CN109347568B - 一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法。本发明包括：发送端将信息进行连续相位多元频率调制；调制后的信号以一定比例系数与提取的海豚哨声信号时频谱轮廓相加，产生合成哨声，获得仿哨声数据信号；在仿哨声数据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；接收端进行同步后，提取出每个码元波形；计算每个码元波形与该码元所有可能的信号波形的相关函数，通过判断最大相关峰以实现解调。本发明所述仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，每个码元可调制多个bit信息，通信速率较高，且合成哨声信号与真实哨声信号相似度较高，具有较强的隐蔽性，能满足水下隐蔽声通信的需求。

Description

一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法
技术领域
本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法。
背景技术
传统的低检测概率隐蔽水声通信方法通常采用降低通信信号信噪比的方式，将通信信号隐藏在背景噪声之中，以降低信号的检测概率，达到隐蔽效果。与传统的低检测概率隐蔽水声通信不同，本发明涉及的一种仿海豚哨声水声通信方法，从仿生伪装的角度出发，通过在模拟海洋中固有的海豚哨声信号以进行通信。通信信号在时频谱上与人耳听觉上与海豚哨声信号具有较高的相似程度，检测方在检测到通信信号后，误将其识别为海洋生物叫声而排除，从而达到隐蔽通信目的。
中国专利说明书CN104967489B公开了一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法，是将MSK信号嵌入到海豚哨声信号时频谱轮廓曲线中，实现仿海豚哨声信号。但该方法采用MSK技术实现调制，每个码元只能调制1bit信息，而本发明采用多元频率调制技术，每个码元可调制多个bit信息，显著提高通信速率。中国专利说明书CN108199783A 中公开了利用利用鲸叫声谐波能量进行隐蔽通信的编码方法，该方法通过将鲸鱼叫声谐波进行分块、利用能量大小调制信息，但该方法并未对时频谱轮廓进行变化，易受水声信道干扰影响，而本发明采用调制时频谱的方式，抗干扰性较强。中国专利说明书CN107395292A中公开了一种基于海洋生物信号分析的信息隐藏技术通信方法，该方法采用回音延迟和幅度参数调制信息，但是该方法并未对所用的海豚哨声信号时频特性进行处理，易受到多途信道和其他海洋生物叫声干扰。
发明内容
本发明的目的在于提出一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，实现仿生隐蔽水声通信。
本发明的目的是这样实现的：
一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送端：
(1)选择合适的码元宽度T，以及每个码元所调制的bit数n；
(2)基于步骤(1)确定的码元宽度T和每个码元所调制的bit数n，产生2n个频率
Figure BDA0001789943860000011
其中，第i个频率fi应满足fi＝i×m/T，m取值为整数，用以调节每个码元时间里载波的周期数；
(3)选取哨声信号swhistle(t)，提取其时频谱轮廓曲线fwhistle(t)；
(4)根据步骤(3)选取的哨声信号时长Twhistle和步骤(1)选择的码元宽度T，确定每段哨声信号所能调制的最大码元数L；
(5)将第i个码元二进制信息与步骤(2)获得的2n个频率进行映射，再利用正弦函数获得第i个码元的调制信号波形
Figure BDA0001789943860000021
其中，t∈[0,T]，fi∈f，
Figure BDA0001789943860000022
为每个码元波形的初始相位和结束相位，
Figure BDA0001789943860000023
的选取与频率无关，不同频率的信号
Figure BDA0001789943860000024
取值相同；
(6)将L个步骤(5)获得的码元的调制信号波形，在时域上首尾相连，产生一段连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)；
(7)将步骤(6)获得的连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)以一定的比例系数与步骤(3) 获得的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线fwhistle(t)相加，得到合成哨声的时频谱轮廓曲线 fsynthetic(t)；
(8)采用正弦信号模型，基于步骤(7)得到的合成哨声时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，产生合成哨声信号ssynthetic(t)；
(9)重复步骤(5)-(8)，产生一组合成哨声，也叫做仿哨声数据信号；
(10)在仿哨声数据信号前，添加一段步骤(3)选取的原始哨声信号swhistle(t)用作同步信号，原始哨声信号与仿哨声数据信号之间存在保护间隔，得到一帧仿哨声通信信号；
(11)将步骤(10)获得的仿哨声通信信号通过功放与换能器送入水声信道；
接收端：
(12)利用水听器接收信号；
(13)基于步骤(3)的海豚哨声信号swhistle(t)，对步骤(12)的接收信号进行同步；
(14)提取出第i个码元对应的接收信号波形sri(t)；
(15)根据步骤(2)产生的每个码元所有可能的频率
Figure BDA0001789943860000025
和码元宽度T，产生每个码元所有可能的多元频率调制信号
Figure BDA0001789943860000026
其中，任一频率fl对应的信号sl(t)为：
Figure BDA0001789943860000027
(16)假设第i个码元对应的部分哨声信号时频谱轮廓为fwhistle i(t)，基于步骤(15)所有可能的多元频率调制信号，与步骤(7)、步骤(8)所述的合成信号方法，产生第i个码元所有可能的信号波形sli(t)；
(17)分别计算步骤(14)提取到的第i个码元对应的接收信号波形sri(t)，和步骤(16) 产生的第i个码元所有可能的信号波形sli(t)的相关函数Rli(τ)；
(18)通过对比不同频率fl条件下步骤(17)获得的相关函数Rli(τ)相关峰的大小，判断出相关峰最大时所对应的载波频率
Figure BDA0001789943860000031
(19)根据步骤(5)信息与频率的映射规则，对步骤(18)获得的载波频率
Figure BDA0001789943860000032
进行反映射，即可获得解调信息；
(20)改变i值，重复步骤(14)-(19)，直至获得全部解调信息。
所述步骤(1)选取时需要综合考虑所需通信速率与通信的可靠性，以及选取的海豚哨声信号的时长Twhistle，码元宽度T应小于哨声信号时长Twhistle。
所述步骤(3)的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线是哨声信号基波或任意一次谐波信号的时频谱轮廓曲线。
所述步骤(4)中每段哨声信号所能调制的最大码元数L＝Twhistle/T，当L不为整数时，结果向下取整。
所述步骤(6)中产生一段连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)，由下式表示：
Figure BDA0001789943860000033
其中Twhistle为哨声信号时长。
所述步骤(7)中合成哨声的时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，其过程由如下公式表示：
fsynthetic(t)＝fwhistle(t)+k×sMFSK(t)，0＜t＜Twhistle
其中k为比例系数，调节合成哨声时频谱轮廓的宽度，即合成哨声每一时刻所占用的频带宽度，k越小，则合成哨声每一时刻所占用的带宽越小，时频谱轮廓的变化越小，合成哨声与原始哨声越像。
所述步骤(8)中基于合成哨声时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，合成哨声信号相位
Figure BDA0001789943860000037
为：
Figure BDA0001789943860000034
基于合成哨声信号相位，产生合成哨声信号ssynthetic(t)为：
Figure BDA0001789943860000035
所述步骤(10)中原始的哨声信号由如下公式获得：
Figure BDA0001789943860000036
所述步骤(16)中第i个码元所有可能的信号波形sli(t)为：
Figure BDA0001789943860000041
上式中，k为预设的比例系数，φl为第i-1个码元的结束相位，即第i个码元的初始相位。
所述步骤(17)中sri(t)与sli(t)的相关函数为：
Figure BDA0001789943860000042
本发明的有益效果在于：
上述仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法中，产生的频率能够保证频率调制后信号相位的连续性，进而保证合成哨声频率随时间连续变化，提高合成哨声与真实哨声的相似程度，保证通信信号的隐蔽性。信息采用频率调制技术，能够有效降低水声信道对通信信号的影响，且合成哨声信号的时频特性在保证隐蔽性的前提下，与原始哨声信号略有不同，可以降低其他海洋生物叫声信号对通信信号的干扰。在该方法中，每个码元可以根据需要调制多个bit的二进制信息，提高通信速率。在接收端，通过计算接收信号与本地信号的相关函数进行解调，原理简单，计算量小，且能有效降低水声多途信道干扰，提高仿生伪装隐蔽通信方法的可靠性。本发明所述的仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，简单易行，可靠性较高，该方法通过模仿海豚哨声信号以保证通信信号的隐蔽性，为隐蔽水声通信技术提供一种新的技术解决方案。
附图说明
图1为仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信原理图；
图2为连续相位多元频率调制信号波形示意图；
图3为合成哨声信号时频谱示意图；
图4左图为原始哨声信号时频谱图，右图为合成哨声信号时频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法。本发明从仿生伪装角度出发，通过模拟海豚哨声信号进行通信，令检测方在检测到通信信号时，将其识别为海洋生物叫声从而排除，以达到隐蔽通信目的。发送端将信息进行连续相位多元频率调制，调制后的信号以一定比例系数与提取的海豚哨声信号时频谱轮廓相加，产生合成哨声，获得仿哨声数据信号。在仿哨声数据信号前添加原始哨声信号作为同步信号，形成一帧通信信号，送入水声信道。接收端进行同步后，提取出每个码元波形，然后计算每个码元波形与该码元所有可能的信号波形的相关函数，通过判断最大相关峰以实现解调。该方法的关键步骤为发射端的连续相位多元频率调制技术，以及接收端的相关解调技术，这两个步骤可以有效提高通信性能。该方法从仿生伪装的角度出发，为水下隐蔽声通信提供了新的技术解决方案。
仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，包括以下步骤：
发送端：
(1)选择合适的码元宽度T，以及每个码元所调制的bit数n；
选取时，需要综合考虑所需通信速率与通信的可靠性，以及将要选取的海豚哨声信号的时长Twhistle，码元宽度T应小于哨声信号时长Twhistle。
(2)基于步骤(1)确定的码元宽度T和每个码元所调制的bit数n，产生2n个频率
Figure BDA0001789943860000051
其中，第i个频率fi应满足fi＝i×m/T，m取值为整数，用以调节每个码元时间里载波的周期数；
(3)选取合适的哨声信号swhistle(t)，提取其时频谱轮廓曲线fwhistle(t)；
所提取的时频谱轮廓曲线可以为海豚哨声信号基波时频谱轮廓曲线，也可以是任意一次谐波的时频谱轮廓曲线。
(4)根据步骤(3)选取的哨声信号时长Twhistle和步骤1选择的码元宽度T，确定每段哨声信号所能调制的最大码元数L；
每段哨声信号所能调制的最大码元数L＝Twhistle/T，当L不为整数时，结果向下取整。
(5)将第i个码元二进制信息与步骤(2)获得的2n个频率进行映射，再利用正弦函数获得第i个码元的调制信号波形
Figure BDA0001789943860000052
其中，t∈[0,T]，fi∈f，
Figure BDA0001789943860000053
为每个码元波形的初始相位和结束相位，
Figure BDA0001789943860000054
的选取与频率无关，不同频率的信号
Figure BDA0001789943860000055
取值相同；
一般情况下，为了保证合成的哨声信号起始频率与原始的哨声信号相同，需要让载波信号si(t)从0开始变化，因此当采用正弦函数时，
Figure BDA0001789943860000056
一般取0。
(6)将L个步骤(5)获得的码元的调制信号波形，在时域上首尾相连，产生一段连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)，其过程可以由下式表示：
Figure BDA0001789943860000057
当每个码元调制2bit信息，每个码元中的载波周期数为1，即n＝2、m＝1时，调制后生成的连续相位多元频率调制信号波形示意图如图2所示。
(7)将步骤(6)获得的连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)以一定的比例系数与步骤(3) 获得的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线fwhistle(t)相加，得到合成哨声的时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，其过程可以由如下公式表示
fsynthetic(t)＝fwhistle(t)+k×sMFSK(t)，0＜t＜Twhistle
其中，k为比例系数，可以调节合成哨声时频谱轮廓的宽度，也就是合成哨声每一时刻所占用的频带宽度。k越小，则合成哨声每一时刻所占用的带宽越小，时频谱轮廓的变化越小，合成哨声与原始哨声越像。时频谱轮廓合成过程如图3所示。
(8)采用正弦信号模型，基于步骤(7)得到的合成哨声时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，产生合成哨声信号ssynthetic(t)；
合成哨声信号相位
Figure BDA0001789943860000061
为：
Figure BDA0001789943860000062
基于合成哨声信号相位，产生合成哨声信号ssynthetic(t)为：
Figure BDA0001789943860000063
(9)重复步骤(5)-(8)，产生一组合成哨声，也叫做仿哨声数据信号；
(10)在仿哨声数据信号前，添加一段步骤(3)选取的原始哨声信号swhistle(t)用于同步，原始哨声信号与仿哨声数据信号之间存在保护间隔，得到一帧仿哨声通信信号；
原始的哨声信号可由如下公式获得：
Figure BDA0001789943860000064
(11)将步骤(10)获得的仿哨声通信信号通过功率放大器与换能器送入水声信道；
接收端：
(12)利用水听器接收信号；
(13)基于步骤(3)的海豚哨声信号swhistle(t)，对步骤(12)的接收信号进行同步；
(14)提取出第i个码元对应的接收信号波形sri(t)；
(15)根据步骤(2)产生的每个码元所有可能的频率
Figure BDA0001789943860000065
和码元宽度T，产生每个码元所有可能的多元频率调制信号
Figure BDA0001789943860000066
其中，任一频率fl对应的信号sl(t)为：
Figure BDA0001789943860000067
(16)假设第i个码元对应的部分哨声信号时频谱轮廓为fwhistle i(t)，基于步骤(15)所有可能的多元频率调制信号，与步骤(7)、步骤(8)所述的合成信号方法，产生第i个码元所有可能的信号波形sli(t)；
第i个码元所有可能的信号波形sli(t)为：
Figure BDA0001789943860000071
式中，k为预设的比例系数，φl为第i-1个码元的结束相位，也即第i个码元的初始相位。
(17)分别计算步骤(14)提取到的第i个码元对应的接收信号波形sri(t)，和步骤(16) 产生的第i个码元所有可能的信号波形sli(t)的相关函数Rli(τ)；
sri(t)与sli(t)的相关函数为：
Figure BDA0001789943860000072
(18)通过对比不同频率fl条件下步骤(17)获得的相关函数Rli(τ)相关峰的大小，判断出相关峰最大时所对应的载波频率
Figure BDA0001789943860000073
(19)根据步骤(5)信息与频率的映射规则，对步骤(18)获得的载波频率
Figure BDA0001789943860000074
进行反映射，即可获得解调信息；
(20)改变i值，重复步骤(14)-(19)，直至获得全部解调信息。
以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限如此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，具体保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送端：
(1)选择码元宽度T，以及每个码元所调制的bit数n；
(2)基于步骤(1)确定的码元宽度T和每个码元所调制的bit数n，产生2n个频率
Figure FDA0002955348270000011
其中，第i个频率fi应满足fi＝i×m/T，m取值为整数；
(3)选取哨声信号swhistle(t)，提取其时频谱轮廓曲线fwhistle(t)；
(4)根据步骤(3)选取的哨声信号时长Twhistle和步骤(1)选择的码元宽度T，确定每段哨声信号所能调制的最大码元数L；
(5)将第i个码元二进制信息与步骤(2)获得的2n个频率进行映射，再利用正弦函数获得第i个码元的调制信号波形
Figure FDA0002955348270000012
其中，t∈[0,T]，fi∈f，
Figure FDA0002955348270000013
为每个码元波形的初始相位和结束相位，
Figure FDA0002955348270000014
的选取与频率无关，不同频率的信号
Figure FDA0002955348270000015
取值相同；
(6)将L个步骤(5)获得的码元的调制信号波形，在时域上首尾相连，产生一段连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)；
(7)将步骤(6)获得的连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)以一定的比例系数与步骤(3)获得的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线fwhistle(t)相加，得到合成哨声的时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)；
(8)采用正弦信号模型，基于步骤(7)得到的合成哨声时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，产生合成哨声信号ssynthetic(t)；
(9)重复步骤(5)-(8)，产生一组合成哨声，也叫做仿哨声数据信号；
(10)在仿哨声数据信号前，添加一段步骤(3)选取的原始哨声信号swhistle(t)用作同步信号，原始哨声信号与仿哨声数据信号之间存在保护间隔，得到一帧仿哨声通信信号；
(11)将步骤(10)获得的仿哨声通信信号通过功放与换能器送入水声信道；
接收端：
(12)利用水听器接收信号；
(13)基于步骤(3)的海豚哨声信号swhistle(t)，对步骤(12)的接收信号进行同步；
(14)提取出第i个码元对应的接收信号波形sri(t)；
(15)根据步骤(2)产生的每个码元所有可能的频率
Figure FDA0002955348270000016
和码元宽度T，产生每个码元所有可能的多元频率调制信号
Figure FDA0002955348270000017
其中，任一频率fl对应的信号sl(t)为：
Figure FDA0002955348270000018
(16)设第i个码元对应的部分哨声信号时频谱轮廓为fwhistlei(t)，基于步骤(15)所有可能的多元频率调制信号，与步骤(7)、步骤(8)所述的步骤，产生第i个码元所有可能的信号波形sli(t)；
(17)分别计算步骤(14)提取到的第i个码元对应的接收信号波形sri(t)，和步骤(16)产生的第i个码元所有可能的信号波形sli(t)的相关函数Rli(τ)；
(18)通过对比不同频率fl条件下步骤(17)获得的相关函数Rli(τ)相关峰的大小，判断出相关峰最大时所对应的载波频率
Figure FDA0002955348270000021
(19)根据步骤(5)信息与频率的映射规则，对步骤(18)获得的载波频率
Figure FDA0002955348270000022
进行反映射，即可获得解调信息；
(20)改变i值，重复步骤(14)-(19)，直至获得全部解调信息。
2.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于：所述步骤(1)选取时需要综合考虑所需通信速率与通信的可靠性，以及选取的海豚哨声信号的时长Twhistle，码元宽度T应小于哨声信号时长Twhistle。
3.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于：所述步骤(3)的海豚哨声信号时频谱轮廓曲线是哨声信号基波或任意一次谐波信号的时频谱轮廓曲线。
4.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于：所述步骤(4)中每段哨声信号所能调制的最大码元数L＝Twhistle/T，当L不为整数时，结果向下取整。
5.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(6)中产生一段连续相位多元频率调制信号sMFSK(t)，由下式表示：
Figure FDA0002955348270000023
其中Twhistle为哨声信号时长。
6.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(7)中合成哨声的时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，其过程由如下公式表示：
fsynthetic(t)＝fwhistle(t)+k×sMFSK(t)，0＜t＜Twhistle
其中k为比例系数，调节合成哨声时频谱轮廓的宽度，即合成哨声每一时刻所占用的频带宽度，k越小，则合成哨声每一时刻所占用的带宽越小，时频谱轮廓的变化越小，合成哨声与原始哨声越像。
7.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(8)中基于合成哨声时频谱轮廓曲线fsynthetic(t)，合成哨声信号相位
Figure FDA0002955348270000031
为：
Figure FDA0002955348270000032
基于合成哨声信号相位，产生合成哨声信号ssynthetic(t)为：
Figure FDA0002955348270000033
8.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(10)中原始的哨声信号由如下公式获得：
Figure FDA0002955348270000034
9.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(16)中第i个码元所有可能的信号波形sli(t)为：
Figure FDA0002955348270000035
上式中，k为预设的比例系数，φl为第i-1个码元的结束相位，即第i个码元的初始相位。
10.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声连续相位多元频率调制水声通信方法，其特征在于，所述步骤(17)中sri(t)与sli(t)的相关函数为：
Figure FDA0002955348270000036
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