CN110736977A - 一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，属于水声通信和探测技术领域。通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制；在编码调制后的信源中插入导频并串并转换；进行IFFT变换；采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比；并串转换；在OFDM符号的保护间隔内插入循环前缀信号；加窗函数和载频形成一体化信号。
Description
技术领域
本发明涉及水声通信和探测技术领域，特别涉及一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法。
背景技术
随着各国把目光迫切地投向更大的海洋空间，UUV(unmanned underwatervehicle，水下无人航行器)作为作战和获取信息的重要手段成为海洋开发研究的重点和未来水下攻坚战的作战核心。
在探测海域水文环境恶劣、探测任务繁杂的情况下，UUV集群协同探测的高度智能化和多功能性，能够完成单UUV无法完成或难以完成的任务。UUV集群协同探测过程中，节点中的UUV对周边友机的位置感知和信息互联互通是极其重要的，为此，UUV需要搭载高精度探测声纳和通信声纳。而现有的水下信息系统中，探测和通信声纳往往作为独立的设备单独设计和使用，给体积占用、功率消耗方面带来很大压力。但两者在工作原理、系统结构等存在着诸多相似性，若将两者有机的结合集成，形成探测通信一体化，则可减小平台的体积、降低功耗、增强隐蔽性。
探测通信一体化技术最早应用于雷达上，在20世纪60年代，Mealey提出了在雷达上实现通信功能的理念，利用雷达的脉冲对通信数据进行调制以实现单向通信系统。1975年，Fiden等人利用不同的PRF(pulse repetition frequency，脉冲重复频率)表示不同的通信数据来实现雷达系统传输数据的功能。随后，美国海军对这一方面开展了大量的基础性研究，发布了关于先进多功能射频试验平台的初步技术报告，标志着多功能电子装备一体化概念转入实施阶段。探测通信一体化工作体制可分为分时体制、分频体制、分波束体制以及全共享体制4种。对于声纳而言，由于可用频带窄、阵列孔径小且水声传播速度慢，较适合采用全共享体制，通过发射共享波形，使探测与通信在同时同频段进行，在宽带利用率、低功耗、小体积方面有着显著优势。但基于声纳的水下探测通信一体化系统目前还处于起步阶段，探测与通信系统在波形上存在差异：探测系统要求发射信号平均功率大、时宽带宽积大、在接收端可准确复制副本，以确保匹配滤波带来的处理增益，进而提高信号的检测能力和参数分辨能力；通信系统要求发射信号尽可能多地携带变化的信息，带宽利用率高。因此，通信信号波形选取是关系到一体化系统探测与通信性能的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，以解决现有的OFDM信号用于声纳通探一体化在实践方面上的匮乏，同时也验证OFDM信号作为声纳通探一体化信号的可行性。
为解决上述问题，本发明提供一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，包括：
通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制；
在编码调制后的信源中插入导频并串并转换；
进行IFFT变换；
采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比；
并串转换；
在OFDM符号的保护间隔内插入循环前缀信号；
加窗函数和载频形成一体化信号。
可选的，所述正交振幅调制方式是将振幅调制和相位调制相结合的调制方式，一个有限码元长度的QAM-OFDM信号复包络s(t)可以表示为：
其中，M为码元数目，N为子载波数目，dm,n为调制在第n个子载波上的第m个数据码元，df是相邻子载频之间的频率间隔，df＝1/Tp，Tp为OFDM符号有效持续时间；k(t)为窗函数。
可选的，所述窗函数包括矩形窗和升余弦窗，其中所述升余弦窗为：
式中，Tr为OFDM符号总的持续时间，Tr＝Tp+Tg，Tg为两个OFDM符号之间插入的保护间隔；β是滚降系数，β∈[0,1]。
可选的，所述导频的结构包括梳状导频和块状导频。
可选的，采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比包括：
通过自适应策略调整限幅水平的大小降低峰值平均功率比，再利用新型迭代步长进行迭代计算，加快收敛速度。
可选的，所述OFDM符号与OFDM符号之间的保护间隔要取时延扩展均方根的2～4倍。
可选的，加窗函数和载频包括：
选用具有低频谱旁瓣的升余弦窗作为窗函数；
根据实际需求将基带信号调制到载频上。
可选的，所述一体化信号通过换能器发射到水声信道中，用于探测与通信。
在本发明中提供了一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制；在编码调制后的信源中插入导频并串并转换；进行IFFT变换；采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比；并串转换；在OFDM符号的保护间隔内插入循环前缀信号；加窗函数和载频形成一体化信号。
附图说明
图1是本发明提供的适用于声呐通探的一体化信号产生方法的流程示意图；
图2是OFDM信号的距离模糊函数示意图；
图3是OFDM信号的速度模糊函数示意图；
图4是不同条路径下的误码率示意图；
图5是不同多普勒频谱的误码率示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其流程如图1所示，本实施例一条件为设均匀线阵总共有32个阵元、载波频率为4KHz、带宽B＝1KHz、阵元之间的间距为半波长、采样频率fs＝25.6KHz。两个OFDM符号之间插入的保护间隔Tg＝20ms、OFDM符号持续时间Tp＝100ms、码元数目M＝100，使用16QAM调制且选用升余弦窗函数，通过如下步骤：
通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制；
在编码调制后的信源中插入导频并串并转换；
进行IFFT变换；
采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比；
并串转换；
在OFDM符号的保护间隔内插入循环前缀信号；
加窗函数和载频形成一体化信号。
具体的，通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制，所述正交振幅调制方式(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)是一种将振幅调制和相位调制相结合的调制方式，具有很高的频带效率。一个有限码元长度的QAM-OFDM信号复包络可以表示为：
其中，M为码元数目，N为子载波数目，dm,n为调制在第n个子载波上的第m个数据码元，df是相邻子载频之间的频率间隔，df＝1/Tp，Tp为OFDM符号有效持续时间；k(t)为窗函数。具体的，窗函数k(t)可以选用矩形窗或升余弦窗，为了减小窗函数频谱旁瓣，优先选择升余弦窗：
式中，Tr为OFDM符号持续时间，由于声波在浅海中时延扩展在几十个毫秒级别，在实际应用过程中符号与符号之间的保护间隔要取时延扩展均方根的2～4倍，即Tg为两个OFDM符号之间插入的保护间隔，因此Tr＝Tp+Tg；β是滚降系数，β∈[0,1]。
然后在编码调制后的信源中插入导频并串并转换，其中导频的结构可以为梳状导频和块状导频，因梳状导频具有设置简单的优点，因此相比较而言，在实际的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)系统中大多仍是采用梳状导频。
进行IFFT变换。由于串并转换，码元周期扩大为原来的N倍，N为子载波数目，则串行时的码元周期Ts为Ts＝Tp/N，Tp为OFDM符号有效持续时间。如果不考虑保护时间，那么一个OFDM符号的子载波信号可以表示为：
N为子载波数目，dm,n为调制在第n个子载波上的第m个数据码元，df是相邻子载频之间的频率间隔，df＝1/NTs，Ts为采样点之间的时间间隔；k(t)为窗函数。
对sm(t)进行抽样，抽样速率为1/Ts，则当时间t＝kTs时，抽样值X(k)满足下式：
X(k)恰好是dm,n的N点IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform，反离散傅里叶变换)的结果。因此可以利用IDFT运算完成OFDM基带信号的子载波调制过程，用DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)完成其解调过程。因此OFDM的调制解调过程可以用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)方式实现。
为了降低OFDM信号的较大的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)，采用自适应限幅和修正的SGP联合算法，具体为：通过自适应策略调整限幅水平的大小降低峰值平均功率比，再利用新型迭代步长进行迭代计算，加快收敛速度。
接着对其并串转换；
为了消除由于多径所造成的载波间的干扰，OFDM符号需要在其保护间隔内插入循环前缀信号。由于声波在浅海中时延扩展在几十个毫秒级别，在实际应用过程中符号与符号之间的保护间隔要取时延扩展均方根的2～4倍。最后加窗函数和载频，窗函数选用具有低频谱旁瓣的升余弦窗；根据OFDM系统实际需求将基带信号调制到载频上，最终形成一体化信号，通过本声呐的换能器发射到水声信道中。在发射信号在信道中传播过程中，一方面被发射信号其他声呐的换能器接收通过分析解码，实现声呐之间的信息交互的目的；另一方面发射信号在水声信道中经过目标反射的信号被本声呐及其他声呐接收，经过波束形成、目标检测等信号处理，实现声呐之间联合探测目的。因此，一体化信号实现了探测与通信的双重目的。
评判通探一体化信号的性能，主要分为两部分：
一是探测性能，在实际中，常用模糊函数来分析声纳发射信号的探测通信性能。模糊函数是系统分析和综合的重要工具。在此引入距离、速度模糊函数定义来表明信号的探测的性能，具体如下：
(1)距离模糊函数：
当拉伸因子γ＝1，此时得到距离模糊函数：
其中，|χ(τ,1)|是距离模糊函数，sanl(t)表示s(t)的解析信号，s(t)是OFDM时域信号，*表示复数共轭，拉伸因子γ0＝1+βk、βk代表多普勒扩展因子，βk＝2v/c；时迟τ＝2R/c，R是目标距离，c代表声速。上式表示信号的自相关函数，当多普勒频移υ＝0时，信号的距离分辨特性。这个以τ为变量的|χ(τ,1)|表示两个目标时差为τ的可分辨程度。|χ(τ,1)|值愈小愈容易分辨。如果两个目标完全重合，此时τ＝0，显然无法分辨。如图2所示为OFDM信号的距离模糊函数。
目标相距τ时的分辨的难易程度可用
表示：
当
时，目标无法分辨，即使没有噪声也无法分辨；
当
略小于1，则目标很难分辨，有少许噪声就无法区分开；
当
时，目标很容易分辨。
(2)速度模糊函数
当τ＝0时，此时得到速度模糊函数：
其中，|χ(0,γ)|是速度模糊函数，sanl(t)表示s(t)的解析信号，s(t)是OFDM时域信号，*表示复数共轭；上式表示当时间延迟为零时，信号的速度分辨特性。如图3所示为OFDM信号的速度模糊函数，由上式可知，两个距离相同而速度不同的目标，其区分的难易取决于|χ(0,γ)|的大小：
当
时，不能分辨两个目标；
当
时，很容易区分两个目标。
二是通信性能，误码率(BER)通常是衡量水声信号传输精确性的指标，其定义是接收的错误码元与总码元数量的比值。
误码率Pb＝错误比特数/传输总比特数
由于水声信道的多径效应和多普勒效应，接收信号的幅度和相位会随时间和频率发生变化，这种现象称为衰落。多径效应引起时间弥散，使得传输信号产生频率选择性衰落，如图4所示为OFDM信号的多径下的误码率；多普勒效应引起传输信号的频率扩散，导致传输波形产生时间选择性衰落，如图5所示为OFDM信号的不同多普勒效应下的误码率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，包括：
通过正交振幅调制方式对信源进行编码调制；
在编码调制后的信源中插入导频并串并转换；
进行IFFT变换；
采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比；
并串转换；
在OFDM符号的保护间隔内插入循环前缀信号；
加窗函数和载频形成一体化信号。
2.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，所述正交振幅调制方式是将振幅调制和相位调制相结合的调制方式，一个有限码元长度的QAM-OFDM信号复包络可以表示为：
其中，M为码元数目，N为子载波数目，dm,n为调制在第n个子载波上的第m个数据码元，df是相邻子载频之间的频率间隔，df＝1/Tp，Tp为OFDM符号有效持续时间；k(t)为窗函数。
3.如权利要求2所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，所述窗函数包括矩形窗和升余弦窗，其中所述升余弦窗为：
式中，Tr为OFDM符号总的持续时间，Tr＝Tp+Tg，Tg为两个OFDM符号之间插入的保护间隔；β是滚降系数，β∈[0,1]。
4.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，所述导频的结构包括梳状导频和块状导频。
5.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，采用自适应限幅和修正的SGP联合算法抑制峰值平均功率比包括：
通过自适应策略调整限幅水平的大小降低峰值平均功率比，再利用新型迭代步长进行迭代计算，加快收敛速度。
6.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，所述OFDM符号与OFDM符号之间的保护间隔要取时延扩展均方根的2～4倍。
7.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，加窗函数和载频包括：
选用具有低频谱旁瓣的升余弦窗作为窗函数；
根据实际需求将基带信号调制到载频上。
8.如权利要求1所述的适用于声呐通探的一体化信号产生方法，其特征在于，所述一体化信号通过换能器发射到水声信道中，用于探测与通信。
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