CN105391501B - 一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法。在发射端，将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线上下平移加载数字信息，以调制后的轮廓曲线为基础进行信号合成得到仿生通信信号，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，对接收仿生通信信号进行相乘滤波、傅里叶变换解调调制信息，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。

Description

一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法

技术领域

本发明属于水声通信领域，尤其涉及一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法。

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，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，并且对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

本发明的目的是提供一种获得的调制信息性能良好、可靠性高的，基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法。

一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法，包括以下步骤，

步骤一：将传输二进制信息转化为十进制信息；

步骤二：提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据十进制信息对时频谱轮廓曲线进行上下平移，实现信息调制；

步骤三：将调制后的轮廓曲线变换合成仿生通信信号；

步骤四：在仿生通信信号前添加原始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；

步骤五：将帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

步骤六：使用水听器接收信号；

步骤七：对接收信号进行同步，在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；

步骤八：将真实海豚哨声信号与提取的仿生通信信号对应相乘，使用低通滤波器对相乘结果滤波；

步骤九：对滤波结果进行傅里叶变换，确定能量最大值处的频率分量，获得十进制的调制信息；

步骤十：将十进制的调制信息转化为二进制信息，实现信息解码。

本发明一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法，还可以包括：

1、步骤二中平移后的时频谱轮廓曲线采样点的频率值为：

f_r′[n]＝f_r[n]+r*Δf

其中，Δf是频率偏移量，f_r[n]为哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值，f_r′[n]为平移后的时频谱轮廓曲线采样点的频率值。

2、仿生通信信号为：

其中，R是谐波次数，a_r[n]为第r次谐波时第n点的幅度，为第r次谐波第n点的相位。

有益效果：

本发明通信方法采用真实的海豚哨声信号作为通信载波，并且对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；该通信方法利用海豚哨声信号时频谱轮廓曲线的平移程度来进行信息调制，再通过变换得到调制后的仿哨声数据信号，其调制方法新颖有效，仿生性能极高，具有很强的隐蔽性。解调时，通过仿生相干解调，获得调制信息，性能良好，可靠性高。

作为本发明的进一步改进，可以在将二进制信息转化为十进制信息以及十进制信息转化为二进制信息时，采用格雷码映射的方法。由于相邻的十进制数转化为二进制格雷码时只有1bit信息不同，因此应用该转化方法可以有效地降低通信误码率。

附图说明

图1为基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信流程图；

图2为瞬时频率相位转化结果；

图3为能量幅度转化结果；

图4(a)为仿生信号波形图；

图4(b)为仿生信号频谱图；

图5(a)为仿生通信信号帧结构波形图；

图5(b)为仿生通信信号帧结构频谱图；

图6为原始哨声信号与仿真信号相乘结果的短时傅里叶变换；

图7为相乘结果低通滤波后的FFT变换结果。

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方法。

实现本发明目的技术方案：

一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法,

发送端，

(1)将传输二进制信息转化为十进制信息；

(2)提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据(1)中所述十进制信息对所述轮廓曲线进行上下平移，实现信息调制；

(3)将(2)中调制后的轮廓曲线变换合成仿生通信信号；

(4)在(3)中得到的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(4)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(6)所述接收信号进行同步，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)将(2)中所述真实海豚哨声信号与(7)中提取的仿生通信信号对应相乘，使用低通滤波器对相乘结果滤波；

(9)对(8)所述滤波结果进行傅里叶变换，通过确定能量最大值处的频率分量，获得十进制的调制信息；

(10)将(9)所示十进制信息转化为二进制信息，实现信息解码。

步骤(1)中所述将二进制信息转化为十进制信息和步骤(10)中所述将十进制信息转化为二进制信息，均采用格雷码映射的方法。

本发明公开了一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法。在发射端，将真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线上下平移加载数字信息，以调制后的轮廓曲线为基础进行信号合成得到仿生通信信号，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，对接收仿生通信信号进行相乘滤波、傅里叶变换解调调制信息，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。

本发明涉及一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法。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：将输入的二进制信息转化为十进制信息。作为发明的优选方式，可以采用格雷码映射的方法进行转换。

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，将哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值表示为f_r[n]。基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信是通过对哨声信号所有谐波分量频率成分整体偏移，在不改变哨声信号时频谱轮廓整体形状的同时加载数字信息，其具体可以表示为：

f_r′[n]＝f_r[n]+r*Δf (1)

其中，Δf是频率偏移量，为了使调制后的信号依然成谐波的形式，所以对谐波的频率偏移量要乘以一个相应的谐波次数；f_r′[n]为平移后的时频谱轮廓曲线采样点的频率值。时频谱平移的方向和范围取决于使用的发射换能器的频率范围。

步骤3：根据步骤2中平移调制后的时频谱轮廓曲线f_r′[n]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：

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，表示第r次谐波第n点的相位。由公式(2)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。根据平移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，如果采样频率为f_s，可以将第r次谐波在每个采样点的相位表示为：

图2是通过瞬时频率积分得到的相位的结果，可以看出相位连续，随时间的变化单调递增。

(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：

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]](5)

令每个数据块第一个采样点幅度a_r[m]为：

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]。

图3即为哨声信号短时谱轮廓能量转化为每个采样点幅度的结果。

将所述每个采样点的幅度和相位带入公式(2)，进行仿生通信信号的合成，可以得到如图4所示的仿生信号合成时域波形和时频图。合成的仿生信号与原哨声信号相比，信号时频谱轮廓形状相同，只进行了频率上的平移。

为简明起见，仅以时频谱基波轮廓曲线合成仿生信号进行以下说明。

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5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：将步骤2中所述真实海豚哨声信号与步骤7中所述提取的仿生通信信号对应相乘，由于调制信号与原哨声信号只相差一个固定的频偏。因此，依据式(2)，假设原始哨声信号为：

由此，调制信号可以表示为：

将两信号对应相乘，对所乘结果进行积化和差转化，可以得到：

从式(9)可以看出，将原始哨声信号与仿真信号对应相乘会得到一个高频信号和一个频率恒定的低频信号。低频信号的频率即为调制信号频谱偏移的距离。对相乘结果进行短时傅里叶变换得到的结果如图6所示。通过一个低通滤波器，可以滤出所述低频信号。

步骤9：通过傅里叶变换，可以在频域获得尖锐的峰值，从而解码调制十进制信息。其傅里叶变换的结果如图7所示。

步骤10：采用步骤1的逆变换，将十进制信息转化二进制信息，实现信息解码。

Claims (1)

1.一种基于时频谱平移的仿海豚哨声水声通信方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：将传输二进制信息转化为十进制信息；

步骤二：提取真实海豚哨声信号时频谱轮廓曲线，根据十进制信息对时频谱轮廓曲线进行上下平移，实现信息调制；

步骤三：将调制后的轮廓曲线变换合成仿生通信信号；

步骤四：在仿生通信信号前添加原始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；

步骤五：将帧信号经过功率放大后通过换能器送入水声信道；

步骤六：使用水听器接收信号；

步骤七：对接收信号进行同步，在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；

步骤八：将真实海豚哨声信号与提取的仿生通信信号对应相乘，使用低通滤波器对相乘结果滤波；

步骤九：对滤波结果进行傅里叶变换，确定能量最大值处的频率分量，获得十进制的调制信息；

步骤十：将十进制的调制信息转化为二进制信息，实现信息解码；

所述的步骤二中平移后的时频谱轮廓曲线采样点的频率值为：

f_r′[n]＝f_r[n]+r*Δf

其中，Δf是频率偏移量，f_r[n]为哨声信号第r次谐波在每个采样点的频率值，f_r′[n]为平移后的时频谱轮廓曲线采样点的频率值；

所述的仿生通信信号为：

其中，R是谐波次数，a_r[n]为第r次谐波时第n点的幅度，为第r次谐波第n点的相位。