CN105323198B - 一种利用双曲调频进行水下信号发射和接收的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用双曲调频方式来进行水下信号发射和接收的方法，通过将通信信号调制在双曲调频的频率偏移系数上，并且在接收端利用双曲调频信号多普勒不变的特性对该频率偏移系数进行检测，进而获取通信信号。相比传统的HFM‑SS系统，本发明的水声信号发射和接收方法大大增加符号集中的符号的个数，大幅提高通信速率，但又不显著降低原HFM‑SS系统的扩频增益和抗干扰性能。

Description

一种利用双曲调频进行水下信号发射和接收的方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及一种利用双曲调频方式来进行水下信号发射和接收的方法。

已有技术

由于在水声通信信道中存在着复杂时变的多径效应，且信号在传播过程中损失较大，从而导致接收端的信号的信噪比较低，这严重影响着水声通信的性能。为了克服这一问题，扩频技术被广泛应用于水下通信系统中，这是因为扩频技术具有抗多径干扰、处理增益大及性能稳定等特点。在扩频技术中，CSS(Chirp Spread Spectrum)和HFM-SS(HFM SpreadSpectrum)系统分别使用线性调频信号和双曲调频信号作为数据的调制信号，通过在发射端构造近似正交的符号集，来映射不同的比特信息，且在接收端采用匹配的滤波器实现信号解调。由于这种技术中不需要严格的符号同步和载波相位跟踪，因此计算复杂度低，具有很好的鲁棒性。

在带宽资源严重受限的水声信道中，CSS系统和HFS-SS系统面临的主要问题是准正交符号集构造困难所导致的信号传输速率较低。通过将可用的频带划分成多个子频带可以增加准正交符号的个数，实现多元扩频调制，提高信号传输速率，但是这又会减小扩频增益，而大大降低系统的性能。

发明概述

鉴于此，为了在不降低扩频系统性能的前提下提高其通信速率，本发明提出一种改进的HFM-SS水声信号发射方法和对应于该发射方法的接收方法，通过将通信信号调制在双曲调频的频率偏移系数上，并且在接收端利用双曲调频信号多普勒不变的特性对该频率偏移系数进行检测，进而获取通信信号。本发明的水声信号发射和接收方法大大增加符号集中的符号的个数，大幅提高通信速率，但又不显著降低原HFM-SS系统的扩频增益和抗干扰性能。

根据本发明的第一方面，提供了一种水声信号发射方法，通过将通信信号调制在双曲调频的频率偏移系数上形成数据帧的方式进行发射。

优选地，本发明的水下信号发射方法包括以下步骤：

步骤(1)：生成一个正调制率的双曲调频信号：

其中为信号的中心频率，f_L和f_H分别表示双曲调频信号的最小频率和最大频率，在通信信号带宽内选取，参数T表示双曲调频的符号周期；上述f₀、f_L、f_H和T几个参数的确定需要根据水声通信系统的带宽、数据传输速率综合设计；

将该双曲调频信号进行时间反转，得到其对应的负调制率的双曲调频信号s₂(t)；

步骤(2)：将步骤(1)中得到的两个信号相加得到基本波形信号s(t)＝s₁(t)+s₂(t)；

步骤(3)：构造发射序列集：首先根据可用带宽和符号周期参数估计最小可分辨的频率偏移值ΔF_min和最大频率偏移比率α_max，按照可用带宽B、最小可分辨频率偏移值和最大频率偏移比率计算最大可用发射符号个数为符号表示向下取整，计算出最小频率偏移系数间隔为假设符号集中的符号个数为2N，则需满足2N≤N_max，在[1-α_max,1+α_max]区间内选出2N个值作为与发射符号相应的频率偏移系数{D₁,D₂,…,D_2N}，只要保证选出的各值间两两之差的绝对值大于该最小频率偏移系数间隔即可；

将得到的频率偏移系数集合和步骤(1)中得到的一对双曲调频信号构造如下的发射序列集合，s_t,i(t)＝s₁(D_it)+s₂(D_it) i＝1,2,…,2N；以及

步骤(4)：将发射步骤(2)生成的基本信号波形作为同步信号，然后根据要发送的信号数据选取步骤(3)中生成的发射序列集合中的发射序列，以这样组成的帧结构进行发射。

优选地，本发明的利用双曲调频进行水下信号发射的方法中：按照平均分配的原则选择符号集中的符号对应的频率偏移系数，即

根据本发明的又一方面，提供了一种用于接收前述方法发射的信号的方法，利用双曲调频信号多普勒不变的特性对该频率偏移系数进行检测以获取通信信号

优选地，本发明的接收方法包括如下步骤：

步骤(1)：首先对接收信号进行带通滤波；

步骤(2)：利用同步信号估计当前信道的多普勒频偏；

分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置，利用这两个位置之差得到时延差Δt，通过计算得到整帧信号的多普勒频偏为同时利用两个位置的中间值为信号的同步位置；

步骤(3)：对同步信号后面的数据信号进行解调，其中：

分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置，利用这两个位置之差得到时延差Δt_i，通过计算得到多普勒频偏估计为在此基础上减掉信号的多普勒频偏即可得到该数据符号的实际频率偏移进而得到对应的频率偏移系数信息为以及

步骤(4)：根据步骤(3)中得到的频率偏移信息恢复原始的通信信号。

与已有技术相比，本发明的利用双曲调频方式来进行水下信号发射和接收的方法具有以下的有益效果：

(1)与传统的HFS‐SS系统相比，大大增加了原CSS和HFS‐SS系统的通信速率，又不损失其在大多普勒频偏、强多径干扰和低信噪比下的优良性能；

(2)传输信息隐藏在频率偏移中，具有较强的抗干扰能力和保密性。

附图的简要说明

图1显示的是根据本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的发射数据帧结构；

图2显示的是根据本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的频率偏移系数的设计流程；

图3显示的是根据本发明的水声信号接收方法中的信号解码流程；

图4显示的是示例中海上水声通信试验中同步信号两路匹配滤波器的输出；及

图5显示的是示例中符号数据解调时两路匹配滤波器的输出。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的实施方式。

在本发明的实施方式中，利用双曲调频来进行中远距离水声信号的传输。所用水声换能器匹配功率放大器后的信号发射系统带宽为6～10kHz，中心频率为8kHz，设定双曲调频的符号周期为0.2秒，最低频率为6kHz，最高频率为10kHz。

在信号发射端，如图2所示的频率偏移系数估计流程，首先根据前述的参数生成一对正负调制频率的双曲调频信号，分别记为s₁(t)和s₂(t)；然后将这两个信号相加得到同步信号s(t)＝s₁(t)+s₂(t)。

接下来，根据该实施例中的通信系统参数估计最小可分辨的频率偏移值为5Hz，最大频率偏移比率α_max＝0.25，进而计算最大可用发射符号个数为200，考虑一定的冗余设计，本例选择N＝40，即构造一个N＝40，即含有80元的发射符号集：

{s_t,i(t)＝s₁(D_it)+s₂(D_it)} i＝±1,±2,…,±40

在此优选的实施方式中，符号集中的各符号所对应的频率偏移系数设计为：，

接下来，根据要发送的信号数据选取发射序列集合中的发射序列生成数据信号；最后，按照图1所示的信号帧格式形成待发射的数据并发射出去。

在信号接收端，如图3所示的信号解码流程，首先对经过水声信道传输的水声信号进行带通滤波，然后分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波。作为示例，两路匹配滤波器的输出如图4所示。估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置，利用这两个位置之差得到时延差Δt＝10.14ms，通过计算得到该帧数据的多普勒频偏为同时利用两个位置的中间值为信号的同步位置；根据同步信号的位置获得信号数据，针对每一个信号数据符号分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置。作为一个示范性实例，假设一信号数据符号的两路匹配滤波器的输出如图5所示，根据这两个输出信号的位置之差得到时延差Δt_i＝20.53ms，进而计算得到多普勒频偏估计值为再从该得到的多普勒频偏估计值中减掉信号本身的多普勒频偏即可得到该数据符号的实际频率偏移F_i＝-176.2Hz，从而得到对应的频率偏移系数信息为再根据此频率偏移系数信息进行反映射以便恢复原始的通信信号。

以上以优选实施例的方式说明了本发明的水声信号从发射到接收的整个通信过程，但是应理解上述说明不是用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的精神和教导的前提下所做的任何改变和替换。

Claims (3)

1.一种水声信号发射方法，通过将通信信号调制在双曲调频的频率偏移系数上形成数据帧的方式进行发射；

所述水声信号发射方法包括以下步骤：

步骤(1)：生成一个正调制率的双曲调频信号：

其中为信号的中心频率，f_L和f_H分别表示双曲调频信号的最小频率和最大频率，在通信信号带宽内选取，参数T表示双曲调频的符号周期；上述f₀、f_L、f_H和T几个参数的确定需要根据水声通信系统的带宽、数据传输速率综合设计；

将该双曲调频信号进行时间反转，得到其对应的负调制率的双曲调频信号s₂(t)；

步骤(2)：将步骤(1)中得到的两个信号相加得到基本波形信号s(t)＝s₁(t)+s₂(t)；

步骤(3)：构造发射序列集合：首先根据可用带宽和符号周期参数估计最小可分辨的频率偏移值ΔF_min和最大频率偏移比率α_max，按照可用带宽B、最小可分辨频率偏移值和最大频率偏移比率计算最大可用发射符号个数为符号表示向下取整，计算出最小频率偏移系数间隔为假设符号集中的符号个数为2N，则需满足2N≤N_max，在[1-α_max,1+α_max]区间内选出2N个值作为与发射符号相应的频率偏移系数集合{D₁，D₂，…，D_2N}，只要保证选出的各值间两两之差的绝对值大于该最小频率偏移系数间隔即可；

将得到的频率偏移系数集合和步骤(1)中得到的一对双曲调频信号构造如下的发射序列集合，s_t,i(t)＝s₁(D_it)+s₂(D_it)，i＝1,2,…,2N；以及

步骤(4)：将步骤(2)生成的基本波形信号作为同步信号，然后根据要发送的信号数据选取步骤(3)中生成的发射序列集合中的发射序列，以这样组成的帧结构进行发射。

2.根据权利要求1的水声信号发射方法，其中：

按照平均分配的原则选择符号集中的符号对应的频率偏移系数，即， 。

3.一种用于接收根据权利要求1到2之一的方法所发射的信号的方法，利用双曲调频信号多普勒不变的特性对该频率偏移系数进行检测以获取通信信号；

所述接收方法，包括如下步骤：

步骤一：首先对接收信号进行带通滤波；

步骤二：利用同步信号估计当前信道的多普勒频偏；

分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置，利用这两个位置之差得到时延差Δt，通过计算得到整帧信号的多普勒频偏为同时利用两个位置的中间值为信号的同步位置；

步骤三：对同步信号后面的数据信号进行解调，其中：

分别采用s₁(t)和s₂(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤波输出信号的最大峰值位置，利用这两个位置之差得到时延差Δt_i，通过计算得到多普勒频偏估计为在此基础上减掉信号的多普勒频偏即可得到该数据信号的实际频率偏移进而得到对应的频率偏移系数信息为以及

步骤四：根据步骤三中得到的频率偏移系数信息恢复原始的通信信号。