CN106789794A - 一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法 - Google Patents

Abstract

一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法，涉及水声通信方法。仿照海豚通信信号的6种类型，设定包含码元周期、中心频率、调制带宽、调制周期数、调制相位的参数组，参数组中的元素个数为2ⁿ,n为正整数，进而生成2ⁿ个调制信号波形样本对应的频率变化函数，并生成2ⁿ个调制信号波形样本；根据二进制信息码元和调制信号波形样本间的映射关系，生成对应的调制信号，并作数模转换生成模拟调制信号。待所有二进制信息调制结束后，完成调制过程。

Description

一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信方法，特别是涉及一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法。

背景技术

传统的隐蔽水声通信技术，如扩频、多载波调制等，都通过将信号能量扩展到相对较宽的频带上，以降低单位频带内的信号功率，从而降低信号被截获或检测的概率。但长时间的积分还是能探测出通信信号的存在，并且降低发射功率的同时也限制了通信的距离。而仿生水声通信将真实或模拟的海洋哺乳动物声信号应用于水声通信中，在被截获或检测后被当作海洋生物噪声而得以排除，从而实现隐蔽通信的效果。([1]刘凇佐,刘冰洁,尹艳玲等.M元仿海豚叫声隐蔽水声通信[J],哈尔滨工程大学学报,2014,35(1):119-125；[2]刘凇佐,乔钢,尹艳玲.一种利用海豚叫声的仿生水声通信方法[J],物理学报,2013,62(14):144303-144303.)

现有的仿生水声通信方法多通过海豚声信号的时延差携带信息得以实现，在通信系统中需加入信道估计、信道均衡等模块以消除信道对接收信号的影响。而本发明通过模拟六种海豚通信信号，调整调频参数，生成不同类型的正弦调频信号，接收端节省了信道均衡开销。同时该方法能够在有限的频带范围内生成多种不同类型、不同调频参数的正弦调频信号，可在一定程度上提高通信的频带利用率。([3]韩笑,殷敬伟,郭龙祥等.基于差分Pattern时延差编码和海豚whistles信号的仿生水声通信技术研究[J],物理学报,2013,62(22):224301-224301.)

国内外学者普遍认可的海豚信号分类方法是美国学者Lilly和Miller在1961年所提出的分类方法，即根据信号用途与形式的不同，将海豚信号分为三大类：回声定位信号(click)、通信信号(whistle)和应急突发信号(burst pulses)。1997年Bazue-Duran又根据信号时频分布的不同，将海豚通信信号分为：凹型信号(concave or valley)、凸型信号(convex or hill)、上扫频类型信号(upsweep)、下扫频类型信号(down sweep)、正弦型信号(sinusoidal or multiple)、类单频信号(constant frequency)。在此基础上，可把六种海豚通信信号的时频分布看做正弦信号在不同中心频率、不同调制带宽、不同调制周期和调制相位下的体现，利用数学手段模拟出海豚通信信号时频分布的统一模型，并以此为基础生成调制信号波形样本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法。

本发明包括以下步骤：

1)仿照海豚通信信号的6种类型，设定包含码元周期T、中心频率fc_j、调制带宽B_k、调制周期数q_m和调制相位φ_m的参数组，参数组中的元素个数为2ⁿ，n为正整数，且2ⁿ≤6N_fN_B；其中，1≤j≤N_f，N_f为中心频率数；1≤k≤N_B，N_B为调制带宽数；1≤m≤6；

2)根据步骤1)的参数组生成2ⁿ个调制信号波形样本对应的频率变化函数f_i(t)，其中，1≤i≤2ⁿ：

其中，B_k、q_m和φ_m的取值与所选海豚通信信号的类型有关，即：

凹形信号：q₁＝2，φ₁＝π/2；

凸型信号：q₂＝2，φ₂＝-π/2；

上扫频信号：q₃＝4，φ₃＝-π或-π/2；

下扫频信号：q₄＝4，φ₄＝0或π/2；

正弦型信号：q₅＝1，φ₅＝-π/2；

类单频信号：B_k＝0，q₆、φ₆取值任意。

3)根据步骤2)的频率变化函数f_i(t)生成2ⁿ个调制信号波形样本s_i(t)：

其中，f_i(t)积分后忽略了常数项，即令该常数项为0。

4)根据二进制信息码元和调制信号波形样本间的映射关系，生成对应的调制信号，并作数模转换生成模拟调制信号；

5)待所有二进制信息调制结束后，完成调制过程。

与现有仿海豚通信信号的水声通信方法相比，本发明有如下优点：

(1)模拟海洋中真实存在的动物信号用于水声通信，实现良好的仿生隐蔽通信。

(2)与现有仿海豚通信信号的水声通信方法相比,该方法能够在有限的频带范围内生成多种不同类型、不同调频参数的正弦调频信号，可在一定程度上提高通信的频带利用率。

(3)本发明所述方法计算过程简单，接收端不需要作信道估计、信道均衡等计算开销。

附图说明

图1为模拟海豚通信信号时频分布的统一模型；

图2为模拟海豚通信信号的凹型信号的时频分布；

图3为模拟海豚通信信号的凸型信号的时频分布；

图4为模拟海豚通信信号的上扫频信号的时频分布；

图5为模拟海豚通信信号的下扫频信号的时频分布；

图6为模拟海豚通信信号的正弦型信号的时频分布；

图7为模拟海豚通信信号的类单频信号的时频分布；

图8为厦门五缘湾水声信道冲激响应；

图9为仿生通信系统的误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为模拟海豚通信信号时频分布的统一模型。海豚通信信号的6种类型：凹型信号、凸型信号、上扫频信号、下扫频信号、正弦型信号、类单频信号。它们可看做正弦信号在不同中心频率、不同调制带宽、不同调制周期和调制相位下的体现，因此可以利用数学手段模拟出海豚通信信号时频分布的统一模型。

图2～7为通过统一模型生成的6种模拟海豚通信信号的时频分布，即凹型信号、凸型信号、上扫频信号、下扫频信号、正弦型信号和类单频信号。设定包含码元周期T、中心频率fc_j(1≤j≤11)、调制带宽B_k(1≤k≤2)、调制周期数q_m(1≤m≤6)、调制相位φ_m的参数组，参数组中的元素个数为64。根据该参数组生成64个调制信号波形样本对应的频率变化函数f_i(t)(1≤i≤64)：

其中，T＝0.1s，fc_j＝(12.5+0.5j)kHz(1≤j≤11)，B_k、q_m和φ_m的取值与所选海豚通信信号的类型有关，即：

凹型信号：B₁＝0.5kHz，q₁＝2，φ₁＝π/2；

凸型信号：B₁＝0.5kHz，q₂＝2，φ₂＝-π/2；

上扫频信号：B₁＝0.5kHz，q₃＝4，φ₃＝-π；

下扫频信号：B₁＝0.5kHz，q₄＝4，φ₄＝0；

正弦型信号：B₁＝0.5kHz，q₅＝1，φ₅＝-π/2；

类单频信号：B₂＝0，q₆、φ₆取值任意。

根据生成的频率变化函数f_i(t)生成64个调制信号波形样本s_i(t)：

其中，f_i(t)积分后忽略了常数项，即令该常数项为0。

根据二进制信息码元和调制信号波形样本间的映射关系，生成对应的调制信号，并作数模转换生成模拟调制信号；待所有二进制信息调制结束后，完成调制过程。解调通过与本地信号波形样本进行循环相关，比较相关峰值的大小，输出解调信息。

图8为实测的厦门五缘湾水声信道冲激响应，利用该信道对该仿生通信方法的稳健性进行验证。为了模拟实际通信中的信道影响，

图9为仿生通信系统的误码率曲线图。仿真的信道为高斯白噪声信道和厦门实测水声信道。采样率为9.6kHz，码元长度0.1s，共仿真10000个码元。

Claims (1)

1.一种利用海豚通信信号调频调制的仿生通信方法，其特征在于包含以下步骤：

1)仿照海豚通信信号的6种类型，设定包含码元周期T、中心频率fc_j、调制带宽B_k、调制周期数q_m和调制相位φ_m的参数组，参数组中的元素个数为2ⁿ，n为正整数，且2ⁿ≤6N_fN_B；其中，1≤j≤N_f，N_f为中心频率数；1≤k≤N_B，N_B为调制带宽数；1≤m≤6；

2)根据步骤1)的参数组生成2ⁿ个调制信号波形样本对应的频率变化函数f_i(t)，其中，1≤i≤2ⁿ：

$f_i\left(t\right)={\mathrm{fc}}_j+\frac{B_k}{2}cos(\frac{2\mathrm{\π}}{q_{m}T}t+{\mathrm{\φ}}_m),0\≤t\≤T$

其中，B_k、q_m和φ_m的取值与所选海豚通信信号的类型有关，即：

凹形信号：q₁＝2，φ₁＝π/2；

凸型信号：q₂＝2，φ₂＝-π/2；

上扫频信号：q₃＝4，φ₃＝-π或-π/2；

下扫频信号：q₄＝4，φ₄＝0或π/2；

正弦型信号：q₅＝1，φ₅＝-π/2；

类单频信号：B_k＝0，q₆、φ₆取值任意；

3)根据步骤2)的频率变化函数f_i(t)生成2ⁿ个调制信号波形样本s_i(t)：

$\begin{array}{c}{s}_i\left(t\right)=\sin \[\∫2{\mathrm{\πf}}_i\left(t\right)dt\]\\ =\sin \left\{2\mathrm{\π}\[{\mathrm{fc}}_{j}t+\frac{B_k{q}_{m}T}{4\mathrm{\π}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{q_{m}T}t+{\mathrm{\φ}}_m\right)\]\right\}\\ =\sin \[2{\mathrm{\πfc}}_{j}t+\frac{B_k{q}_{m}T}{4}\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{q_{m}T}t+{\mathrm{\φ}}_m\right)\]\end{array},0\≤t\≤T$

其中，f_i(t)积分后忽略了常数项，即令该常数项为0；

4)根据二进制信息码元和调制信号波形样本间的映射关系，生成对应的调制信号，并作数模转换生成模拟调制信号；

5)待所有二进制信息调制结束后，完成调制过程。