CN105391500B

CN105391500B - 一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法

Info

Publication number: CN105391500B
Application number: CN201510676933.7A
Authority: CN
Inventors: 刘凇佐; 乔钢; 刘冰洁; 马天龙; 聂东虎; 马璐; 尹艳玲; 周锋; 孙宗鑫
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: CN105391500A

Abstract

本发明公开了一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法。在发射端，生成符合海豚嘀嗒声信号时域和频域特性的超宽带信号，使用TH‑PPM对所述的超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号，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，提取仿生通信信号，解调仿生通信信号，实现信息解码。该仿生通信方法在调制的过程中不依赖于真实的海豚叫声信号，应用方便；超宽带信号符合海豚嘀嗒声的时域和频域特性，具有很强的隐蔽性。

Description

一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法

技术领域

本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法。

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，这两种通信体制均采用真实的海豚叫声信号进行通信，通信效果依赖于采用的样本质量，应用不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有强隐蔽性的，基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法。

一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，包括以下步骤，

步骤一：生成模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号；

步骤二：采用TH-PPM超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号；

步骤三：在仿生通信信号前添加真实海豚哨声信号作为同步信号，同步信号与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；

步骤四：将帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

步骤五：使用水听器接收信号；

步骤六：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，从接收信号中提取仿生通信信号；

步骤七：解调仿生通信信号，实现信息解码。

一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，还可以包括：

1、模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号为：

其中，A为脉冲幅度，t为时间，τ为衰减常数。

2、仿生通信信号为：

其中，p(t)是模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号，E_b为符号能量，T_d为符号长度，b_i第i个信息符号，T_f为相邻两个无跳时脉冲的间隔，T_c为T_f中每个码片长度，c_j为跳频码，常数σ是相邻符号PPM调制常数。

有益效果：

海豚的嘀嗒声(Click)是一种高频窄脉冲信号。信号持续的时间很短，一般在几毫秒到几十毫秒之间。海豚在进行目标探测时，会连续发出一连串嘀嗒声信号，每个信号之间的间隔很短，嘀嗒声信号的数目和各个嘀嗒声信号之间的间隔会根据海豚对不同探测目标的兴趣和探测目标的难易程度等不同因素发生变化。

在仿生隐蔽水声通信中，采用高频窄脉冲宽带信号模仿海豚高频嘀嗒声信号作为信息载体。由于超宽带信号具有高频宽带窄脉冲特点，在信号的隐蔽性和多径分辨能力方面具有独特的优势，适合应用于隐蔽水声通信环境中。

本发明通信方法采用超宽带信号模拟海豚滴答声信号作为调制的载波，具有较高的时间分辨率，符合TH-PPM调制要求。同时，由于模拟海豚哨声的超宽带信号符合海豚嘀嗒声的时域和频域特性，具有很强的隐蔽性；并且，由于采用的是模拟信号，不是真实的海豚叫声信号，因此对海豚叫声信号的数据库没有要求，应用方便。同步信号为海豚的哨声信号，是一种宽带信号。最终合成的帧信号由哨声同步信号和模拟海豚滴答声的超宽带信号组成，具有一定的仿生效果，具有较强的伪装隐蔽性。

附图说明

图1(a)为瑞利单脉冲时域波形图

图1(b)为瑞利单脉冲频谱图；

图2为TH-PPM信号的结构图；

图3为1bit信息仿真调制信号图；

图4为仿真水声信道冲击响应；

图5为仿真接收信号；

图6为接收仿生通信信号解调方法图；

图7接收信号1bit信息时长T_d与V₀(t)相乘结果图；

图8接收信号1bit信息时长T_d与V₁(t)相乘结果图；

图9仿真实验误码率图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明要解决的技术问题是提出一种能够使用超宽带信号模拟海豚嘀嗒声信号，实现仿生隐蔽水声通信的方法。

实现本发明目的技术方案：

一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，其特征在于：

发送端，

(1)生成模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号；

(2)采用TH-PPM对(1)中所述的超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号；

(3)在(2)中所述仿生通信信号前添加真实海豚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；

(4)将(3)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，

(5)使用水听器接收信号；

(6)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；

(7)解调(6)中所述仿生通信信号，实现信息解码。

本发明公开了一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法。在发射端，生成符合海豚嘀嗒声信号时域和频域特性的超宽带信号，使用TH-PPM对所述的超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号，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，提取仿生通信信号，解调仿生通信信号，实现信息解码。该仿生通信方法在调制的过程中不依赖于真实的海豚叫声信号，应用方便；超宽带信号符合海豚嘀嗒声的时域和频域特性，具有很强的隐蔽性。

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：生成模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号。

工程上被广泛使用的超宽带脉冲信号，具有随时间变化陡峭的上升和下降沿，其中不含有直流分量，在实际应用中可以通过对高斯脉冲求导得到。其中，应用最为广泛的瑞利单脉冲和高斯单脉冲可以分别通过对高斯脉冲求一阶导数和二阶导数获得。高斯单脉冲和瑞利单脉冲在时域上可以看做单周期的正弦波，信号不含有直流分量，并且低频分量很弱。

本发明采用高斯波形求一阶导数获得的瑞利单脉冲作为海豚嘀嗒声模仿信号p(t)，表达式为：

式中，A表示脉冲幅度：t为时间；τ为衰减常数。一个脉冲的能量主要集中在5τ范围之内。

频域表达式为：

中心频率为f_c＝1/2πτHz,相对于f_c的3dB功率点的频率分别为f_low＝0.319f_c，f_up＝1.922f_c，因此，相对带宽约为中心频率的1.6倍。

为了验证仿嘀嗒声水声通信的有效性，进行了计算机仿真实验。令τ＝2e^-6，采样率为f_s＝10⁶，根据式得到的瑞利单脉冲时域和频域的仿真波形如图1所示。

从图1中可以看出，脉冲宽度为10μs，中心频率为127.6kHz，3dB带宽范围55kHz到170kHz，与海豚高频脉冲信号频带范围相符，可以实现对海豚嘀嗒声信号的模拟。

步骤2：采用TH-PPM对步骤1中所述的超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号。

在时域上，海豚的嘀嗒声信号表现为一串具有不同时间间隔的高频窄脉冲信号。为了使用超宽带信号模拟海豚嘀嗒声序列，使用TH-PPM进行信息调制。

TH-PPM是一种多脉冲调制技术，调制过程中采用多个脉冲传递相同的信息，把这种传输相同调制信息的多个脉冲的组合称为一组脉冲。TH-PPM调制过程可以分为两步：第一步进行跳时扩谱(TH-SS)，使每组脉冲中的各个脉冲信号保持一致的极性和幅度，但是在时间轴上的位置不同；第二步进行脉位调制，依据所要传输的数字信息，应用PPM编码同时对一组脉冲进行相同的时延。

图2对TH-PPM信号的结构进行了详细的描述。

在图2中，最上面一个坐标轴上的方波波形表示输入的信息比特，一个信息比特时长为T_d，而在T_d时间间隔内，被等分为长度相同的N_s个小的时间间隔T_f。每一个时间间隔T_f中含有一个脉冲波形，脉冲的宽度T_p＜＜T_f，信号的占空比很小。一个信息比特共调制了N_s个脉冲波形，即T_d＝N_s·T_f。这时，信息速率R_s＝1/T_d＝1/(N_s·T_f)。

脉冲波形在时间间隔T_f中的位置同时与跳时产生的偏移和PPM的调制偏移两因素有关。所允许的跳时和调制偏移的时间范围是[0，N_t·T_c]，一般情况下N_t·T_c≤T_f，图中N_t·T_c＝T_f。一个信息比特时长T_d中每一个脉冲波形的跳时偏移可以由一组N_s位的Gold序列决定。Gold序列是一种基于m序列的组合码，将优选的两个m序列进行逐位模2相加，可以得到Gold序列。Gold序列具有与m序列类似的自相关和互相关特性。对于不同的信息比特时长T_d，选用不同的Gold序列确定跳时偏移；对于不同的用户，跳时产生的偏移也不同。PPM的调制偏移由对应的信息比特确定，在一个信息比特时长T_d中每一个脉冲波形的PPM调制偏移相同。其中，在2-PPM调制中，当调制数据为“0”时，脉冲不含有调制偏移，只存在跳时偏移；当调制数据为“1”时，脉冲含有跳时偏移和调制偏移。基于此，TH-PPM的信号s(t)表达式为：

其中p(t)是仿海豚嘀嗒声的成形脉冲，E_b、T_d、b_i、T_f、T_c、c_j分别是符号能量，符号长度、第i个信息符号、相邻两个无跳时脉冲的间隔、T_f中每个码片长度及跳频码，常数σ是相邻符号PPM调制常数。

由此可以得到TH-PPM调制的仿生通信信号。

在计算机仿真实验中，设置仿真参数为：传输1000bit信息，每个码片长度T_c＝5e^-5，T_f中码片数量N_t＝2，T_f＝N_t·T_c＝e^-4，N_s＝31，T_d＝N₈·T_f＝3.1e^-3，进行跳时调制所依据的Gold序列具有31位，分别对每一个T_f时间段内的脉冲进行跳时调制。T_f中的脉冲波形根据跳时码以及对应传输信息进行脉位调制，其中1bit信息对应的调制信号如图3所示：

从图3中可以看出，在1bit信息比特时长T_d内，共含有31个脉冲波形。调制信号首先依据一组Gold序列“1，1，1，1，1，0，1，0，0，0，0，0，0，1，1，1，0，1，0，0，1，0，0，0，0，1，0，0，1，1，1”分别对每个脉冲波形进行跳时调制。根据该信息比特时长T_d对应的调制信息“1”，对其中含有的31个脉冲波形进行整体调制偏移。

步骤3：在步骤2中所述仿生通信信号前添加真实海豚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。

步骤4：将步骤3中所述帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道。

在信号的接收端：

步骤5：使用满足仿生通信信号频率范围的水听器接收信号。

在计算机仿真实验中，使步骤3中所述帧信号通过图4所示仿真信道，调制信号与该信号函数卷积，加入高斯白噪声，得到的接收信号如图5所示.

步骤6：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，从步骤5中所述接收信号中提取仿生通信信号；

步骤7：解调步骤6中所述仿生通信信号，实现信息解码。

对接收仿生通信信号具体的解调方法如图6所示。

在已知每一个信息比特时长T_d的跳时偏移Gold序列的情况下，分别生成与接收信号每一个信息比特时长T_d相对应的的解调模板信号V₀(t)和V₁(t)。其中，V₀(t)信号仅进行了跳时调制，未进行PPM调制，即假设调制数据为“0”；V₁(t)信号同时含有跳时偏移和PPM调制偏移，即假设调制数据为“1”。将接收信号与解调模板信号V₀(t)和V₁(t)在每一个信息比特时长T_d内对应相乘，对相乘结构进行积分运算：

若Z₀≥Z₁，判决该信息比特时长T_d对应的信息为0；若Z₀＜Z₁，判决该信息比特时长T_d对应的信息为1。从而实现信息解码。

在计算机仿真实验中，对接收信号1bit信息时长T_d与解调模板信号V₀(t)和V₁(t)分别对应相乘结果如图7、图8所示。从图7、图8中可以看出，对接收信号1bit信息时长T_d与解调模板信号V₀(t)相乘，相乘结果幅值较小，各个脉冲幅值差别较大，幅值有正值和负值；对接收信号1bit信息时长T_d与解调模板信号V₁(t)相乘，相乘结果幅值较大，各个脉冲幅值差别较小，接收信号与解调模板中的超宽带信号对应相乘导致结果幅值全部为正值。由此，可以判定该信息时长的输入数字信息为1。在实际操作中，通过对两个相乘结果进行积分，比较两者的积分结果，能够获得该信息比特时长T_d对应的数字信息。

仿真实验中得到的误码率图如图9所示。

Claims

1.一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：生成模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号；

步骤二：采用TH-PPM超宽带信号进行信息调制，得到仿生通信信号；TH-PPM调制过程分为两步：第一步进行跳时扩谱TH-SS，使每组脉冲中的各个脉冲信号保持一致的极性和幅度，但是在时间轴上的位置不同；第二步进行脉位调制，依据所要传输的数字信息，应用PPM编码同时对一组脉冲进行相同的时延；

步骤五：使用水听器接收信号；

步骤七：解调仿生通信信号，实现信息解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，其特征在于：

所述的模仿海豚嘀嗒声信号的超宽带信号为：

其中，A为脉冲幅度，t为时间，τ为衰减常数。

3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带信号的仿海豚嘀嗒声水声通信方法，其特征在于：

所述的仿生通信信号为：

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