CN109257113B - 一种移动水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动水声通信方法，生成通信所需的DPLFM信号，调制所需传输的数据，在接收端经过移动水声通信信道接收信号，并进行虚拟时反处理，最后对虚拟时反后的接收信号进行滤波和解调。本发明利用PLFM信号替代LFM信号作为水声通信系统的载波信号，结合分段式线性调频和FDM技术，使传统LFM水声通信方法的频谱利用率和数据率都得到了有效的提高；同时，在通信发射端和接收端相对运动速度较低时，本发明无需多普勒频移补偿，就可与进行了多普勒频移补偿的OFDM水声通信系统的性能相一致甚至更优，拥有算法简便的优势。

Description

一种移动水声通信方法

技术领域

本发明涉及移动水声通信领域，具体涉及相关解调、分段式线性调频等技术，是一种在低多普勒频移和信噪比下较为高效的移动水声多载波通信方法。

背景技术

由于洋流、风浪等因素的存在，水声通信中的收发端之间往往存在一定的相对速度。因此，移动所带来的传播路程差，使得信号的频率及相位在传输过程中发生变化(即多普勒频移)，且区别于无线通信，水声通信中存在的往往都是宽带多普勒频移，信号除频偏和相移外还存在着信号展宽或缩减的现象，因此，不能仅以增加或减小信号频率的窄带多普勒补偿法直接对信号进行补偿，从而对系统性能产生较大影响。

常见的移动水声通信方法大体上有两个技术方向，一是结合多普勒频移补偿技术的OFDM水声通信方法。该方法的多普勒频移补偿技术通常分为两步实施。首先对多普勒频移进行粗估计，并利用重采样进行补偿，然后再针对未补偿完全的多普勒频移残余量进行精估计，并结合窄带的多普勒补偿法将残余量补偿掉。但这一方法通常给系统增加了较大的通信开销，且在多普勒因子快速变化的情况下，无法将系统频移完全补偿掉。

而另一种常见的移动水声通信方法则是基于拷贝相关的水声LFM通信方法。拷贝相关即是指收发端均用相同的信号表示相同的信息，在通信过程中，接收端通过将接收信号与预存的不同信息的信号分别进行相关，并从中选择相关性最大的信号所对应的信息作为解调所得的信息。而基于拷贝相关的水声LFM通信方法则是利用LFM信号在这一解调方式下的抗噪特性及抗多普勒频移特性，可在较低的多普勒频移条件下，不对多普勒频移进行补偿，从而在时效性等方面相比OFDM系统更具优势。M元FDM-LFM通信方法是水声LFM通信方法中的一种，它通过将通信系统频带等分为互不重叠的若干份子频带，在同一时间内对不同的子频带同时调制、并行传输，并在子频带内用不同载波频率的M个LFM信号表示不同的信息，从而实现M元调制，使水声LFM通信方法的通信速率大幅增加。但由于LFM信号的互相关性较强，使得该方法的频谱复用率较低，当系统通信频带较为有限时误码率较大，因此若能寻找到一种在保证自相关性的同时，互相关性优于LFM的新信号，则可结合频分复用(FDM)的思想在有限频段内提升LFM系统的数据率。

分段式线性调频(PLFM)信号，即是指在保证相位连续的情况下，将多个调斜率不同或相反的LFM信号联接起来，形成的一个新的信号。这一信号已被论证自相关性与LFM信号相同，而互相关性相较LFM信号更优。该类信号的波形具有多样性。其中一种由两段调斜率相反的LFM所组成的PLFM信号被称作DPLFM(Double-PLFM)信号，具有自相关性较强且在不同载波频率下互相关性较低的特性。本发明利用这种信号替代LFM信号作为水声通信系统的载波信号，可将传统LFM通信系统的频谱利用率有效提高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种M元FDM-PLFM移动水声通信方法，利用PLFM信号替代LFM信号作为水声通信系统的载波信号，结合分段式线性调频和FDM技术，使传统LFM水声通信方法的频谱利用率和数据率都得到了有效的提高；同时，在通信发射端和接收端相对运动速度较低时，本发明无需多普勒频移补偿，就可与进行了多普勒频移补偿的OFDM水声通信系统的性能相一致甚至更优，拥有算法简便的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，确定通信系统参数，其中，码元时长T不小于10ms，不大于50ms；码元带宽

时长比例因子Cl＝0.5；不同信息的信号间的频率间隔

子频带带宽B_s和子频带数N的乘积等于系统可用总带宽；子频带内完成M元调制所需的2^M-1个信号的起始频率组

两两之间间隔Δf，

等于其所属子频带的截止频率；

第二步，根据第一步确定的参数生成2^M-1进制数据分别对应的信号，以起始频率为

的DPLFM信号表示偶数0,2,4··2^M-2，将偶数信号时间轴反转信号表示奇数1,3,5··(2^M-1-1)；将DPLFM信号与2^M-1进制数据的对应关系形成调制表；

第三步，将待传输的2进制数据转化为2^M-1进制的形式，然后进行串并转换，逐一分配到N个子频段上，再通过编码选择器，选择数据所对应的信号，最后将N个子频段的信号相加，形成一帧数据；发射信号逐帧串联，直到数据全部调制完毕，或总信号时长达到1s，打包成为一个数据块，进行发送；如总信号时长达到1s后仍有为调制完的数据，则重复本步骤继续调制，并距离上一数据块发送时间2s后发送，直至数据全部调制完成；

第四步，经过移动水声通信信道的接收信号

其中，s(t)为发射端的发射信号，M(t)表示多径个数，τ_i(t)表示第i条径相对于第1条径的到达时延，a_i为第i条路径的衰减因子，a(t)表示t时刻的多普勒因子，n(t)为接收端接收到的加性高斯白噪声；

第五步，将预先估计出来的信道的单位冲激响应进行时间反转，得到

T_h为信道单位冲激响应的长度，δ(t)表示冲激函数；

然后将接收信号与反转过的冲激响应进行卷积，得到时反处理后的接收信号

第六步，利用任意一个通带与系统带宽相同的带通滤波器，对接收信号进行滤波处理；

第七步，接收端在各子频段内将接收信号按帧与调制表中对应频段的信号进行相关，将相关函数峰值最高的信号所对应的数据作为最终的解调数据，然后将各子频段的数据进行合并，并串转换，然后转化为二进制数据。

本发明的有益效果是：利用了PLFM信号互相关性更低的特点，解决了LFM水声通信系统在与频分复用相结合时系统带宽过大的问题；在保证误码率的情况下，本发明相比传统LFM水声通信方法频谱利用率和数据率更高，相比OFDM水声通信方法具有抗噪性强、无需进行多普勒频移补偿的优势。

附图说明

图1是本发明的M元FDM-PLFM调制技术示意图(M＝8)。

图2是本发明在仿真中所用的水下声传播信道的单位冲激响应。

图3是应用本发明中通信方法所搭建的水声通信系统模型。

图4是本发明在仿真中与其他多载波调制方法的抗多普勒频移特性对比(M＝8)

图5是本发明在仿真中与多普勒频移补偿后的OFDM系统性能对比(M＝8)。

图6是本发明在仿真中与M元FDM-LFM系统性能对比(M＝8)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

对于M元FDM-LFM通信方法频谱复用率较低的问题，其根本原因是用于表示不同信息的LFM信号之间互相关性较强。因此本发明利用自相关性较强且在不同载波频率下互相关性较低的DPLFM信号代替LFM信号进行传输，提出一种新的M元FDM-DPLFM通信方法，可以有效解决这一问题，并且保留了水声LFM通信方法在多普勒频移补偿较低时，无需进行多普勒频移补偿的优势。

本发明包括以下步骤：

第一步：确定通信系统参数

确定码元时长T、码元带宽B、子频带带宽B_s以及表示不同信息的信号间的频率间隔Δf等因素，具体分析如下：

首先需确立DPLFM信号参数，使不同频率的DPLFM信号互相关峰值最小，这是因为本发明需要不同频率的DPLFM信号表示不同的信息从而对数据进行M元调制。M代表每个码元所表示的二进制比特数，如当M＝3即3元调制，表示每个码元代表“000,001···111”中的一种。因此，为了完成这样M元调制，需要2^M-1个不同的载波信号。DPLFM信号可表示为：

其中，f₀为信号起始频率，T为码元时长，B为码元带宽，Cl为信号的第一部分占信号总时长的比例因子，k₁、k₂分别为信号两部分的调斜率。f₀由实际可用的系统带宽决定，k₁、k₂受码元带宽及时长影响，需要结合公式进行分析并确认的主要是下列4个参数：

①码元长度T：在相关解调系统中，T决定着码元所携带的能量，直接影响着信号自相关的峰值高度，也就同时影响着系统的误码率。通常设定T不得低于10ms。但T也同样影响着通信速率，因此也不宜过大。除此之外，考虑到水声信道的多径效应对信号带来的影响，信号长度最好不要大于50ms，以避免在一个码元内产生码间串扰。

②码元长度B：不同频率的DPLFM信号的互相关函数R_PC(τ)可表示为(2)式，S_1u和S_2u分别表示不同频率信号的第一部分，S_1d和S_2d分别表示不同频率信号的第二部分，τ为互相关时延：

式中的第二部分为调斜率符号相反但绝对值相等的LFM信号间的互相关函数R_LC(τ)，可化简为(3)式，为使公式简洁易读，在此设立变量A，所指代的部分如(4)式所示：

其中T为码元时长，v为计算积分过程中的自变量，无实际意义，C(A)和S(A)表示菲涅耳积分，其表达式如下：

该函数的幅值在

附近上下浮动，且最大值约为

并不会影响互相关函数的峰值，但仍需保证一定的时间带宽积以确保系统的鲁棒性。考虑到水声信道中存在的加性噪声和时反无法完全抑制的旁瓣所带来的码间串扰，应将

控制在0.25以下，即：

③时长比例因子Cl：如果仅针对互相关函数的峰值进行求解，公式(2)可化简为：

其中，Δf为两信号间起始频率间隔。可以看出，DPLFM的互相关函数存在两个峰值，分别位于：

且峰值大小分别由

和

决定，因此，当且仅当Cl＝0.5时，不同频率的DPLFM信号互相关峰值最小。

④频率间隔Δf：尽管不同载波频率下信号间的互相关峰值不可能为0，但为了降低解调时的干扰，仍需保证信号与其他频段信号的互相关函数在该信号自相关主瓣处为0，使信号间“正交”。结合公式(7)，当Cl＝0.5、τ＝0时

解得下式，D为正整数：

除上述4个参数外，还需确定系统参数子频带带宽B_s、子频带数N、以及子频带内完成M元调制所需的2^M-1个信号的起始频率组

N*B_s需等于系统可用总带宽，但N不可大于3，否则会带来较大误码，或可用滤波器将N个子频段每3个为一组进行分隔。

两两之间间隔Δf，

等于其所属子频带的截止频率。

第二步：生成通信所需的DPLFM信号

根据第一步中确定的参数及公式(1)生成2^M-1进制数据分别对应的信号。类似于LFM在相同频段内分别利用频率线性增加和线性减小的信号表示0和1，“0,2,4··2^M-2”等偶数由起始频率为

的DPLFM信号表示，“1,3,5··(2^M-1-1)”等奇数由偶数信号时间轴反转信号表示。奇数信号和偶数信号之间的关系可表示为：

s_奇(t)＝s_偶(T-t) (13)

T为信号的码元时长。

第三步：调制所需传输的数据

首先将所需传输的2进制数据转化为2^M-1进制的形式，然后进行串并转换，逐一分配到N个子频段上，再通过编码选择器，选择数据所对应的信号，最后将N个子频段的信号相加，形成一帧数据。发射信号逐帧串联，直到数据全部调制完毕，或总信号时长达到1s，打包成为一个数据块，进行发送。如总信号时长达到1s后仍有为调制完的数据，则重复上述过程，继续调制，并距离上一数据块发送时间2s后发送，直至数据全部调制完成。

第四步：发射信号通过信道

移动时变水声通信信道主要有两个特性，即时变的多径效应和多普勒频移。水声信道通常被视为一个相干多径信道，信号经不同路径传输，到达接收端的时间也有所不同，因此会产生一定的码间串扰。信道的单位冲激响应可表示为：

其中，在t时刻下，M(t)表示多径个数，τ_i(t)表示第i条径相对于第1条径的到达时延，δ(t-τ_i(t))为冲激函数，即当t＝τ_i(t)时，该函数等于1，其他时刻为0，a_i为第i条路径的衰减因子。

而多普勒频移则主要由两类因素决定，一是收发节点间的相对运动，二是海面风浪、潮汐作用等。在正常的海况条件下，收发节点相对运动所带来的影响远高于第二个原因。因此，通常定义当前时刻收发节点径向相对速度v与当前时刻声速c的比值为衡量多普勒频移程度的参数，即多普勒因子：

当发射端的发射信号为s(t)时，综合上述特性，经过移动水声通信信道的接收信号可表示为：

n(t)为接收端接收到的加性高斯白噪声。

第五步：接收端进行虚拟时反处理

在接收端接收到数据信号之后，首先利用虚拟时反降低水声信道中多径效应所带来的影响。虚拟时反，即是将预先估计出来的信道的单位冲激响应进行时间反转，然后再将接收信号与反转过的冲激响应进行卷积，从而降低多径干扰。信道单位冲激响应的时间反转如下式所示：

T_h为信道单位冲激响应的长度。而时反处理后的接收信号可化简为：

第六步：带通滤波器降噪

时反处理后，为降低噪声对系统性能的干扰，利用任意一个通带与系统带宽相同的带通滤波器，如椭圆滤波器，对接收信号进行滤波处理。

第七步：相关解调

接收端已知子频带的划分情况，且拥有和发射端一样的DPLFM信号与2^M-1进制数据对应的调制表。各子频段内通过将接收信号按帧与调制表中本频段内的各信号进行相关，将相关函数峰值最高的信号所对应的数据作为最终的解调数据，然后将各子频段的数据进行合并，并串转换，然后转化为二进制数据。

本发明的实施例包括以下步骤：

第一步：确定通信系统参数

在系统带宽方面，本发明选择水声通信中常用的8-14kHz。

在码元时长T方面，以保证尽量高的数据率为准则，因此设定码元时长为15ms，根据公式(11)，频率间隔Δf＝D*66.6667Hz，D为整数。

而对于码元带宽B，由公式(3)-(6)可知，此时B应大于1066.6667Hz，综合上述条件，考虑如将子载波数N确定为3，则子载波带宽B_s为2kHz，码元带宽B可设定为1200Hz，Δf为266.6666Hz，各子频带内进行8进制调制，可充分应用系统带宽。时长比例因子Cl为0.5，已在上文中确定，各子频段内所需信号的起始频率组f₁～f₂以Δf为间隔，在各子频段内均匀分布。

第二步：生成通信所需的DPLFM信号

根据第一步中确定的参数及公式(1)生成2^M-1进制数据分别对应的信号。“0,2,4,6”等偶数由起始频率为f₁～f₂的DPLFM信号表示，“1,3,5,7”等奇数由偶数信号时间轴反转信号表示。

第三步：调制所需传输的数据

在仿真过程中，本发明利用随机数作为需要传输的数据，由于码元时长T为15ms，因此1s的数据信号可包括66个码元，每个码元由三个子频段信号叠加而成，每个子频段的信号可表示3个2进制数据，因此生成594个随机的“0”或“1”作为需要传输的数据。再将其转化为8进制的形式，然后进行串并转换，逐一分配到3个子频段上，再通过编码选择器，选择数据所对应的信号，最后将3个子频段的信号相加，形成一帧数据。发射信号逐帧串联，直到数据全部调制完毕，此时总信号时长为1s。

第四步：发射信号通过信道

仿真信道参考公式(13)-(15)建立，仿真水声信道总深度300m，通信距离3km，收发端相对移动速度1.5mps，信道单位冲激响应利用Bellhop专用仿真工具箱模拟，如图2所示，而信号的多普勒频移则通过收发端相对移动速度基于公式(14)计算多普勒因子，并按照公式(15)进行重采样，并添加高斯白噪声。

第五步：接收端进行虚拟时反处理

由于不同的信道估计方法在不同环境下的估计精度不同，因此本发明在仿真过程中假设信道完美估计，直接利用原始信道作为估计信道进行时反处理。

第六步：带通滤波器降噪

本发明使用通带为8-14kHz的椭圆滤波器进行降噪。

第七步：相关解调

接收端已知子频带的划分情况，且拥有和发射端一样的DPLFM信号与8进制数据对应的调制表。各子频段内通过将接收信号按帧与调制表中本频段内的各信号进行相关，将相关函数峰值最高的信号所对应的数据作为最终的解调数据，然后将各子频段的数据进行合并，并串转换，然后转化为2进制数据。最后与发射数据进行对比，得出误码率。

图4是按上述步骤重复实验200次，即总数据量为120k的条件下，本发明即M元FDM-PLFM通信方法和其他多载波调制方法的收发端相对速度-误码率曲线。为直观展现系统对多普勒频移的抗性，此时的仿真水声通信环境未使用第四步中的条件，仅存在利用重采样产生的多普勒频移。可看到本发明在5mps之前数据率均为0，且整体曲线低于其他通信方法，说明本发明抗多普勒频移能力更强。

图5是按上述步骤重复实验200次，即总数据量为120k的条件下，本发明即M元FDM-PLFM通信方法和经多普勒频移补偿后的OFDM通信方法的信噪比-误码率曲线。此时仿真条件与第四步中所述相同。由于PLFM抗噪能力更强，本发明相对于补偿后的OFDM系统依然具有较大的信噪比优势，当信噪比较高时，两系统性能趋于一致。

图6是按上述步骤重复实验200次，即总数据量为120k的条件下，本发明即M元FDM-PLFM通信方法和M元FDM-LFM通信方法的信噪比-误码率曲线。此时仿真条件与第四步中所述相同。由于PLFM相比LFM互相关性更优，因此在频谱复用率高时，M元FDM-PLFM通信方法相比M元FDM-LFM通信方法有更低的误码率。

Claims (1)

1.一种移动水声通信方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，确定通信系统参数，其中，码元时长T不小于10ms，不大于50ms；码元带宽

时长比例因子Cl＝0.5；不同信息的信号间的频率间隔

其中，D为整数倍的系数，D为正整数；子频带带宽B_s和子频带数N的乘积等于系统可用总带宽；子频带内完成M元调制所需的2^M-1个信号的起始频率组

两两之间间隔Δf，

等于其所属子频带的截止频率；

第二步，根据第一步确定的参数生成2^M-1进制数据分别对应的信号，以起始频率为

的两段式线性调频信号DPLFM信号表示偶数0,2,4··2^M-2，将偶数信号时间轴反转信号表示奇数1,3,5··(2^M-1-1)；将DPLFM信号与2^M-1进制数据的对应关系形成调制表；

第三步，将待传输的2进制数据转化为2^M-1进制的形式，然后进行串并转换，逐一分配到N个子频段上，再通过编码选择器，选择数据所对应的信号，最后将N个子频段的信号相加，形成一帧数据；发射信号逐帧串联，直到数据全部调制完毕，或总信号时长达到1s，打包成为一个数据块，进行发送；如总信号时长达到1s后仍有未调制完的数据，则重复本步骤继续调制，并距离上一数据块发送时间2s后发送，直至数据全部调制完成；

第四步，经过移动水声通信信道的接收信号

其中，s(t)为发射端的发射信号，M(t)表示多径个数，τ_i(t)表示第i条径相对于第1条径的到达时延，a_i为第i条路径的衰减因子，a(t)表示t时刻的多普勒因子，n(t)为接收端接收到的加性高斯白噪声；

第五步，将预先估计出来的信道的单位冲激响应进行时间反转，得到

T_h为信道单位冲激响应的长度，δ(t)表示冲激函数；

然后将接收信号与反转过的冲激响应进行卷积，得到时反处理后的接收信号

第六步，利用任意一个通带与系统带宽相同的带通滤波器，对接收信号进行滤波处理；

第七步，接收端在各子频段内将接收信号按帧与调制表中对应频段的信号进行相关，将相关函数峰值最高的信号所对应的数据作为最终的解调数据，然后将各子频段的数据进行合并，并串转换，然后转化为二进制数据。

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