CN111431835A - 一种基于并行多载波的高效水下电流场通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水下电流场通信技术领域，具体涉及一种基于并行多载波的高效水下电流场通信方法。本发明提高了水下电流场通信传输效率和有效性，同时增加了适应水下电流场通信的安全性和保密性。本发明通过改变映射算法提高用户信息安全，由于使用混沌解调器，可用频率之间满足只要大于5％‑10％的保护频带即可使用，可大幅度提高水下电流场通信可用频率数量。由于水下电流场通信的接收信号衰减程度与通信距离的三次方成反比，当通信距离较远时，传统数字接收机很难在低信噪比情况下解调出信号，而本发明由于运用多个混沌解调器对于并行多载波进行解调和软判决，有效提高传输距离，提高判决效果，有利于实现低信噪比下水下电流场通信。

Description

一种基于并行多载波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，具体涉及一种基于并行多载波的高效水下电流场通信方法。

背景技术

随着人们对海洋资源需求的增加，实现高效、具有较强抗干扰性能的水下通信技术成为新的研究热点。水声通信由于水声环境的复杂多变和多途干扰，使得水声信道成为最为复杂的信道之一，而水声通信在浅滩、水质浑浊时或有大量珊瑚礁等遮挡物时，会产生较为严重的多径效应以及多普勒频移效应，通信效果会变差，通信环境受限。水下激光通信指使用蓝绿光进行水下传输的通信方式，具有传输速率快，对海水的穿透力好等优势，但是对水下环境有较高要求，水质不能浑浊或有障碍物。无线电波水下通信可以在水下进行传播，但是高频电磁波在水下的衰减非常严重，而长波通信需要有较长的天线才能辐射。

水下电流场通信是以传导电流场为载体进行信号传输的通信技术，由于使用电磁波在水中传输信息，因此通信环境噪声小，对通信环境要求不高，可以在浑浊海水和浅滩实现通信。传导电流场水下通信具有传输信号稳定性高，没有多径效应，可以非直线传输，实现隐蔽通信，并且水下电偶极子天线尺寸小，设备安装简单，便于携带。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，一次只能传输1比特信息，而且安全保密性较差，非常容易被破解。而通过基于并行多载波的水下电流场通信方法，一次可以传输K比特信息，大大提高传输效率，并且提高传输距离，可以在低信噪比下工作，并且通过改变映射数据实现较高的保密性和抗侦破等优点，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传输效率更高，更加安全和高保密性的一种基于并行多载波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KT_d，T_d为信源周期；将K比特并行数据从频率族中根据数据－频率选择映射器选取r个要发送的频率，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,..f_i..f_M，总共有

种发送频率可以选择，对应能传输

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，则对应的一次发送的信息数据K是：

步骤1.2：把选取出来的r个发送频率时域并行叠加在一起形成并行多载波的水下电流场调制信号，叠加时间为一帧数据持续发送时间KT_d；所述的并行多载波的水下电流场调制信号表示为：

式中，

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，其中i＝1,2,...,r；其余频率为

步骤1.3：将并行多载波的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；经功率放大后的并行多载波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f_i，频率f_i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V_L电平；如果输入信号包含f_i，则混沌解调器输出1信号V_H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，将选取出的r个输出值所对应的频率序号作为发送来的解调信息，送入频率－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的K比特并行数据；

步骤4：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R_n(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；γ_c＝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ω_c＝1；

当输入信号s(t)的频率经归一化后ω_s＝1和本地频率一致时，输入信号幅度大于γ_s＝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ω_s＜0.95或ω_s＞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f_i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f_i；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f_i以及本地载波频率f_i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f_i，则对应的输出信号为1信号V_H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f_i信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息V_L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,..f_i..f_M共M个频率信号，每个频率持续时间为T_d；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到f_i某个本地频率，并且按照顺序一直检测到f_M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T_d，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，增加一次发送数据量，同时提供更加安全和高保密性，同时也较好的解决在低信噪比下能够抑制部分噪声的问题，提高了系统的安全性，通过软判决更好的解决了信号强弱与判决的矛盾，可大幅度提高水下电流场通信可用频率数量。

附图说明

图1为本发明的发射过程结构图。

图2为本发明的接收过程结构图。

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。

本发明设计了一种基于并行多载波的高效水下电流场通信方法，这种基于并行多载波的高效水下电流场通信方法提高了水下电流场通信传输效率和有效性，并优于普通水下电流场通信，同时增加了适应水下电流场通信的安全性和保密性，通过改变映射算法提高用户信息安全，由于使用混沌解调器，可用频率之间满足只要大于5％-10％的保护频带即可使用，可大幅度提高水下电流场通信可用频率数量。由于水下电流场通信的接收信号衰减程度与通信距离的三次方成反比，当通信距离较远时，传统数字接收机很难在低信噪比情况下解调出信号，而采用基于并行多载波的高效水下电流场通信方法，由于运用多个混沌解调器对于并行多载波进行解调和软判决，有效提高传输距离，提高判决效果，有利于实现低信噪比下水下电流场通信。

一种基于并行多载波的高效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,···,d_K，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KT_d，T_d为信源周期；

步骤2)将步骤1)获得的K比特并行信号从一个频率族(共包含M个水下电流场可用频率f₁,f₂,..f_i..f_M)中根据数据－频率选择映射器选取r个要发送的频率，总共有

种发送频率可以选择，对应能传输

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；把这些频率与信息数据一一对应，则对应的一次发送的信息数据K是：

把选取出来的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KT_d，从而形成并行多载波水下电流场发送信号：

式中，

为根据发送信息通过数据－频率选择映射器选取r个要发送的频率，其余频率为

步骤3)并行多载波的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，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f_i，其频率f_i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V_L电平，如果输入信号包含f_i则混沌解调器输出1信号V_H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个输出值所对应的频率序号作为发送来的解调信息，送入频率－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：

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，γ_c＝1为本地载波频率周期摄动力的幅度，本地载波频率为ω_c＝1(归一化)，当输入信号s(t)的频率ω_s＝1(归一化)和本地频率一致时，输入信号幅度大于γ_s＝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ω_s＜0.95或ω_s＞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f_i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R_n(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f_i；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f_i以及本地载波频率f_i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f_i，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f_i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f_i，则对应的输出信号为1信号V_H高电平，而输入信号没有包括对应的本地载波频率f_i信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息V_L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,..f_i..f_M共M个频率信号，每个频率持续时间为T_d；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到f_i某个本地频率，并且按照顺序一直检测到f_M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T_d，但是可以实现同步要求。

本发明与现有技术相比较，本发明解决了普通水下电流场通信的传输效率低的问题，增加一次发送数据量，同时提供更加安全和高保密性，同时也较好的解决在低信噪比下能够抑制部分噪声的问题，提高了系统的安全性，通过软判决更好的解决了信号强弱与判决的矛盾，可大幅度提高水下电流场通信可用频率数量。现有的普通水下电流场通信，一次只能传输1比特信息，而一种基于并行多载波的水下电流场通信方法相同条件下一次可以传输

比特信息，所以传输效率可以提高K倍以上。基于并行多载波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：

一种基于并行多载波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v_b＝0.02秒，信源速率v_b＝50bps，从一个频率族(范围为2000Hz-5000Hz，分别为f₁,f₂,..f_i..f_M)，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

比特数据；

步骤1)发射端将信源信息按照K＝9比特一帧进行连续发送，发送的每一帧9比特数据记为d₁,d₂,d₃,···,d₉，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9T_d，T_d为信源周期，，假设其中某一帧发送信息为d₁,d₂,d₃,···,d₉＝011010110；

步骤2)将步骤1)获得的d₁,d₂,d₃,···,d₉＝011010110并行信息从一个频率族(共包含16个水下电流场可用频率)中根据数据－频率选择映射器选取r＝3个要发送的频率，总共有

种发送频率可以选择，对应能传输

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，并且3个频率使用相同初始相位，都选

相位；把这些频率与信息数据一一对应，则对应的一次发送的信息数据K是：

把选取出来的3个发送频率时域并行叠加在一起形成调制信号，发送信息d₁,d₂,d₃,···,d₉＝011010110根据数据－频率选择映射器的映射算法选取(f₂,f₅,f₁₃)三个频率，选择这些频率初始相位为

叠加时间持续一帧数据发送时间为9T_d，每个载波幅度

从而形成并行多载波水下电流场发送信号：

式中，

为根据发送信息通过数据－频率选择映射器选取r＝3个要发送的频率，其余频率为

步骤3)并行多载波的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；

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；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f_i，其频率f_i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V_L电平，如果输入信号包含f_i则混沌解调器输出1信号V_H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16个混沌解调器输出值中选取绝对值最大的3个输出值所对应的频率序号(f₂,f₅,f₁₃)作为发送来的解调信息，送入频率－数据逆映射器，解调出发送信息d₁,d₂,d₃,···,d₉＝011010110，还原出接收的9比特并行信息；

步骤6)经并/串转换，得到9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。

以上方法使用的混沌解调器，可以用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＝0.5是阻尼比，-x³+0.8x⁵是非线性回复力，

是内置的本地载波信号，γ_c＝1为本地载波频率周期摄动力的幅度，本地载波频率为ω_c＝2πf_i(归一化)，当输入信号s(t)的频率ω_s＝2πf_i(归一化)和本地频率一致时，输入信号幅度大于γ_s＝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ω_s＜0.95*2πf_i或ω_s＞1.05*2πf_i(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f_i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，统计值输出模块组成，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R_n(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f_i；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f_i以及本地载波频率f_i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f_i，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f_i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f_i，则对应的输出信号为1信号V_H高电平，而输入信号没有包括对应的本地载波频率f_i信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息V_L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。

根据发送信号过程使用的同步头，为了提高检测效果，同步头设计为顺序发送f₁,f₂,..f_i..f₁₆共16个频率信号，每个频率持续时间为

在接收端某个时刻16个混沌解调器中检测到f_i某个本地频率，并且按照顺序一直检测到f₁₆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T_d，但是可以实现同步要求。

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)

1.一种基于并行多载波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KT_d，T_d为信源周期；将K比特并行数据从频率族中根据数据－频率选择映射器选取r个要发送的频率，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,..f_i..f_M，总共有

种发送频率可以选择，对应能传输

比特的信息数据，[x]表示对x取整数部分，则对应的一次发送的信息数据K是：

步骤1.2：把选取出来的r个发送频率时域并行叠加在一起形成并行多载波的水下电流场调制信号，叠加时间为一帧数据持续发送时间KT_d；所述的并行多载波的水下电流场调制信号表示为：

式中，S_ji∈(+1)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，其中i＝1,2,...,r；其余频率为S_ji∈(0)，i＝r+1,...,M；

步骤1.3：将并行多载波的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；经功率放大后的并行多载波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f_i，频率f_i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V_L电平；如果输入信号包含f_i，则混沌解调器输出1信号V_H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，将选取出的r个输出值所对应的频率序号作为发送来的解调信息，送入频率－数据逆映射器，解调出发送信息，还原出接收的K比特并行数据；

步骤4：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所述的一种基于并行多载波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R_n(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；γ_c＝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ω_c＝1；

当输入信号s(t)的频率经归一化后ω_s＝1和本地频率一致时，输入信号幅度大于γ_s＝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ω_s＜0.95或ω_s＞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f_i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f_i；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f_i以及本地载波频率f_i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f_i，则对应的输出信号为1信号V_H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f_i信号，则对应的位置输出信号为近乎0电平的解调信息V_L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所述的一种基于并行多载波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,..f_i..f_M共M个频率信号，每个频率持续时间为T_d；在接收端某个时刻M个混沌解调器中检测到f_i某个本地频率，并且按照顺序一直检测到f_M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T_d，但是可以实现同步要求。

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