CN110752861B - 采用rake接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法。它包括：发送端和接收端；所述发送端包括：正交扩频编码生成单元和扩频信号调制单元；所述接收端包括：多个相关器、相位调节器和合并器；所述正交扩频编码生成单元，生成M个正交扩频编码组成编码集合；所述扩频信号调制单元，将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述相关器，对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；所述相位调节器，将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置。能够有效提高系统可靠性和抗干扰能力，同时，有效降低误码率。

Description

采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法。
背景技术
近年来，随着维护海洋权益、海洋开发利用等需求的增长，水声通信的应用越来越广泛。水声通信中最大的特异性，也是最大的技术难题，即水声多途经效应。随着现代信号处理技术的快速发展，目前被广泛接受用来处理多径效应的技术主要有自适应波束形成、自适应均衡、扩频、分集以及阵列处理等技术。
其中扩频技术尤其是直接序列扩频技术，简单又有效，又是唯一可以在负信噪比环境中完成通信的技术；分集技术能够高效地利用多径能量来提高解调器端的输入信噪比，抵抗信号衰落，降低误码率。RAKE接收机实际上就是一种扩频与分集相结合的新型通信系统，能够有效地克服水声信道中的多径效应，在水下中实现安全可靠通信。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法，能够有效提高系统可靠性和抗干扰能力，同时，有效降低误码率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统，所述系统包括：发送端和接收端；所述发送端包括：正交扩频编码生成单元和扩频信号调制单元；所述接收端包括：多个相关器、相位调节器和合并器；所述正交扩频编码生成单元，生成M个正交扩频编码组成编码集合，所述正交扩频编码为混沌序列；所述扩频信号调制单元，将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述相关器，对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；所述相位调节器，将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；所述合并器，进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出；所述相关器包括：数字下变频器、数控振荡器、码发生器、相关累加器和伪码移相电路；所述数字下变频器信号连接于数控振荡器；所述数控振荡器信号连接于码发生器；所述码发生器信号连接于相关累加器；所述相关累加器信号连接于数控振荡器。
进一步的，所述的正交扩频编码为混沌序列，其中，所述的混沌序列通过如下公式映射生成：
Figure GDA0003273184130000021
其中，0<a<1，-1 ≤xn≤1。
进一步的，所述扩频信号调制单元进行调制的时候，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成调频信号；其中所述调频信号为：
Figure 11
Figure GDA0003273184130000022
其中调制信号c(t)为：
Figure 18
；
Figure GDA0003273184130000023
其中，T为s(t)的时间长度，ω0为中心频率，B为调制指数，xn为长度为N的混沌序列，混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T0＝T/N，u(t)为阶跃函数；r(t)为斜坡函数，是u(t)的积分结果。
进一步的，所述混沌序列为：
Figure 100002_3
Figure GDA0003273184130000024
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 8
Figure GDA0003273184130000031
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间。
进一步的，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于 0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
一种采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：生成M个正交扩频编码组成编码集合；
步骤2：将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；
步骤3：对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；
步骤4：将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出。
进一步的，所述扩频信号调制单元进行调制的时，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频的方法执行以下步骤：
步骤S1：初始化各项参数；按照如下公式，进行混沌粗调制，
Figure 100002_5
Figure GDA0003273184130000032
Figure GDA0003273184130000033
其中，所述f(x)为调制后的结果，xi为混沌序列；
步骤S2：按照如下公式，将混沌粗调制的结果进行混沌细调制，
Figure GDA0003273184130000041
其中，所述xi为混沌序列。
进一步的，所述数字下变频器包括：混频模块和抽取滤波模块；所述混频模块产生正余弦波样本值，然后分别与输入数据相乘，完成混频。
进一步的，所述混沌序列为：
Figure 100002_6
Figure GDA0003273184130000042
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 100002_7
Figure GDA0003273184130000043
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间。
进一步的，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于 0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
本发明的采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统及方法，具有如下有益效果：提高了远程水声通信的通信速率；提高了信号的频谱利用率；可以灵活地调整通信速率和误码率的关系；提高了通信的保密性能，降低了截获率。
附图说明
图1为本发明的实施例提供的采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统的系统结构示意图；
图2为本发明的实施例提供的采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信方法的方法实流程示意图。
图3位本发明的实施例提供的采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信方法使用混沌调频后截获率的实验效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统，所述系统包括：发送端和接收端；所述发送端包括：正交扩频编码生成单元和扩频信号调制单元；所述接收端包括：多个相关器、相位调节器和合并器；所述正交扩频编码生成单元，生成M个正交扩频编码组成编码集合，所述正交扩频编码为混沌序列；所述扩频信号调制单元，将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述相关器，对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；所述相位调节器，将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；所述合并器，进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出；所述相关器包括：数字下变频器、数控振荡器、码发生器、相关累加器和伪码移相电路；所述数字下变频器信号连接于数控振荡器；所述数控振荡器信号连接于码发生器；所述码发生器信号连接于相关累加器；所述相关累加器信号连接于数控振荡器。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述的正交扩频编码为混沌序列，其中，所述的混沌序列通过如下公式映射生成：
Figure GDA0003273184130000051
其中， 0<a<1，-1≤xn≤1。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述扩频信号调制单元进行调制的时候，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成调频信号；其中所述调频信号为：
Figure 10
Figure GDA0003273184130000061
Figure GDA0003273184130000062
其中调制信号c(t)为：
Figure 12
；
Figure GDA0003273184130000063
其中，T为 s(t)的时间长度，ω0为中心频率，B为调制指数，xn为长度为N的混沌序列，混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T0＝T/N，u(t)为阶跃函数；r(t)为斜坡函数，是u(t)的积分结果。
具体的，混沌序列和常规扩频序列(例如m序列、Gold序列和Kasami序列) 有一个重要的区别：混沌序列不是二元序列，而通常扩频通信需要使用二元序列通过BPSK方式调制载波进行频谱扩展。BPSK简单说来就是：在二元序列为 1时发送0相位的载波，为0时发送π相位的载波。在前述的改进型的Kent映射中，可将值域在[-1，1]之间的混沌序列量化成二元序列，即将原混沌序列中小于0的值量化为0，大于等于0的值量化为1，形成新的量化混沌序列。将上述的混沌序列进行量化处理得到2个量化混沌序列，作相关运算，相关特性如图2所示，其中(1)为该量化混沌序列的自相关特性，(2)为其互相关特性，从图中可知该量化混沌序列的自相关旁瓣峰值0.123，互相关峰值0.141。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述混沌序列为：
Figure 13
Figure GDA0003273184130000064
Figure GDA0003273184130000065
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 19
Figure GDA0003273184130000066
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在 63～4095之间。
实施例5
在上一实施例的基础上，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
具体的，混沌调频信号的频谱严格地集中于有效频带之内，几乎没有带外频谱，谱线呈均匀分布，充分的利用了整个频带；而Gold码扩频通信信号的功率主要集中在有效频带中间的半带宽之内，还有带外频谱，所以频谱利用率不高；若使用窄带发射换能器还会造成发射信号波形失真。
实施例6
如图2所示，一种采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：生成M个正交扩频编码组成编码集合；
步骤2：将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；
步骤3：对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；
步骤4：将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出。
具体的，调制指数B和时间长度T互不影响，容易实现独立、连续地调整，通过合理地控制B和T，可以方便地调整通信速率和误码率，在保持一定的误码率的前提下，能以信道容量允许的最大速率实现通信。而常规的Gold码扩频通信信号就不同了，设Gold码阶数n，周期N＝2n-1，用BPSK方式实现频谱扩展，扩频带宽B，信号长度T，则在工程计算上有：N＝BT；显然Gold码的 N并不是连续变化的，当阶数n增加1时，周期N增加约一倍；若保持带宽B不变，则信号长度T增加约一倍，M-ary通信方式的通信速率降低约一倍；若保持信号长度T不变，则带宽B增加约一倍，而通常远程水声通信使用的低频换能器带宽资源极为有限，增加带宽较难实现。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述扩频信号调制单元进行调制的时，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频的方法执行以下步骤：
步骤S1：初始化各项参数；按照如下公式，进行混沌粗调制，
Figure 15
Figure GDA0003273184130000081
Figure GDA0003273184130000082
其中，所述f(x)为调制后的结果，xi为混沌序列；
步骤S2：按照如下公式，将混沌粗调制的结果进行混沌细调制，
Figure GDA0003273184130000083
其中，所述xi为混沌序列。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述数字下变频器包括：混频模块和抽取滤波模块；所述混频模块产生正余弦波样本值，然后分别与输入数据相乘，完成混频。
实施例9
在上一实施例的基础上，所述混沌序列为：
Figure 16
Figure GDA0003273184130000084
Figure GDA0003273184130000085
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 17
Figure GDA0003273184130000086
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在 63～4095之间。
具体的，混沌调频信号的突出优点在于混沌序列的非二元性，这种非二元模拟实值序列有无穷多个状态，相当于密钥量无穷大，理论上从有限长度的混沌调频信号无法推导出系统的初始条件和参数，也就不可能破译出通信用的混沌模拟实值序列，从而实现了保密通信；但是，由于混沌模拟实值序列在传输过程中有无穷多个状态，通常的通信方式难以准确实现，而混沌调频M-ary通信方式却能轻易地实现这一突出优点，从而降低了通信的被截获率(LPI)。另外，混沌调频信号的产生不需要复杂的设备，只需一个混沌映射模型和初始条件就可以确定产生，因此混沌保密通信系统成本较低，可靠性高。
另外，混沌调频M-ary通信方式继承了常规扩频通信的一些优点：抗干扰能力和抗多途能力强，隐蔽性好，可以实现码分多址(CDMA)通信。
实施例10
在上一实施例的基础上，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
以上所述仅为本发明的一个实施例子，但不能以此限制本发明的范围，凡依据本发明所做的结构上的变化，只要不失本发明的要义所在，都应视为落入本发明保护范围之内受到制约。。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信系统，其特征在于，所述系统包括：发送端和接收端；所述发送端包括：正交扩频编码生成单元和扩频信号调制单元；所述接收端包括：多个相关器、相位调节器和合并器；所述正交扩频编码生成单元，生成M个正交扩频编码组成编码集合，所述正交扩频编码为混沌序列；所述扩频信号调制单元，将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；所述相关器，对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；所述相位调节器，将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；所述合并器，进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出；所述相关器包括：数字下变频器、数控振荡器、码发生器、相关累加器和伪码移相电路；所述数字下变频器信号连接于数控振荡器；所述数控振荡器信号连接于码发生器；所述码发生器信号连接于相关累加器；所述相关累加器信号连接于数控振荡器；
所述的正交扩频编码为混沌序列，其中，所述的混沌序列通过如下公式映射生成：
Figure FDA0003273184120000011
其中，0<a<1，-1≤xn≤1；
所述扩频信号调制单元进行调制的时候，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频是指将混沌序列直接作为调制信号调频于载波之上形成调频信号；其中所述调频信号为：
Figure 1
其中c(t)为调制信号，T为s(t)的时间长度，ω0为中心频率，B为信号带宽，xn为长度为N的混沌序列，混沌序列中的每个码元占用的调频时间为T0＝T/N；
所述混沌调频的方法执行以下步骤：
步骤S1：初始化各项参数；按照如下公式，进行混沌粗调制，
Figure 2
其中，所述f(x)为调制后的结果，xi为混沌序列；
步骤S2：按照如下公式，将混沌粗调制的结果进行混沌细调制，
Figure FDA0003273184120000021
其中，所述xi为混沌序列。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述混沌序列为：
Figure 3
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 4
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
4.一种基于权利要求1至3之一所述系统的采用RAKE接收技术的水声混沌扩频通信方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：生成M个正交扩频编码组成编码集合；
步骤2：将M个扩频编码分别调制载波形成M个扩频信号；
步骤3：对接收到的扩频信号，利用扩频码的自相关特性，分离出相互独立且不相关的多径信号；
步骤4：将多径信号的各径信号保持至同一信息码位置；进行加权求和，在整个扩频地址码长度内积分并求平均，并以信息符号长度为周期抽样输出。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述扩频信号调制单元进行调制时，所述调制载波的方法为混沌调频，所述混沌调频的方法执行以下步骤：
步骤S1：初始化各项参数；按照如下公式，进行混沌粗调制，
Figure 5
其中，所述f(x)为调制后的结果，xi为混沌序列；
步骤S2：按照如下公式，将混沌粗调制的结果进行混沌细调制，
Figure FDA0003273184120000033
其中，所述xi为混沌序列。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数字下变频器包括：混频模块和抽取滤波模块；所述混频模块产生正余弦波样本值，然后分别与输入数据相乘，完成混频。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述混沌序列为：
Figure 6
当取参数取值Sn为＝0.65，给定第一个种子S0＝4，生成一个混沌序列；在此基础上，再根据式：
Figure 7
其中，0≤t≤T的混沌调频方式生成一个混沌调频信号，其中参数T、ω0、B和N可根据实际通信速率、误码率和通信距离调整，取值为：信号时间长度T在2.0s～10.0s之间，中心频率ω0小于1000Hz，信号带宽B在50Hz～300Hz之间，混沌序列长度N在63～4095之间。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一个种子以Δ＝4为步长，产生一系列种子，从而生成一系列混沌调频信号；求取混沌调频信号的互相关，优选出两两互相关值小于0.15的M个混沌调频信号，组成了信号集合；M取值为512～4096，由于采用信号组合并行发送方式，需要确定组合信号的个数r，r的取值为1～10。
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