢量组合信号输入差分能量检测器完成直扩系统解码。
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