CN108449147A

CN108449147A - 一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法

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Publication number: CN108449147A
Application number: CN201810330490.XA
Authority: CN
Inventors: 胡晓毅; 李海宇; 王德清; 解永军
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: CN108449147B

Abstract

一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，涉及水声通信领域。包括发送端和接收端；在发送端选择线性调频信号作唤醒信号，利用线性调频信号的抗频率选择性衰落强以及有良好的分辨力特性，有利于提高在信道多径效应严重以及接收端低信噪比低情况下的唤醒可靠性。在接收端进一步采用“5选3”的判决原则，有效地解决多径效应带来的幅值衰落和码间干扰问题，降低唤醒的漏报和虚警，提高唤醒的可靠性。同时，在发送端利用上/下调频的不同组合方式构造多点网络通信间的唤醒地址码，在多个网络节点下有利于降低唤醒的虚警概率，提高唤醒稳定性。

Description

一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，尤其是涉及一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法。

背景技术

水声通信终端或水声网络节点等水声通信设备多数由电池供电，但通过更换电池来补充水声通信设备能量的方式代价高昂，因此对水声通信设备进行低功耗设计是延长水声通信设备使用寿命的有效手段，其中唤醒机制是低功耗设计的重要手段之一。唤醒机制为水声通信设备专门配备一个唤醒电路，在空闲时水声通信设备处于低功耗的休眠状态，仅有小部分电路处于上电工作状态，一旦检测到有信号到达时，唤醒电路将开启(“唤醒”)后续相应电路模块的电源，进行通信发射或接收。

但是水声通信设备唤醒机制的设计面临由于水声信道复杂性而带来的诸多难题(李娜.OFDM水声通信中信道估计与均衡技术研究[D].哈尔滨工程大学，2008.)，首先水声信道存在较严重的多径效应。多径效应是由于声波在水中的折射、反射和散射形成。在水中传播的信号在时域上具体表现为幅值衰落和码间干扰；在频域上主要体现为频率选择性衰落(王君迪.小型水域水下监测通信平台的设计及实验[D].浙江大学，2016)，较大的时延易造成唤醒虚警，而幅值衰落和频率选择性衰落易造成唤醒漏报。其次水声信号传输损耗大和较强的背景噪声使得水声通信接收机接收信噪比低下，容易造成唤醒漏报和虚警；同时由于多普勒效应而带来的时间选择性衰落使得不同时刻到达接收端的信号幅度会不同程度衰落，也容易造成唤醒漏报。另外一方面，当唤醒机制应用于水声网络节点时，不仅需要考虑水声通信终端应用时所出现的信号衰落问题，同时还要考虑由于多个节点同时通信而带来的多址干扰问题。

现有的水声唤醒机制主要分为以下几种：中国专利CN102201872公开一种水声通信低功耗唤醒设备，其利用51单片机构成唤醒电路，并采用单频信号作为唤醒信号，通过对比频率参考值作为唤醒依据。其在多径效应造成频率选择性衰落环境下极有可能存在唤醒漏报，在接收信噪比低、存在尖峰脉冲干扰等环境下极有可能导致唤醒虚警。中国专利CN105472719A 公开一种稳健的水下通信节点唤醒信号检测方法，其利用发射的双频或多频信号，首先检测各频率分量的相对频率间隔和相对幅度关系，通过判断两者之间的一致性与否来进行唤醒判决，同样难以解决多径效应造成的频率选择性衰落导致的唤醒漏报问题并且在多点网络通信下，采用这种方法可能造成唤醒虚警。中国专利CN104243369A公开一种用于水声通信调制解调器的唤醒信号检测方法，其采用两个重复的平衡Gold序列所生成的二相码信号作为唤醒信号，接收端通过滑动相关获取多普勒时间伸缩长度以及信号到达时间联合估计，而后对接收信号进行降采样处理，降采样后的信号与之前估计的参考信号进行滑动相关，取最大相关值与预设门限进行检测唤醒判决(尹禄陈韵等.抗多普勒效应FRFT-PPM水声通信技术[J].系统工程与电子技术，2013(2):430-435)。这种方法忽视了低信噪比情况下唤醒的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对水声传输信号接收信噪比低，多径效应和多普勒效应严重以及应用于水声网络节点时而带来的多址干扰等问题，提供可进行水声唤醒机制设计，用于解决水声信道低信噪比、多径效应强以及多点网络通信的情况下水声通信唤醒的稳定性和可靠性问题的一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法。

本发明包括发送端和接收端；

所述发送端的步骤如下：

1)根据通信频带带宽产生全频带范围的5个时长为T_s的LFM信号，产生LFM信号后可以以表格形式存储，使用时直接查表即可，提高效率；

在步骤1)中，所述LFM信号用Matlab产生或用水声通信节点的处理器自行产生。

2)将步骤1)产生的信号储存为发送端唤醒信号与接收端本地相关信号；

3)发送端以合适功率，固定时间间隔时长为T发送5个LFM唤醒信号；

所述接收端的步骤如下：

1)接收端水听器不断接收水中信号并与本地相关信号进行相关运算；

2)检测相关峰是否超过设定的阈值，当超过阈值后储存相关峰的到达时间时刻t₀，记录检测状态，并从t₀时刻开始利用时间间隔T和T_s的相对关系对后续两个相邻的相关峰进行检测，更新状态；

3)依据“5选3”判决方式状态转换图重复执行步骤1)与步骤2)，根据“5选3”判决原则，当检测到3个LFM信号来自于同一组唤醒信号，判决触发唤醒门限，水声系统进入工作状态；若一组唤醒信号检测时间内没有检测到3个LFM信号，则唤醒失败，状态清空，水声系统进入待机状态S0；

4)若步骤2)中在小于时间窗时间内检测到LFM信号时，清除已有状态进入复位状态S2并将此时刻设为t₀，水声唤醒模块继续步骤1)～步骤4)的循环过程。

当多节点通信时，在唤醒信号设置方面利用N个LFM信号的上/下调频的组合作为唤醒信号与本地相关信号，实现不同地址码的设置。N个LFM信号的上/下调频组合方式可以使不同的唤醒信号之间存在差异性，降低唤醒的虚警概率，提高唤醒稳定性。当N＝5时，可以采用的地址码如表1所示，其中0代表上调频，1代表下调频。

表1 N＝5的地址码

地址码	调制方式
		A0	00000
A1	10000
		A2	11011
A3	11111

在信道信噪比较为良好的情况下，采用“5选3”判决方式，检测前三位LFM信号即可识别出相应的地址码。

在信道较为恶劣的情况下，采用“5选3”的判决方式，假设发送的地址码是A1，调制方式为“10000”，只有在漏收其中的“1”时，才仅会与地址码为0的唤醒信号混淆。并且可以计算，当5位LFM信号因为信噪比低下而等概率随机遗漏2位时，地址码A0与A1混淆的概率是0.4，并且不会与其他地址码的唤醒信号混淆。LFM信号本身具有较好的抗衰落能力，在实际使用中遗漏多位信号的概率是较低的，因此即使有一定的误判概率也是能符合实际使用要求。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，在发送端选择线性调频信号作唤醒信号，利用线性调频信号的抗频率选择性衰落强以及有良好的分辨力特性，有利于提高在信道多径效应严重以及接收端低信噪比低情况下的唤醒可靠性。在接收端进一步采用“5 选3”的判决原则，有效地解决多径效应带来的幅值衰落和码间干扰问题，降低唤醒的漏报和虚警，提高唤醒的可靠性。同时，在发送端利用上/下调频的不同组合方式构造多点网络通信间的唤醒地址码，在多个网络节点下有利于降低唤醒的虚警概率，提高唤醒稳定性。

附图说明

图1为T_s＝0.01s,B＝1kHz上调频LFM信号模糊函数图。

图2为Ts＝0.03s,B＝1kHz上调频LFM信号模糊函数图。

图3为T_s＝0.01s,B＝1kHz下调频LFM信号模糊函数图。

图4为T_s＝0.03s,B＝1kHz下调频LFM信号模糊函数图。

图5为“5选3”判决原理框图。

图6为“5选3”判决方式状态转换图。

图7为LFM信号相关峰。

图8为放大的LFM信号相关峰。

图9为时间窗选择图。

图10为y1状态转移图。

图11为y2状态转移图。

图12为y3状态转移图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

针对低信噪比下的水声通信唤醒可靠性问题，在唤醒信号选择方面选择了线性调频(linear frequency modulation，LFM)信号。线性调频信号具有处理增益高，抗干扰能力强，性能稳健的特点，同时还有一个重要的特点是具有较高的多普勒容限，抗时间选择性衰落能力强，因而被广泛应用于各种水声通信体制中作为同步定时信号。信号的时宽带宽积越大，则其分辨力越强。对于一般信号而言，时宽上升会导致频宽下降，而LFM信号是一种大时宽带宽积信号，它兼顾了大时宽和大频宽的特点，具有良好的分辨力，能够将多个时延与频移差较小的LFM信号分别检测出来。综上所述，LFM信号适用于低信噪比的水声信道中。

复包络的LFM信号定义为：

其中

为矩形函数，T_s为矩形脉冲波形的宽度，为调频斜率，B为调频带宽。

其上调频的模糊函数为:

其下调频的模糊函数为:

式中τ为信号时延，f_d为多普勒频移。

图1～4为不同参数的LFM信号的模糊函数图，由图1可以看出LFM信号有良好的分辨力，且时宽带宽积越大时,LFM信号模糊图尖峰越陡峭，分辨力越强。在实际应用时，将LFM信号的带宽设置为通信时使用的全频带，可以抵抗多径效应带来的频率选择性衰落，并根据实际情况设置合理的时宽，用以提高唤醒信号分辨力。

针对强多径效应下水声通信唤醒可靠性问题，在唤醒信号的接收判决方面，利用“5选3”的原则进行判决。图5为“5选3”判决原理框图，如图2所示，“5选3”的原则为在发送端选取5个时长为T_s的LFM信号作为一组唤醒信号，将这5个LFM信号以时间间隔T依次发送。将接收端的接收信号与本地相关信号进行相关运算，检测其相关峰值是否超过设定阈值，当超过设定阈值后，利用时间间隔T和T_s的相对关系对两个相邻的相关峰进行检测，更新状态，最后进行状态检测。当5个接收信号中检测到3个LFM信号为同一组唤醒信号时，状态转换到唤醒状态，视为达到判决条件，唤醒水声通信系统。

在上述检测方法中，时间间隔T大于信道时延扩展τ_max，此时有利于抵抗码间干扰；线性调频信号选择通信所用的全频带，此时拥有较大频宽的LFM信号具有较强的抵抗频率选择性衰落能力。相关峰阈值根据实际海试情况在避免唤醒漏报同时减少唤醒虚报的前提下，选择合理的阈值。如此，则在强多径效应下也能有效提高唤醒可靠性，减少由于幅度衰落带来的唤醒漏报以及由于码间干扰带来的虚警。

如上所述“5选3”判决原则，其中的判决方式亦为本发明所独有，图6为“5选3”判决方式状态转换图，下面结合图3介绍此唤醒判决方法。如图6所示，不同圆圈表示唤醒判决处于不同状态。其中S0为初始状态即为待机接收状态，S1为触发唤醒状态，S2为复位状态。S1表示还未检测到LFM信号，此时状态为空。S2表示当受到多径效应影响时，接收的 LFM信号时间间隔小于设置的时间范围，此时进入复位状态，将之前状态舍弃，并将状态更新为“1”。数字编号状态代表S0到S1之间的中间状态，例如“101”代表已经按顺序检测到 3个信号，其中“1”表示检测到LFM信号，“0”表示未检测到LFM信号。不同的连接线形状代表着检测采用不同的时间窗。连接线上的数字组合，前者代表是否检测到LFM信号，后者代表是否触发唤醒。例如“1/0”代表检测到1个LFM信号，未触发唤醒状态。

以上判决方式中，唤醒时间窗的选择是其中的关键，时间窗的选择由以下因素决定：发送端以固定的时间间隔T发送5个时长为T_s的LFM信号，接收端按照时间间隔T+T_s依次检测相应信号。由于多普勒效应导致的信号存在多普勒扩展，因此接收相关峰存在间隔变化量ε (ε根据实际海况最大多普勒因子确定)。图7～8展示了一个上调频、带宽为10kHz、时长为 0.03s的LFM自相关峰与经过多普勒因子为-0.001的多普勒信道后的互相关峰。LFM信号的采样率为100kHz，从图中可以看出，由于多普勒效应的影响，相关峰延迟了0.08ms。所以接收端在检测唤醒信号时，需要一个时间检测窗口。

如图9所示，当接收机在t₀时刻接收到第一个LFM信号后(阴影表示已检测出LFM信号)，由于多普勒效应的影响，理论上在t₀+W₀时间范围内检测到第二个LFM信号，在t₀+2W₀时间范围内检测到第三个LFM信号，在t₀+3W₀时间范围内检测到第四个LFM信号。其中 T+T_s-ε≤W₀≤T+T_s+ε。

将记t₀+W₀为时间窗W₁，则t₀+T+T_s-ε≤W₁≤t₀+T+T_s+ε。若在W₁这个时间窗内未检测到LFM信号，则当前搜索时刻已经到达t₁(t₁＝t₀+T_s+T+ε)，为使下一个搜索范围位于 t₀+2W₁时间范围内，需要对下一个时间窗进行修改，将下一个时间窗修改为W₂。其中 t₁+T+T_s-3ε≤W₂≤t₁+T+T_s+ε。

同理，若在W₂这个时间窗内未检测到LFM信号，则当前搜索时刻已经到达 t₂(t₂＝t₁+T_s+T+ε),为使下一个搜索范围位于t₀+3W₁时间范围内，将下一个时间窗修改为 W₃。其中t₂+T+T_s-5ε≤W₃≤t₂+T+T_s+ε。

若在W₃这个时间窗内也未检测到LFM信号，则根据“5选3”原则，此次唤醒失败，状态清空，进入待机状态S0。因此一共有3种时间窗。

当唤醒机制启动时，接收机进入接收状态，采用相应的时间检测窗。如果在相应的时间检测窗内检测到LFM信号，则状态机在原有状态基础上顺序记录“1”；如果在相应时间检测窗内没有检测到LFM信号，则状态机在原有状态基础上顺序记录“0”；考虑到多径效应造成的干扰，如果在小于相应时间检测窗内检测到LFM信号，则抛弃之前的状态，并将这个LFM 信号当作第一个接收到的信号，即状态机进入S2状态，并将状态置为“1”。当检测到3个LFM 信号时，触发唤醒，否则系统将根据图6在待机态S0、中间态和复位态S2三个状态间循环转换。

以下给出具体实施例。

实施例1

下面取点对点通信的具体实施步骤如下：

发送端：

步骤1：根据通信频带带宽利用Matlab或者水声通信节点产生全频带范围的5个时长为 T_s的LFM信号，其调频方式为上调频。

步骤2：将步骤1产生的5个LFM信号分别储存在发送端和接收端作为唤醒信号与本地相关信号。

步骤3：发送端利用发送端水声换能器每隔时间间隔T(T>τ_max，τ_max为最大时延扩展。) 依次将5个LFM信号发送出去，此时发送的唤醒信号格式如表2所示：

表2发送唤醒信号格式

接收端：

步骤1：接收端水听器不断接收水中声信号并与本地相关信号进行相关运算。设某三次接收到的唤醒信号分别为y1、y2与y3，其格式如表3所示：

表3接收唤醒信号格式

信号

时间间隔

信号

时间间隔

信号

时间间隔

信号

时间间隔

信号

y1

LFM

T+T_s+ε

N

T+T_s-ε

LFM

T+T_s

LFM

/

y2

LFM

0.5T

LFM

T+T_s+ε

N

T+T_s

LFM

T+T_s-ε

LFM

y3

LFM

T+T_s+ε

N

T+T_s+ε

N

T+T_s-4ε

LFM

T+T_s+ε

N

其中N表示没有检测到LFM信号，“/”表示触发唤醒不再检测。

步骤2：检测相关峰是否超过设定的阈值，当超过阈值后储存相关峰的到达时间时刻t₀，记录检测状态，并从t₀时刻开始利用时间间隔T和T_s的相对关系对后续两个相邻的相关峰进行检测，更新状态。则y1、y2与y3的状态转移图如图10～12下所示：

步骤3：由步骤2的结果可知，接收信号y1与y2符合“5选3”判决原则，最终进入S1状态，系统判定唤醒成功，水声系统正常工作。

步骤4：由步骤2的结果可知，唤醒信号y3在一组唤醒信号检测时间内只检测到2个LFM 信号，不符合“5选3”的判决要求，系统判定唤醒失败，状态清零，水声系统进入待机状态 S0并继续接收步骤1。

实施例2

取N＝5，多点通信地址码为A1的唤醒信号作为实施例2，其具体步骤方法如下：

发送端：

步骤1：根据通信频带带宽利用Matlab或者水声通信节点产生全频带范围的5个时长为 T_s的LFM信号其分别为上调频LFM信号C1与下调频LFM信号C2。

步骤3：发送端利用发送端水声换能器每隔时间间隔T依次将5个LFM信号发送出去，此时发送的唤醒信号格式如表4所示：

表4多点通信发送唤醒信号格式

接收端：

步骤1：接收端水听器不断接收水中声信号并与本地相关信号进行相关运算。设某三次接收到的随机漏报2位的唤醒信号分别为y4、y5与y6，其格式如表5所示：

表5多点通信接收唤醒信号格式表

步骤2检测相关峰是否超过设定的阈值，当超过阈值后储存相关峰的到达时间时刻t₀，记录检测状态，并从t₀时刻开始利用时间间隔T和T_s的相对关系对后续两个相邻的相关峰进行检测，更新状态。根据状态转换图重复执行此步骤，则y4、y5与y6的地址码识别结果如下表所示：

表6识别的地址码

信号	识别的编码序列
		y4	100
y5	100
		y6	010

步骤3：由步骤2的结果可知，唤醒信号y4,y5地址码只与接收端地址码A1一致，系统判定唤醒成功，水声系统正常工作。

步骤4：由步骤2的结果可知，唤醒信号y6地址码与接收端地址码A1不一致，系统判定唤醒失败，水声系统继续保持待机状态。

综上，可以看出本发明在基于线性调频信号抗多径效应强以及抗干扰强的特点下，在点对点通信下利用“5选3”判决原则可以有效地降低低信噪比条件下唤醒漏报的概率(如实施例1所示)；在多点通信情况下，利用线性调频信号的上/下调频信号的组合构成不同的唤醒地址码可以有效地降低唤醒虚警概率(如实施例2所示)。

Claims

1.一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，其特征在于包括发送端和接收端；

所述发送端的步骤如下：

1)根据通信频带带宽产生全频带范围的5个时长为T_s的LFM信号，产生LFM信号后以表格形式存储，使用时直接查表；

所述接收端的步骤如下：

2.如权利要求1所述一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，其特征在于在发送端的步骤1)中，所述LFM信号用Matlab产生或用水声通信节点的处理器自行产生。

3.如权利要求1所述一种基于线性调频信号的水声通信唤醒方法，其特征在于当多节点通信时，在唤醒信号设置方面利用N个LFM信号的上/下调频的组合作为唤醒信号与本地相关信号，实现不同地址码的设置。