CN109302208A - 一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法，所述方法包括：步骤1)在信号发射端，从扩频序列集中按照数据‑扩频序列映射表选取r个信息序列进行多路交织生成信息映射序列，选取一个与扩频序列集中的序列都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息映射序列进行正交调制后发射到水声信道中；步骤2)在信号接收端，将接收信号解调至复基带后进行多普勒补偿得到接收信号序列，然后利用同步序列和接收信号序列的运算结果得到L个多径的参数，利用这些参数对接收信号序列进行去交织和多途合并运算得到r个序列，分别对r个序列采用M路相关器求最大值判决得到各个发射序列的判决符号，从而获取所传输的r个信息序列的序号。

Description

一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法。

背景技术

并行组合扩频通信是目前水声通信中常用的技术，比普通的直接序列扩通信(DSSS)和M元扩频(M-ray)具有更高的信息传输效率。并行组合扩频是在M个正交扩频序列中，根据要传送的信息数据，选取其中r个序列，并行组合发送，能同时传送比特的信息数。式中“[]”表示对x取整，是M中取r的组合。随着所选取序列个数r的增加，导致发射信号峰均比增加，经常使用映射序列扩频方式采用码元择多变换形成映射序列，降低并行组合扩频发射信号的峰均比，提高系统通信效率。并行组合扩频经常使用Gold序列作为扩频码集，但r个Gold序列之和在进行码元择多变换后，容易与扩频码集中其他未被选中的序列有强相关性，形成伪峰，严重影响了系统的通信性能。常规的解决办法是在r个不同族的Gold序列分别选取r个信息序列，规避伪峰的出现，但Gold序列族的个数是有限的，这样导致信息序列个数r受限。

发明内容

本发明的目的在于为了保持信息序列个数不受限条件下解决Gold序列并行组合扩频出现的伪峰干扰，提出一种并行交织组合扩频水声通信方法，分别对选出的信息序列进行不同的伪随机交织，进而避免伪峰的出现，提高原并行组合扩频的通信性能。

为了实现上述目的，本发明提出了一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法，所述方法包括：

步骤1)在信号发射端，每发送一个扩频符号，从扩频序列集中按照数据-扩频序列映射表选取r个信息序列进行多路交织生成信息映射序列，选取一个与扩频序列集中的序列都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息映射序列进行正交调制后发射到水声信道中；

步骤2)在信号接收端，将接收信号解调至复基带后进行多普勒补偿得到接收信号序列，然后利用同步序列和接收信号序列的运算结果得到L个多径的参数，利用这些参数对接收信号序列进行去交织和多途合并运算得到r个序列，分别对r个序列采用M路相关器求最大值判决得到各个发射序列的判决符号，从而获取所传输的r个信息序列的序号。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设发射用的M个扩频序列集为每个序列长度为N，即每发送一个扩频符号从扩频序列集中按照数据-扩频序列映射表选取r个信息序列每个扩频符号能够传递的信息bit数：

步骤1-2)分别对r个信息序列进行不同的交织：符号“Π_k”表示采用第k个交织器进行交织运算；

步骤1-3)将交织后的r个序列求和得到组合信号然后进行码元择多处理，得到码元择多信号其中

步骤1-4)将同步序列和码元择多信号这两路信号进行正交QPSK调制，所述同步序列为与扩频序列集中所有序列都不相关的任意序列；复基带信号为其中j表示虚数单位；再将复基带信号调制到载波上得到最终发射信号，并发射到水声信道中。

作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对接收信号进行带通滤波，并解调至复基带,记为信号

步骤2-2)采用时频二维搜索对信号序列进行时频二维同步，估计出信号的起始时间和当前信道的多普勒频偏，并按照估计的多普勒频偏对该帧信号进行重采样，补偿多普勒偏移，得到复基带形式的接收信号序列τ₀为起始时刻；

步骤2-3)利用同步序列和之间的相关运算结果，给出当前的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下L个多径分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L；

步骤2-4)分别对复基带信号进行r个对应的去交织运算，并按照L个多径的起始位置进行合并，得到r个序列k＝1,2,…,r，符号表示采用第k个交织器进行去交织运算，上标符号“*”表示取复数共轭，表示将序列延迟τ_l；

步骤2-5)分别对r个序列k＝1,2,…,r采用M路相关器求最大值判决到各个发射序列的判决符号，从而得到所传输的r个信息序列的序号；

步骤2-6)通过数据-扩频序列逆映射算法，从r个信息序列的序号中解出发射的u个bit的数据信息。

本发明的优势在于：

1、与传统的Gold映射序列并行组合扩频系统相比，本发明的方法消除了伪峰的出现，大大提高了原系统的误码率性能；

2、与不同族Gold映射序列并行组合扩频系统相比，本发明的交织器个数大大超过Gold序列族数，降低了对信息序列个数的限制。

附图说明

图1为本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的发射数据帧结构；

图2为本发明的水声信号发射方法的信号发射流程；

图3为本发明的水声信号接收方法中的信号接收流程；

图4为本发明的实施例的海上水声通信试验中时间同步和信道估计结果；

图5为本发明的实施例的符号数据解调时信息序列1对应512路相关输出结果；

图6为本发明的实施例的符号数据解调时信息序列2对应512路相关输出结果；

图7为本发明的实施例的符号数据解调时信息序列3对应512路相关输出结果。

具体实施方式

本发明采用如下步骤的技术方案：

该通信方法由信号发送处理和信号接收处理两部分组成。

设发射用的M个扩频序列集为每个序列长度为N，即每发送一个扩频符号，都从扩频集中按照数据-扩频序列映射表选取r个序列根据公式计算出每个扩频符号能够传递的信息bit数u。

2)多路交织

分别对r个信息序列进行不同的交织：符号“Π_k”表示采用第k个交织器进行交织运算。

3)生成信息映射序列

将交织后的r个序列求和得到组合信号然后进行码元择多处理，其中

4)正交调制

选取一个与扩频序列集中的序列都不相关的序列(选取一个与扩频序列集中所有序列都具有良好互相关性的序列)作为同步序列将同步序列和码元择多信号这两路信号进行正交QPSK调制，复基带信号为其中j表示虚数单位。再将复基带信号调制到载波上得到最终发射信号，并发射到水声信道中。

(2)信号接收处理流程：

1)首先对接收信号r进行带通滤波，并解调至复基带,记为

2)利用信号进行时频二维同步。

采用时频二维搜索的办法对信号序列进行时频二维同步，估计出信号的起始时间和当前信道的多普勒频偏，并按照估计的多普勒频偏对该帧信号进行重采样，补偿多普勒偏移，得到复基带形式的接收信号序列τ₀为起始时刻。

同时利用同步信号和之间的相关运算结果，给出当前的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下其分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L。

3)对同步信号对应的数据信号进行解调。

分别对复基带信号进行r个对应的去交织运算，并按照L个多径的起始位置进行合并，得到r个序列k＝1,2,…,r，符号表示采用第k个交织器进行去交织运算，上标符号“*”表示取复数共轭，表示将序列延迟τ_l；

分别对r个序列k＝1,2,…,r采用M路相关器求最大值判决到各个发射序列的判决符号，从而得到所传输的r个信息序列的序号。

4)通过数据-扩频序列逆映射算法，从r个信息序列的序号中解出发射的u个bit的数据信息。

以下将结合附图详细说明本发明的实施方式。

利用本发明中的方法进行中远距离水声信息传输的应用。

所用水声换能器匹配功率放大器后的信号发射系统带宽为4-8kHz，中心频率为6kHz，设定正交QPSK调制时码元周期为0.5ms，采用9阶m序列形成的一族Gold序列对作为扩频符号集，其中共有513个Gold序列，将第513个序列设置为同步序列，每个扩频符号在剩余的512个Gold序列中选出3个序列作为信息序列，因此每个扩频符号携带的信息为每个扩频符号周期为511×0.5＝255.5ms，故设计最大通信速率为24/0.2555＝93.9bps，每次发射数据帧格式如图1所示。不失一般性，此处按照K＝1考虑，即每次只发射一个扩频符号。

发射端流程参考图2，首先根据24bit的数据信息完成数据-扩频序列映射，设选出的信息序列在扩频符号集中的序号分别为338、411、455，将其分别对应的Gold序列定义为分别进行不同的交织，得到然后将交织后3个序列求和得到组合信号对组合信号进行码元择多处理，得到把同步序列和码元择多信号这两路信号进行正交QPSK调制，按照载波中心频率6kHz得到最终发射到水声信道中。

接收端流程参考图3，首先对经过水声信道传输的水声信号进行带通滤波，然后解调至复基带，记为采用时频二维搜索的办法对同步信号序列进行时频二维同步，估计到时间起点为第450个采样点，多普勒频偏为0，多径信道结构估计如图4所示，此处取能量最大的前4个多径，分别位于第450、571、529和479个采样点处，对应幅度分别为：

A₁＝0.39-0.01j、A₂＝0.12-0.01j

A₃＝0.11+0.02j、A₄＝0.10-0.01j

然后分别对的4个起始位置处开始的信号进行去交织运算，得到：

k＝1,2,3分别对应3个信息序列，然后按照3个不同信息序列进行合并，分别得到：

然后分别采用常规的512路相关器求出相关峰值，3个序列对应的512路相关输出分别如图5、图6和图7所示，采用最大值判决的方法得到各个发射序列在扩频序列集中的序号分别为338、411和455，可见与发射信息序列序号一致，说明解码正确，最后通过数据-扩频序列逆映射算法，解出发射的u个bit的数据信息，完成整个通信过程。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法，所述方法包括：

步骤1)在信号发射端，每发送一个扩频符号，从扩频序列集中按照数据-扩频序列映射表选取r个信息序列进行多路交织生成信息映射序列，选取一个与扩频序列集中的序列都不相关的序列作为同步序列，将同步序列与信息映射序列进行正交调制后发射到水声信道中；

步骤2)在信号接收端，将接收信号解调至复基带后进行多普勒补偿得到接收信号序列，然后利用同步序列和接收信号序列的运算结果得到L个多径的参数，利用这些参数对接收信号序列进行去交织和多途合并运算得到r个序列，分别对r个序列采用M路相关器求最大值判决得到各个发射序列的判决符号，从而获取所传输的r个信息序列的序号。

2.根据权利要求1所述的交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)设发射用的M个扩频序列集为每个序列长度为N，即i＝1,2,…,M，每发送一个扩频符号1≤i≤M，从扩频序列集中按照数据-扩频序列映射表选取r个信息序列每个扩频符号能够传递的信息bit数：

步骤1-2)分别对r个信息序列进行不同的交织：1≤k≤r，符号“Π_k”表示采用第k个交织器进行交织运算；

步骤1-3)将交织后的r个序列求和得到组合信号然后进行码元择多处理，得到码元择多信号其中

步骤1-4)将同步序列和码元择多信号这两路信号进行正交QPSK调制，所述同步序列为与扩频序列集中所有序列都不相关的任意序列；复基带信号为其中j表示虚数单位；再将复基带信号调制到载波上得到最终发射信号，并发射到水声信道中。

3.根据权利要求2所述的交织Gold映射序列的并行组合扩频水声通信方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：

步骤2-1)对接收信号进行带通滤波，并解调至复基带,记为信号

步骤2-2)采用时频二维搜索对信号序列进行时频二维同步，估计出信号的起始时间和当前信道的多普勒频偏，并按照估计的多普勒频偏对该帧信号进行重采样，补偿多普勒偏移，得到复基带形式的接收信号序列τ₀为起始时刻；

步骤2-3)利用同步序列和之间的相关运算结果，给出当前的信道结构估计，并选出其中能量最大的L个多径，记录下L个多径分别对应的位置τ₁,τ₂,…,τ_L和幅度A₁,A₂,…,A_L；

步骤2-4)分别对复基带信号进行r个对应的去交织运算，并按照L个多径的起始位置进行合并，得到r个序列k＝1,2,...,r，符号表示采用第k个交织器进行去交织运算，上标符号“*”表示取复数共轭，表示将序列延迟τ_l；

步骤2-5)分别对r个序列k＝1,2,…,r采用M路相关器求最大值判决到各个发射序列的判决符号，从而得到所传输的r个信息序列的序号；

步骤2-6)通过数据-扩频序列逆映射算法，从r个信息序列的序号中解出发射的u个bit的数据信息。