CN111431834B - 一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法 - Google Patents

一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下电流场通信技术领域，具体涉及一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法。本发明解决了常规解决常规并行多载波的水下电流场通信可靠性一般的问题，通过运算法则加强选出的频率号之间的关系，使系统具有“纠错”频率能力；通过减少一些发送数据量可以使接收效果更好，在相同信噪比下误码率更低，较好的解决了传输效率与可靠性的矛盾。为了提高可靠性，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。

Description

一种具有高可靠性的高效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，具体涉及一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法。
背景技术
现代水下通信对通信有效性和可靠性的要求日益增高。一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法是并行多载波的水下电流场通信或者并行串行组合多载波水下电流场通信的改进方式，是一种具有较高通信可靠性的水下电流场通信方式，并且继承了并行多载波的水下电流场通信或者并行串行组合多载波水下电流场通信传输效率高，抗干扰能力强、抗周围环境恶劣也可实现通信等优点。但是在接收端解调时，如果某个载波解调出错，就会造成整体信息出错，原有系统没有“纠错”频率功能。如果r个频率号之间存在某种运算法则关系，则可以根据运算法则检测判决出r个频率号是否解调正确，如果只有一个频率号出错，可以根据运算法则扩大解调数据范围，准确找到r个频率号。如果接收端多判决一个频率，则也可以通过运算法则纠正全部误判为1个频率的情况，大大的提高系统的可靠性。一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法，具有“纠错”频率功能。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，可靠性较差而且没有“纠错”频率功能，在非常低的信噪比情况下容易被出错，误码率较高。本发明提出一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法，较好的解决了传输效率与可靠性的矛盾。减少一些发送数据量可以使接收效果更好，更加有利于判决出到底哪个频率发送，而且具有频率“纠错”功能，具有较高的安全性，可以方便的通过改变映射关系提高系统安全性，因此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解决常规并行多载波的水下电流场通信或者并行串行组合多载波水下电流场通信可靠性一般的问题，具有频率“纠错”功能的一种具有高可靠性的高效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11：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；
步骤1.2：将K比特并行数据转化为十进值数值后送入数据-编号选择映射器中，根据设定的运算器的运算法则，选取对应的频率匹配组序号；
K比特并行数据记为：
d＝(dk，dk-1，…，d2，d1)，di∈(1，0)；
按照对应关系把K比特并行数据转化为十进值数值：
所述的运算器的运算法则表示为：
其中，Θ表示常规数学运算符号，包括常用的加法，减法，乘法，除法、取模和相等运算符；
步骤1.3：将选取的频率匹配组序号送入编号-频率选择映射器中，从频率族中选取本次发送的r个发送频率；
所述的频率族共包含M个水下电流场可用频率f1，f2，..fi..fM，一次发送的信息数据K是：
K＝[log2Z]
其中，[x]表示对x取整数部分；Z为满足运算法则的频率匹配组数量；
步骤1.4：把选取出来的r个发送频率时域并行叠加在一起形成水下电流场调制信号，叠加时间为一帧数据持续发送时间KTd；所述的水下电流场调制信号表示为：
式中，为根据发送信息通过编号-频率选择映射器选取的r个要发送的频率，其中i＝1，2，...，r；其余频率为/>
步骤1.5：将水下电流场调制信号经功率放大后通过水下电偶极子天线发射出去；经功率放大后的水下电流场调制信号为：
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，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：
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：从获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的r个输出值，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：判断选取的r个输出值对应频率组合的序号是否满足运算器的运算法则；
若选取的r个输出值对应频率组合的序号满足运算器的运算法则，则判定本次接收正常，将r个输出值对应的频率组合作为发送来的解调信息；
若选取的r个输出值对应频率组合的序号不能满足运算器的运算法则，则判定本次混沌解调出错，从余下的混沌解调器输出值中选取绝对值次最大的1个输出值，将该输出值对应的频率序号与r个输出值对应频率组合的一起输入到运算器中重新判定；若r+1个序号中某r个序号满足运算器的运算法则，则将满足运算法则的r个序号对应的频率组合作为发送来的解调信息；
步骤5：将发送来的解调信息送入频率-编号逆映射器中解调编号，再把编号送到编号-数据逆映射器中，得到K比特并行数据；
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；
其中，τ为时移，自相关运算的输出为：
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：
其中，k是阻尼比；-x3+0.8x5是非线性回复力；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：
本发明解决了常规解决常规并行多载波的水下电流场通信可靠性一般的问题，通过运算法则加强选出的频率号之间的关系，使系统具有“纠错”频率能力；通过减少一些发送数据量可以使接收效果更好，在相同信噪比下误码率更低，较好的解决了传输效率与可靠性的矛盾。为了提高可靠性，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。
附图说明
图1为一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法的发送过程结构图。
图2为一种具有高可靠性的高效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。
并行多载波水下电流场通信方法每次发送的r个载波传输信息，传输效率较高，但是在接收端解调时，如果某个载波解调出错，就会造成整体信息出错；为了提高接收可靠性，又保持高效传输效率，本发明提出在发送时多个发送载波的之间，通过构建运算器使发送载波序号之间满足某种数学运算，数学运算法则包括常用的加法，减法，乘法，除法、取模和相等运算符，从而使每次发送的载波序号之间满足运算关系；收发两端事先都明确运算器结构和运算关系。如果选出的绝对值最大的r个载波对应的序号满足运算器的运算法则，则判定本次接收正常；如果选出的绝对值最大的r个载波对应的序号不能满足运算器的运算关系，从而判断出本次混沌解调出错，从余下的混沌解调器输出值中选取绝对值次最大的所对应的频率序号，重新输入到运算器中，如果在这r+1个序号中某些r个序号满足运算法则，则这些满足运算关系的这些频率序号做为本次混沌解调器输出值送到频率-数据逆映射器中解调出信息，因此此种方法具有“纠错”功能，能够纠正一个出错混沌解调频率。
一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法改进了并行多载波水下电流场通信方法，提高通信传输可靠性，虽然传输效率有点降低，但还是保持了较高的传输效率，比普通的数字解调效率高。本发明具有高度的可靠性，不仅具有判断混沌解调器输出值是否正确的“判决”功能，还有“纠错”功能，保持了较高的传输效率；此方法还可以通过改变任何一种频率匹配组和编号对应关系，就可以得到一种新的映射关系，具有较高的安全特性，是一种非常具有广泛应用前景的水下电流场通信方法。
一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法，首先确定可用频率匹配组和编号方法，把M个水下电流场可用频率f1，f2，..fi..fM按照运算器的运算法则，进行频率匹配组选取，一般把r个频率号按照序号大小顺序排列设定，满足运算法则的所有可能组合情况统计出来，共有Z种组合情况，其中运算法则可以表示为：
式中Θ表示常规数学运算符号，包括常用的加法，减法，乘法，除法、取模和相等运算符；然后把所有可能的频率匹配组进行编号1-Z号；
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dk，dk-1，…，d2，d1，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)针对每次发送的K比特发送信息送入串/并转换器，获得K路并行信号；按照对应关系把K比特数据转化为十进值数值Nd：
把Nd送入数据-编号选择映射器中，选取对应的频率匹配组序号，再把相应的频率匹配组序号送入编号-频率选择映射器中，选取本次发送的r个发送频率时域并行叠加在一起形成调制信号，叠加时间持续一帧数据发送时间为KTd，从而形成水下电流场发送信号：
式中，为根据发送信息通过编号-频率选择映射器选取r个要发送的频率，其余频率为/>这些被发送的频率号满足运算法则；
步骤3)水下电流场调制信号经功率放大后
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，收发两端事先都互相确定运算器结构和运算法则；通过同步头实现准同步后；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
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)获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的r个输出值(一般这些r个值大于无发送频率的输出值的2-5倍)所对应的频率作为发送来的频率组合，而且大于系统启动门限|(ＶＨ+n′i+J′i)/2|的值，把选取绝对值最大的r个输出值所对应的频率作为发送来的频率组合；如果选出的绝对值最大的r个载波对应的序号满足运算器的运算法则，则判定本次接收正常；如果选出的绝对值最大的r个载波对应的序号不能满足运算器的运算关系，从而判断出本次混沌解调出错，从余下的混沌解调器输出值中选取绝对值次最大的所对应的频率序号，重新输入到运算器中，如果这r+1个序号中某些r个序号满足运算法则，则这些满足运算关系的这些频率序号做为本次混沌解调器输出值送到频率-编号逆映射器中解调编号，再把编号送到编号-数据逆映射器中，得到K位并行信息，此种方法具有“纠错”频率功能，能够纠正一个出错混沌解调频率；
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。
因为Z是满足运算法则的所有可能频率匹配组数量，共有Z种组合情况，而是M个发送频率中选取r个频率的组合数量，会剔除不满足运算法则要求的组合，所以/>因此一次能发送的数据量为K＝[log2Z]，[x]表示对x取整数部分。
这种可用频率匹配组和编号对应关系，具有Z！种排列组合方式，通过改变任何一种对应关系，就可以得到一种新的映射关系，所以一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法具有较高的安全特性，可以较为容易的通过改变映射关系提高系统安全性。
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：
其中，k是阻尼比，-x3+0.8x5是非线性回复力，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)进行自相关运算其中τ为时移，输出为：
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。
本发明解决了常规解决常规并行多载波的水下电流场通信或者并行串行组合多载波水下电流场通信可靠性一般的问题，通过运算法则加强选出的频率号之间的关系，是系统具有“纠错”频率能力，通过减少一些发送数据量可以使接收效果更好，在相同信噪比下误码率更低，较好的解决了传输效率与可靠性的矛盾。一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法的复杂度高于常规并行多载波的水下电流场通信，为了提高可靠性，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1，一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法，首先确定可用频率匹配组和编号方法，把M＝16个水下电流场可用频率f1，f2，..fi..f16按照运算器的运算法则，例如选取+和＝运算符构建运算法则，进行频率匹配组选取，一般把r＝3个频率号按照序号大小顺序排列设定，满足运算法则的所有可能组合情况统计出来，共有Z＝56种组合情况，其中运算法则可以表示为：
式中Θ表示常规数学运算符号+和＝；然后把所有可能的频率匹配组进行编号1-56号；
根据以上所述的一种可用频率匹配组和编号方法，发送过程如下：
一种具有高可靠性的高效水下电流场通信方法采用和常规并行多载波的水下电流场通信方法相同的系统参数，信源周期为vb＝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..f16)，共包含M＝16个水下电流场可用频率从中选取r＝3个频率进行发送，一次发送K＝[log2Z]＝5比特数据；
步骤1)发射端将信源信息按照K＝5比特一帧进行连续发送，发送的每一帧5比特数据记为d5，dk-1，…，d2，d1，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5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5Td，Td为信源周期，，假设其中某一帧发送信息为d5，dk-1，…，d2，d1＝00110；
步骤2)针对每次发送的K＝5比特发送信息送入串/并转换器，获得K＝5路并行信号；按照对应关系把K＝5比特数据转化为十进值数值Nd：
把Nd＝6送入数据-编号选择映射器中，选取对应的频率匹配组序号6，再把相应的频率匹配组序号6送入编号-频率选择映射器中，根据映射关系选出为(f2，f4，f6)的3个频率，选取本次发送的(f2，f4，f6)发送频率时域并行叠加在一起形成调制信号，叠加时间持续一帧数据发送时间为5Td，从而形成水下电流场发送信号：
式中，为根据发送信息通过编号-频率选择映射器选取r个要发送的频率，其余频率为/>这些被发送的频率号(f2，f4，f6)满足运算法则；
步骤3)水下电流场调制信号经功率放大后
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＝16个载波频率相同，收发两端事先都互相确定运算器结构和运算法则；通过同步头实现准同步后；把接收到的信号输入到M＝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
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)获得的M＝16个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的r＝3个输出值(一般这些r个值大于无发送频率的输出值的2-5倍)所对应的频率作为发送来的频率组合，而且大于系统启动门限|(VH+n′i+J′i)/2|的值，把选取绝对值最大的r个输出值所对应的频率作为发送来的频率组合；如果选出的绝对值最大的3个载波对应的序号(f2，f4，f6)满足运算器的运算法则则判定本次接收正常；如果选出的绝对值最大的3个载波对应的序号(f2，f4，f14)不能满足运算器的运算关系，从而判断出本次混沌解调出错，从余下的混沌解调器输出值中选取绝对值次最大的所对应的频率序号(f6)，重新输入到运算器中，如果这4个序号(f2，f4，f6，f14)中某些3个序号(f2，f4，f6)满足运算法则/>则这些满足运算关系的这些频率序号(f2，f4，f6)做为本次混沌解调器输出值送到频率-编号逆映射器中解调编号6，再把编号6送到编号-数据逆映射器中解调出d5，dk-1，…，d2，d1＝00110并行信息，得到K＝5位并行信息，此种方法具有“纠错”频率功能，能够纠正一个出错混沌解调频率；
步骤6)经并/串转换，得到K＝5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。
因为Z＝56是满足运算法则的所有可能频率匹配组数量，共有Z＝56种组合情况，而是M＝16个发送频率中选取r＝3个频率的组合数量，会剔除不满足运算法则要求的组合，所以/>因此一次能发送的数据量为K＝[log256]＝5，[x]表示对x取整数部分。
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)

1.一种具有高可靠性的高效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；
步骤1.2：将K比特并行数据转化为十进值数值后送入数据-编号选择映射器中，根据设定的运算器的运算法则，选取对应的频率匹配组序号；
K比特并行数据记为：
d＝(dk，dk-1，…，d2，d1)，di∈(1，0)；
按照对应关系把K比特并行数据转化为十进值数值：
所述的运算器的运算法则表示为：
F(f1 s，f2 s，..fr s)＝{f1 sΘf2 sΘ...Θfr s}
其中，Θ表示常规数学运算符号，包括常用的加法，减法，乘法，除法、取模和相等运算符；
步骤1.3：将选取的频率匹配组序号送入编号-频率选择映射器中，从频率族中选取本次发送的r个发送频率；
所述的频率族共包含M个水下电流场可用频率f1,f2,..fi..fM，一次发送的信源数据的比特数K是：
K＝[log2Z]
其中，[x]表示对x取整数部分；Z为满足运算法则的频率匹配组数量；
步骤1.4：把选取出来的r个发送频率时域并行叠加在一起形成水下电流场调制信号，叠加时间为一帧数据持续发送时间KTd；所述的水下电流场调制信号表示为：
式中，为根据发送信息通过编号-频率选择映射器选取的r个要发送的频率，其中i＝1,2,...,r；其余频率为/>
步骤1.5：将水下电流场调制信号经功率放大后通过水下电偶极子天线发射出去；经功率放大后的水下电流场调制信号为：
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，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：
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：从获得的M个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的r个输出值，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：判断选取的r个输出值对应频率组合的序号是否满足运算器的运算法则；
若选取的r个输出值对应频率组合的序号满足运算器的运算法则，则判定本次接收正常，将r个输出值对应的频率组合作为发送来的解调信息；
若选取的r个输出值对应频率组合的序号不能满足运算器的运算法则，则判定本次混沌解调出错，从余下的混沌解调器输出值中选取绝对值次最大的1个输出值，将该输出值对应的频率序号与r个输出值对应频率组合的一起输入到运算器中重新判定；若r+1个序号中某r个序号满足运算器的运算法则，则将满足运算法则的r个序号对应的频率组合作为发送来的解调信息；
步骤5：将发送来的解调信息送入频率－编号逆映射器中解调编号，再把编号送到编号－数据逆映射器中，得到K比特并行数据；
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所述的一种具有高可靠性的高效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；
其中，τ为时移，自相关运算的输出为：
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：
其中，k是阻尼比；-x3+0.8x5是非线性回复力；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所述的一种具有高可靠性的高效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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