CN111431833A - 一种基于串行组合的水下电流场通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水下电流场通信技术领域，具体涉及一种基于串行组合的水下电流场通信方法。本发明解决了普通水下电流场通信的传输效率低的问题，提高传输效率，但又保持了每次只发送一个载波的优点，同时具有更加高安全性和高保密性，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾；解决了载波数量较多对于混沌解调器的影响较大的问题，更加有利于判决，可以使接收效果更好，在更低的信噪比下实现水下通信，有效增加通信距离。为了取得较高的传输效率，本发明的复杂程度有所提高，但在当前专用集成电路飞速发展的情况下，此复杂度也是可以接受的。

Description

一种基于串行组合的水下电流场通信方法
技术领域
本发明属于水下电流场通信技术领域，具体涉及一种基于串行组合的水下电流场通信方法。
背景技术
现代水下通信对通信高效性和载波数量限制的要求日益增高。并行多载波的水下电流场通信是一种水下电流场通信的改进方式，是一种具有较高通信效率的水下电流场通信方式，同时具有抗干扰能力强、不受环境恶劣影响等优点。但是常规并行多载波的水下电流场通信方式每次发送的频率个数都是固定的r个，但在信道急剧恶劣时，仍然发送较多的r个频率数量，就会造成接收误码率升高，甚至是中断通信；而普通水下电流场通信使用固定的一个载波1比特1比特发送数据，传输效率很低；本发明提出一种基于串行组合的水下电流场通信方法，保持了普通水下电流场通信和并行多载波水下电流场通信的各自优点，既具有较高的传输效率，又每次只选择一个载波发送进行通信，降低了系统发射机对功放部分的动态范围的要求，有效降低并行多载波水下电流场波形变化较大所造成动态范围较大的影响；而且具有了水下电流场通信的高度的安全性和保密性，通过改变映射关系方便提高用户信息安全；另一个优点是由于每组内前后使用不同载波频率发送信息，使接收端更容易实现准位同步信号。目前，许毅信在《水下传导电流场混沌通信技术的研究》(哈尔滨工程大学硕士论文，2018.3，指导教师：李北明)使用混沌阵子构建水下传导电流场通信系统，但是传输效率很低，每次只能传输1比特信息，而且安全保密性较差，非常容易被破解。本发明提出一种基于串行组合的水下电流场方法，既保持并行多载波水下电流场通信的传输高效率，又有效减少发送载波数量，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾，而同样普通水下电流场通信也是发送r次，传输r比特信息，串行组合的水下电流场通信方法传输效率比其提高数倍以上。减少发送载波数量可以使接收效果更好，使接收端M个混沌解调器更加有利于区分出到底哪个载波发送，更易于实现解调，具备十分广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供既能保持并行多载波水下电流场通信的传输高效率，又能有效减少发送载波数量，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾，具有较高的安全性和高保密性，解决现有的水下电流场混沌通信的传输效率低的问题，同时也较好的解决载波数量较多对于混沌解调器的影响较大的问题，更加有利于判决，可以使接收效果更好，在更低的信噪比下实现水下通信，有效增加通信距离的一种基于串行组合的水下电流场通信方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
步骤1：发射端将信源数据按照K比特一帧连续发送n帧，在n帧数据发送前发送固定的同步头数据进行系统准同步，同步头后发送n帧；发射端发送信号的具体步骤为：
步骤1.1：发射端将信源数据中每K比特数据经过串并转换变成并行数据，一帧数据发送持续时间为KTd，Td为信源周期；将K比特并行数据根据数据－频率顺序映射器从一个频率族中选取r个要发送的频率和先后发送顺序，并按照发送顺序把
Figure BDA0002425000770000021
频率、
Figure BDA0002425000770000022
频率，…,
Figure BDA0002425000770000023
频率送入发送存储器相应位置，每个频率持续时间增加到KTd/r，r个频率使用相同初始相位；
所述的频率族共包含M个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..fM，每组总共有
Figure BDA0002425000770000024
种发送串行组合频率和顺序可以选择，对应能传输
Figure BDA0002425000770000025
比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，则对应的每组发送的信息数据K是：
Figure BDA0002425000770000026
步骤1.2：通过发送存储器顺序发送r个频率形成串行组合的水下电流场通信调制信号：
Figure BDA0002425000770000027
式中，
Figure BDA0002425000770000028
为根据发送信息通过数据－频率选择映射器选取的r个要发送的频率和发送顺序，其中i＝1,2,...,r；其余频率为
Figure BDA0002425000770000029
i＝r+1,...,M；因此发送信号还是为1个载波信号；
步骤1.3：将串行组合的水下电流场通信调制信号经功率放大后通过水下电偶极子天线发射出去；经功率放大后的串行组合的水下电流场通信调制信号为：
Figure BDA00024250007700000210
式中，P是载波功率；
步骤2：接收端通过同步头实现准同步后，在KTd/r时间内把接收到的信号输入到M个混沌解调器，每个混沌解调器同时输入不同本地载波fi，频率fi为频率族中的一个频率，得到M个混沌解调器的输出值；
在高斯白噪声信道下，接收端水下电偶极子天线接收到的信号为：
r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t)
式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N0/2；J(t)为干扰信号；
如果输入信号超出本地载波频率5％范围，则混沌解调器输出为近乎0电平的解调信息VL电平；如果输入信号包含fi，则混沌解调器输出1信号VH电平；混沌解调器的输出值由公式表示为：
Figure BDA0002425000770000031
其中n′i+J′i是混沌解调器对于噪声和干扰的解调；
步骤3：从在KTd/r时间内获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的1个输出值，将选取的输出值所对应的频率序号输入到接收存储器相应位置；其中，选取的混沌解调器的输出值大于系统启动门限|(VH+n'i+J'i)/2|的值；
步骤4：重复执行步骤3，一共执行r次，总共持续KTd时间；
步骤5：将接收存储器中的频率和顺序关系送入频率顺序－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的K比特并行信息；
步骤6：将K比特并行数据经过并/串转换，得到K比特还原信源数据；把发射端连续发送的n帧数据逐帧还原为信源数据。
本发明还可以包括：
步骤2中所述的混沌解调器由自相关预处理模块，DUFFING混沌振子处理模块，低通滤波模块，取模模块，抽样判决模块，统计值消除干扰模块组成；混沌解调器利用DUFFING混沌振子的极窄带宽的选择性实现解调，具体步骤为：
步骤2.1：将接收到的信号r(t)输入到自相关预处理模块，并将r(t)和r(t-τ)进行自相关运算；
Figure BDA0002425000770000032
其中，τ为时移，自相关运算的输出为：
Figure BDA0002425000770000033
随着τ的逐渐增加，噪声的自相关Rn(τ)衰减也加快，噪声被抑制较多，但是接收信号中的发送频率信号被增强了；
步骤2.2：将自相关预处理模块的结果R(τ)输入到DUFFING混沌振子处理模块中，得到DUFFING混沌振子微分方程中一阶x的值；所述的DUFFING混沌振子微分方程为：
Figure BDA0002425000770000041
其中，k是阻尼比；-x3+0.8x5是非线性回复力；
Figure BDA0002425000770000042
是内置的本地载波信号；γc＝1为本地载波频率周期摄动力的幅度；本地载波频率经归一化后为ωc＝1；
当输入信号s(t)的频率经归一化后ωs＝1和本地频率一致时，输入信号幅度大于γs＝0.789599290618时，输出进入周期态：当输入信号s(t)的频率超出本地频率经归一化后ωs＜0.95或ωs＞1.05的5％范围时，输出进入混沌态；混沌解调器输出可由混沌态和周期态组成，说明输入信号对于本地载波fi具有非常强的微弱信号极窄带宽；如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为混沌态；
步骤2.3：将一阶x的值输入到低通滤波模块进行滤波，低通滤波器的截至频率小于DUFFING混沌振子本地载波频率fi；当DUFFING混沌振子的输出信号为大尺度周期态时，其频率集中在本地载波频率fi以及本地载波频率fi的倍频，经过低通滤波以后，这些信号将被滤掉；当DUFFING混沌振子的输出信号为混沌态时，频谱上为连续谱，经过低通滤波以后，低频输出信号依旧存在；
步骤2.4：将低通滤波模块输出的信号输入到取模模块中处理，去掉负的信息；
步骤2.5：将取模模块输出的信号输入到抽样判决模块中，将取模后的采样信号做幅度判决，其中判决门限由无信号的输出值对应的幅值确定；当幅值大于判决门限时，输出为0；当幅值小于判决门限时，输出为1；
步骤2.6：将抽样判决模块输出的信号输入到统计值消除干扰模块中，将幅度判决后的信号利用统计值消除干扰；若幅度判决后的信号中包括对应的本地载波频率fi，则对应的输出信号为1信号VH高电平；若幅度判决后的信号中没有包括对应的本地载波频率fi信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息VL电平；当输入信号频率超过本地频率信号范围5％时，就视为不在本地频率信号范围内。
步骤1中所述的同步头设计为顺序发送f1,f2,..fi..fM共M个频率信号，每个频率持续时间为Td；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到fi某个本地频率，并且按照顺序一直检测到fM出现；通过同步头检测确定准位同步时间，由于混沌阵子解调需要消耗一定数量载波，所以准位同步时间比短Td，但是可以实现同步要求。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了普通水下电流场通信的传输效率低的问题，提高传输效率，但又保持了每次只发送一个载波的优点，同时具有更加高安全性和高保密性，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾；解决了载波数量较多对于混沌解调器的影响较大的问题，更加有利于判决，可以使接收效果更好，在更低的信噪比下实现水下通信，有效增加通信距离。现有的普通水下电流场通信，一次只能传输1比特信息，而本发明在相同条件下一次可以传输
Figure BDA0002425000770000051
比特信息，所以传输效率可以提高K倍以上。为了取得较高的传输效率，一种基于串行组合的水下电流场通信方法的复杂程度有所提高，但在当前专用集成电路飞速发展的情况下，此复杂度也是可以接受的。
附图说明
图1为一种基于串行组合的水下电流场通信方法的发送过程结构图。
图2为一种基于串行组合的水下电流场通信方法的接收过程结构图。
图3(a)为幅度超过输入和本地频率相同频率混沌振子时域图。
图3(b)为幅度超过输入和本地频率相同频率混沌振子相图。
图4(a)为输入频率超出频率范围5％时混沌振子时域图。
图4(b)为输入频率超出频率范围5％时混沌振子相图。
图5为本发明的混沌解调器内部结构图。
图6为改进DUFFING混沌振子输出为混沌态时频谱图(输入信号和本地频率不同)。
图7为通过低通滤波模块后信号时域图。
图8为通过取模模块后信号时域图。
图9为通过抽样判决模块后信号时域图。
图10为通过统计值消除干扰模块后信号时域图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
普通水下电流场通信使用固定的一个载波1比特1比特发送数据，传输效率较低；而并行多载波水下电流场通信一次发送多个载波频率，具有较高的传输效率，但如果信噪比稍微恶化就会造成误码率提高，影响通信效果。本发明提出了一种基于串行组合的水下电流场通信方法，保持了普通水下电流场通信和并行多载波水下电流场通信的各自优点，既具有较高的传输效率，又发送端每次只选择一个载波发送进行通信，使系统发射机的功放部分更易实现，动态范围不必过大，有效降低并行多载波水下电流场通信峰平比变化较大所造成动态范围较大的影响；而且同时增加了水下电流场通信的安全性和保密性，通过改变映射关系方便提高用户信息安全；同时由于每组内前后使用不同载波频率发送信息，使接收端更容易实现准位同步信号。
一种基于串行组合的水下电流场通信方法：每K比特数据首先经过串并转换变成并行数据，每组数据发送持续时间为KTd，Td为信源周期；然后K比特数据从一频率族(共包含M个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..fM)中根据数据－频率顺序映射器选取r个要发送的频率和顺序
Figure BDA0002425000770000061
按照发送顺序
Figure BDA0002425000770000062
频率、
Figure BDA0002425000770000063
频率，…,
Figure BDA0002425000770000064
频率进入发送存储器相应位置，每个频率持续时间增加到KTd/r；每组总共有
Figure BDA0002425000770000065
种发送串行组合频率和顺序可以选择，对应能传输
Figure BDA0002425000770000066
比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，并且r个频率使用相同初始相位；把这些与信息数据一一对应，则对应的每组发送的信息数据K是：
Figure BDA0002425000770000067
从而形成基于串行组合的水下电流场发送信号；接收端把接收到的基于串行组合的水下电流场信号放大后，输入到M个混沌解调器中，每个混沌解调器同时输入不同本地载波fi，其频率fi为频率族中的一个频率，利用混沌解调器对于频率的极度敏感性，如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为近乎0的解调信息VL电平，如果输入信号包含fi则混沌解调器输出1信号VH电平；从M个混沌解调器输出信息中选取其中1个最大输出值，且大于系统启动门限|(VH+n'i+J'i)/2|的值所对应的频率顺序关系送入接收存储器，把本组r个发送频率的发送顺序输入到频率顺序－数据逆映射器中，解调出发送信息，还原出接收的K比特信源信息。
本发明提出一种基于串行组合的水下电流场方法，既保持并行多载波水下电流场通信的传输高效率，又有效减少发送载波数量，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾，而同样普通水下电流场通信也是发送r次，传输r比特信息，串行组合的水下电流场通信方法传输效率比其提高数倍。减少发送载波数量可以使接收效果更好，使接收端M个混沌解调器更加有利于区分出到底哪个载波发送。本发明改进了普通水下电流场通信方法，提高普通水下电流场通信方法传输效率，优于并行多载波水下电流场通信的信号幅度值，更易于实现解调。
一种基于串行组合的水下电流场通信方法，所述方法包括:
发送信号过程：
步骤1)发射端将信源信息按照K比特一帧进行连续发送，发送的每一帧K比特数据记为d1,d2,d3,···,dK，连续发送n帧数据，在n帧数据发送前发送固定的同步头数据进行系统准同步，同步头后发送n帧；每K比特数据首先经过串并转换变成并行数据，一帧数据发送持续时间为KTd，Td为信源周期；
步骤2)将步骤1)获得的K比特并行信号根据数据－频率顺序映射器从一个频率族(共包含M个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..fM)中选取r个要发送的频率和先后发送顺序，按照发送顺序把
Figure BDA0002425000770000071
频率、
Figure BDA0002425000770000072
频率，…,
Figure BDA0002425000770000073
频率进入发送存储器相应位置，每个频率持续时间增加到KTd/r(因为K比r较大)；每组总共有
Figure BDA0002425000770000074
种发送串行组合频率和顺序可以选择，对应能传输
Figure BDA0002425000770000075
比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，并且r个频率使用相同初始相位；把这些与信息数据一一对应，则对应的每组发送的信息数据K是：
Figure BDA0002425000770000076
通过发送存储器顺序发送r个频率形成串行组合的水下电流场通信调制信号：
Figure BDA0002425000770000077
式中，
Figure BDA0002425000770000078
(i＝1,2,..,r)为根据发送信息通过数据－频率顺序映射器选取r个要发送的频率和发送顺序，其余频率为
Figure BDA0002425000770000079
(i＝r,r+1,...,M)；因此发送信号还是为1个载波信号；
步骤3)串行组合的水下电流场通信信号经功率放大后
Figure BDA00024250007700000710
式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)通过水下电偶极子天线把信号发射出去；
接收信号过程：
步骤4)在高斯白噪声信道下，接收端水下电偶极子天线接收到信号为r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t)
式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N0/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端使用的M个载波频率相同，通过同步头实现准同步后；当在KTd/r时间内把接收到的信号输入到M个混沌解调器，每个混沌解调器同时输入不同本地载波fi，其频率fi为频率族中的一个频率，利用混沌解调器对于频率的极度敏感性，如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为近乎0电平的解调信息VL电平，如果输入信号包含fi则混沌解调器输出1信号VH电平，则混沌解调器输出为
Figure BDA0002425000770000081
其中n'i+J'i是混沌解调接收机对于噪声和干扰的解调，由于混沌解调器具有极窄的带宽，所以混沌解调器输出的进入极窄带宽里的n'i+J'i为很低的电平；
步骤5)将步骤4)在KTd/r时间内获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的1个输出值，且大于系统启动门限|(VH+n'i+J'i)/2|的值，这个输出值所对应的频率序号输入到接收存储器相应位置，在下一个KTd/r时间内把选出的频率序号输入到接收存储器相应位置，一共连续选取r次，总共持续KTd时间；把KTd时间后的接收存储器的选取出的频率和顺序关系，送入频率顺序－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的K比特并行信息；
步骤6)经并/串转换，得到K比特还原信源信息；把连续发送的n帧信息逐帧还原为信源信息。
混沌解调器，使用DUFFING混沌振子进行解调；DUFFING混沌振子解调的数学模型为微分方程式：
Figure BDA0002425000770000082
其中，k是阻尼比，-x3+0.8x5是非线性回复力，
Figure BDA0002425000770000083
是内置的本地载波信号，γc＝1为本地载波频率周期摄动力的幅度，本地载波频率为ωc＝1(归一化)，当输入信号s(t)的频率ωs＝1(归一化)和本地频率一致时，输入信号幅度大于γs＝0.789599290618，并赋予初值x＝1，y＝1，该改进系统的两路时域波形图以及相图如图3(a)和图3(b)所示，输出进入周期态：
当输入信号s(t)的频率超出本地频率ωs＜0.95或ωs＞1.05(归一化)的5％范围时，同样赋予初值x＝1，y＝1，通过微分方程可得到混沌的临界状态，其时域波形图以及相图如图4(a)和图4(b)所示，输出进入混沌态；
混沌解调器输出可由混沌态和周期态组成，说明输入信号对于本地载波fi具有非常强的微弱信号极窄带宽，如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为混沌态；混沌解调器利用DUFFING混沌振子的极窄带宽的选择性实现解调，混沌解调器由自相关预处理模块，DUFFING混沌振子处理模块，低通滤波模块，取模模块，抽样判决模块，统计值消除干扰模块组成，如图5所示；
步骤2.1)把接收到的信号r(t)输入到自相关预处理模块，把r(t)和r(t-τ)进行自相关运算
Figure BDA0002425000770000091
其中τ为时移，输出为：
Figure BDA0002425000770000092
随着τ的逐渐增加，噪声的自相关Rn(τ)衰减也加快，噪声被抑制较多，但是接收信号中的发送频率信号被增强了；
步骤2.2)将步骤2.1)的信号输入到改进DUFFING混沌振子微分方程中，得到一阶x的值；
步骤2.3)输出一阶x的值，输入到低通滤波进行滤波，而低通滤波器的截至频率要小于改进DUFFING混沌振子本地载波频率fi；当DUFFING混沌振子的输出信号为大尺度周期态时，其频率集中在本地载波频率fi以及本地载波频率fi的倍频，经过低通滤波以后，这些信号将被滤掉；当改进DUFFING混沌振子的输出信号为混沌态时，频谱上为连续谱，经过低通滤波以后，低频输出信号依旧存在，如图6所示；
将DUFFING混沌振子的输出信号进行低通滤波后的仿真图如图6所示；从图可以看出如果此混沌解调器的输入信号包括对应的本地载波频率fi，则对应输出信号的幅度几乎为零，而输入信号没有包括对应的本地载波频率fi信号时，则对应依旧有信号的存在，如图7所示；
步骤2.4)将步骤2.3)输出信号进行取模处理，去掉负的信息，如图8所示；
步骤2.5)将步骤2.4)取模后的采样信号做幅度判决，其中判决门限由无信号的输出值对应的幅值确定；判决规则如下：当幅值大于判决门限时，输出为0，当幅值小于判决门限时，输出为1；幅度判决后的信号，如图9所示：
步骤2.6)将幅度判决后的信号利用统计值消除干扰，利用一个较小的时间矿口，将小于这个时间长度的信号视为毛刺进行滤除，然后取反，因此包括对应的本地载波频率fi，则对应的输出信号为1信号VH高电平，而输入信号没有包括对应的本地载波频率fi信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息VL电平，如图10所示；
这种混沌解调器较其他一些混沌信号判决方式具有较强的抗干扰性能，实现适应范围更广的软判别，输入输出都是数字信号形式，更有利于FPGA等芯片实现。
当输入信号频率超过本地频率信号范围5％时，就可以看作是不在本地频率信号范围内。
所述的同步头，为了提高检测效果，同步头设计为顺序发送f1,f2,..fi..fM共M个频率信号，每个频率持续时间为Td；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到fi某个本地频率，并且按照顺序一直检测到fM出现；通过同步头检测确定准位同步时间，由于混沌阵子解调需要消耗一定数量载波，所以准位同步时间比短Td，但是可以实现同步要求。
本发明的目的在于提供一种高效水下电流场通信方法，既保持并行多载波水下电流场通信的传输高效率，又有效减少发送载波数量，较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾，具有较高的安全性和高保密性，解决现有的水下电流场混沌通信的传输效率低的问题，同时也较好的解决载波数量较多对于混沌解调器的影响较大的问题，更加有利于判决，可以使接收效果更好，在更低的信噪比下实现水下通信，有效增加通信距离。
本发明解决了普通水下电流场通信的传输效率低的问题，提高传输效率，但又保持了每次只发送一个载波的优点，同时具有更加高安全性和高保密性，同时较好的解决了传输效率与载波数量的矛盾；同时也较好的解决载波数量较多对于混沌解调器的影响较大的问题，更加有利于判决，可以使接收效果更好，在更低的信噪比下实现水下通信，有效增加通信距离。现有的普通水下电流场通信，一次只能传输1比特信息，而一种基于串行组合的水下电流场通信方法在相同条件下一次可以传输
Figure BDA0002425000770000101
比特信息，所以传输效率可以提高K倍以上。基于串行组合的水下电流场通信方法的复杂度高于常规水下电流场通信，为了取得较高的传输效率，本发明通信方法的复杂程度有所提高，但在当前专用集成电路飞速发展的情况下，此复杂度也是可以接受的。
实施例1：
结合图1，发送信号过程：
一种基于串行组合的水下电流场通信方法采用和普通水下电流场通信方法相同的系统参数，信源周期为Td＝0.02秒，信源速率vb＝50bps，从一个频率族(范围为2000Hz-5000Hz，分别为f1,f2,..fi..fM)，共包含M＝16个水下电流场可用频率从中选取r＝4个进行顺序发送，一次发送
Figure BDA0002425000770000111
比特数据；
步骤1)发射端将信源信息按照K＝15比特一帧进行连续发送，发送的每一帧15比特数据记为d1,d2,d3,···,d15，连续发送n帧数据，在n帧数据发送前发送固定的同步头数据进行系统准同步，同步头后发送n帧；每15比特数据首先经过串并转换变成并行数据，一帧数据发送持续时间为15Td，Td为信源周期，假设其中某一帧发送信息为d1,d2,d3,···,d15＝011010110100111；
步骤2)将步骤1)获得的d1,d2,d3,···,d15＝011010110100111并行信息从一个频率族(共包含16个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..f16)中选取r＝4个要发送的频率和先后发送顺序，按照发送顺序把
Figure BDA0002425000770000112
频率、
Figure BDA0002425000770000113
频率、
Figure BDA0002425000770000114
频率、
Figure BDA0002425000770000115
频率进入发送存储器相应位置，每个频率持续时间增加到15Td/4(因为K＝15比r＝4较大)；每组总共有
Figure BDA0002425000770000116
种发送串行组合频率和顺序可以选择，对应能传输
Figure BDA0002425000770000117
比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，并且r＝4个频率使用相同初始相位；把这些与信息数据一一对应，则对应的每组发送的信息数据K是：
Figure BDA0002425000770000118
通过发送存储器顺序发送r＝4个频率形成串行组合的水下电流场通信调制信号：
Figure BDA0002425000770000119
式中，
Figure BDA00024250007700001110
(i＝1,2,3，4)为根据发送信息通过数据－频率顺序映射器选取r个要发送的频率和发送顺序，其余频率为
Figure BDA00024250007700001111
(i＝5,6，...,16)；因此发送信号还是为1个载波信号；
步骤3)并行多载波的水下电流场调制信号经功率放大后
Figure BDA00024250007700001112
式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)通过水下电偶极子天线把信号发射出去；
结合图2，接收信号过程：
步骤4)在高斯白噪声信道下，接收端水下电偶极子天线接收到信号为r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t)
式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N0/2；J(t)为干扰信号；设发送端和接收端使用的16个载波频率相同，通过同步头实现准同步后；当在15Td/4时间内把接收到的信号输入到16个混沌解调器，每个混沌解调器同时输入不同本地载波fi，其频率fi为频率族中的一个频率，利用混沌解调器对于频率的极度敏感性，如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为近乎0电平的解调信息VL电平，如果输入信号包含fi则混沌解调器输出1信号VH电平，则混沌解调器输出为
Figure BDA0002425000770000121
其中n'i+J'i是混沌解调接收机对于噪声和干扰的解调，由于混沌解调器具有极窄的带宽，所以混沌解调器输出的进入极窄带宽里的n'i+J'i为很低的电平；
步骤5)将步骤4)在15Td/4时间内获得的16个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的1个输出值，且大于系统启动门限|(VH+n'i+J'i)/2|的值，这个输出值所对应的频率序号输入到接收存储器相应位置，在下一个15Td/4时间内把选出的频率序号输入到接收存储器相应位置，一共连续选取r＝4次，总共持续15Td时间；把15Td时间后的接收存储器的选取出的频率和顺序关系，送入频率顺序－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的15比特并行信息d1,d2,d3,···,d15＝011010110100111；
步骤6)经并/串转换，得到15Td比特还原信源信息；把连续发送的n帧信息逐帧还原为信源信息。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于串行组合的水下电流场通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：发射端将信源数据按照K比特一帧连续发送n帧，在n帧数据发送前发送固定的同步头数据进行系统准同步，同步头后发送n帧；发射端发送信号的具体步骤为：
步骤1.1：发射端将信源数据中每K比特数据经过串并转换变成并行数据，一帧数据发送持续时间为KTd，Td为信源周期；将K比特并行数据根据数据－频率顺序映射器从一个频率族中选取r个要发送的频率和先后发送顺序，并按照发送顺序把
Figure FDA0002425000760000011
频率、
Figure FDA0002425000760000012
频率，…,频率送入发送存储器相应位置，每个频率持续时间增加到KTd/r，r个频率使用相同初始相位；
所述的频率族共包含M个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..fM，每组总共有
Figure FDA0002425000760000014
种发送串行组合频率和顺序可以选择，对应能传输
Figure FDA0002425000760000015
比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，则对应的每组发送的信息数据K是：
Figure FDA0002425000760000016
步骤1.2：通过发送存储器顺序发送r个频率形成串行组合的水下电流场通信调制信号：
Figure FDA0002425000760000017
式中，
Figure FDA0002425000760000018
为根据发送信息通过数据－频率选择映射器选取的r个要发送的频率和发送顺序，其中i＝1,2,...,r；其余频率为
Figure FDA0002425000760000019
因此发送信号还是为1个载波信号；
步骤1.3：将串行组合的水下电流场通信调制信号经功率放大后通过水下电偶极子天线发射出去；经功率放大后的串行组合的水下电流场通信调制信号为：
Figure FDA00024250007600000110
式中，P是载波功率；
步骤2：接收端通过同步头实现准同步后，在KTd/r时间内把接收到的信号输入到M个混沌解调器，每个混沌解调器同时输入不同本地载波fi，频率fi为频率族中的一个频率，得到M个混沌解调器的输出值；
在高斯白噪声信道下，接收端水下电偶极子天线接收到的信号为：
r(t)＝s(t-τ)+n(t)+J(t)
式中，τ为通信传播时延；n(t)为高斯白噪声，其双边带功率谱密度为N0/2；J(t)为干扰信号；
如果输入信号超出本地载波频率5％范围，则混沌解调器输出为近乎0电平的解调信息VL电平；如果输入信号包含fi，则混沌解调器输出1信号VH电平；混沌解调器的输出值由公式表示为：
Figure FDA0002425000760000021
其中n’i+J’i是混沌解调器对于噪声和干扰的解调；
步骤3：从在KTd/r时间内获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的1个输出值，将选取的输出值所对应的频率序号输入到接收存储器相应位置；其中，选取的混沌解调器的输出值大于系统启动门限|(VH+n'i+J'i)/2|的值；
步骤4：重复执行步骤3，一共执行r次，总共持续KTd时间；
步骤5：将接收存储器中的频率和顺序关系送入频率顺序－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的K比特并行信息；
步骤6：将K比特并行数据经过并/串转换，得到K比特还原信源数据；把发射端连续发送的n帧数据逐帧还原为信源数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于串行组合的水下电流场通信方法，其特征在于：步骤2中所述的混沌解调器由自相关预处理模块，DUFFING混沌振子处理模块，低通滤波模块，取模模块，抽样判决模块，统计值消除干扰模块组成；混沌解调器利用DUFFING混沌振子的极窄带宽的选择性实现解调，具体步骤为：
步骤2.1：将接收到的信号r(t)输入到自相关预处理模块，并将r(t)和r(t-τ)进行自相关运算；
Figure FDA0002425000760000022
其中，τ为时移，自相关运算的输出为：
Figure FDA0002425000760000023
随着τ的逐渐增加，噪声的自相关Rn(τ)衰减也加快，噪声被抑制较多，但是接收信号中的发送频率信号被增强了；
步骤2.2：将自相关预处理模块的结果R(τ)输入到DUFFING混沌振子处理模块中，得到DUFFING混沌振子微分方程中一阶x的值；所述的DUFFING混沌振子微分方程为：
Figure FDA0002425000760000031
其中，k是阻尼比；-x3+0.8x5是非线性回复力；
Figure FDA0002425000760000032
是内置的本地载波信号；γc＝1为本地载波频率周期摄动力的幅度；本地载波频率经归一化后为ωc＝1；
当输入信号s(t)的频率经归一化后ωs＝1和本地频率一致时，输入信号幅度大于γs＝0.789599290618时，输出进入周期态：当输入信号s(t)的频率超出本地频率经归一化后ωs＜0.95或ωs＞1.05的5％范围时，输出进入混沌态；混沌解调器输出可由混沌态和周期态组成，说明输入信号对于本地载波fi具有非常强的微弱信号极窄带宽；如果输入信号超出本地载波频率5％范围则输出为混沌态；
步骤2.3：将一阶x的值输入到低通滤波模块进行滤波，低通滤波器的截至频率小于DUFFING混沌振子本地载波频率fi；当DUFFING混沌振子的输出信号为大尺度周期态时，其频率集中在本地载波频率fi以及本地载波频率fi的倍频，经过低通滤波以后，这些信号将被滤掉；当DUFFING混沌振子的输出信号为混沌态时，频谱上为连续谱，经过低通滤波以后，低频输出信号依旧存在；
步骤2.4：将低通滤波模块输出的信号输入到取模模块中处理，去掉负的信息；
步骤2.5：将取模模块输出的信号输入到抽样判决模块中，将取模后的采样信号做幅度判决，其中判决门限由无信号的输出值对应的幅值确定；当幅值大于判决门限时，输出为0；当幅值小于判决门限时，输出为1；
步骤2.6：将抽样判决模块输出的信号输入到统计值消除干扰模块中，将幅度判决后的信号利用统计值消除干扰；若幅度判决后的信号中包括对应的本地载波频率fi，则对应的输出信号为1信号VH高电平；若幅度判决后的信号中没有包括对应的本地载波频率fi信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息VL电平；当输入信号频率超过本地频率信号范围5％时，就视为不在本地频率信号范围内。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于串行组合的水下电流场通信方法，其特征在于：步骤1中所述的同步头设计为顺序发送f1,f2,..fi..fM共M个频率信号，每个频率持续时间为Td；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到fi某个本地频率，并且按照顺序一直检测到fM出现；通过同步头检测确定准位同步时间，由于混沌阵子解调需要消耗一定数量载波，所以准位同步时间比短Td，但是可以实现同步要求。
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