CN112866838A - 一种适用于通探一体化声纳的ce_ofdm信号设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法，属于水声通信和探测技术领域。本发明为利用同一信号同时实现声纳探测与通信传输功能，设计了一种恒包络OFDM通信探测一体化信号。CE‑OFDM信号的PAPR恒定为0dB，解决了声纳传统宽带多载波波形高PAPR的问题。同时，所设计的一体化波形能够满足通信和探测功能和指标，UUV可利用该一体化波形在集群见实现数据通信的同时，完成集群间的信息共享，达到了通信与探测同时进行又互不影响的目的，提升了探测与通信的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法，属于水声通信和探测技术领域。
背景技术
目前，无人水下航行器(UUV)的航速、航程、续航力在逐步提高，并且能携带武器，即将具备与潜艇媲美的功能，未来将更多地代替潜艇在作战一线承担情报侦察、反潜、反舰等任务。在水下使用多艘UUV组成水下编队进行协同探测，可以提高探测效率，扩大探测范围，发挥更大的作用。在探测海域水文环境恶劣、探测任务繁杂的情况下，UUV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。探测、通信、电子干扰等各种功能的电子设备被装备在同一平台上，占据了平台大量的空间，增加了平台的反射面积和能耗，恶化了平台周围的电磁环境，降低了隐蔽性，从而影响了平台整体机动性、安全性等性能。因此，迫切需要将这些独立的设备集成起来，构造综合化程度高的一体化集成系统，增加空间利用率、减小反射面积、降低电磁辐射等，提高整体对抗性能，从而在对抗中获得有利优势。水下探测与通信系统长期是独立纵向发展的，而两者在工作原理、系统结构、信号处理以及工作频率上的相似,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，从而提高系统生存能力与应变能力,将成为未来综合电子信息系统发展的趋势。
在通探一体化体制中，单载波一体化方案由于通信数据率不高、频谱利用率不足等原因，难以满足现代的通信需求。在多载波体制中，OFDM波形体制提供了一个相对简单的方式，在具有严重地多径衰落特点的信道中保障高数据链路。然而一帧随机传统OFDM信号的PAPR可高达8.15dB，这对于射频前端的功率放大器来说是一个极大的挑战，会引起功率放大器的非线性失真，从而导致系统性能退化。为了解决传统OFDM信号的高PAPR的问题，可采用相位调制方式，即将传统OFDM信号恒包络化。恒包络正交频分复用信号(CE-OFDM)可视为传统OFDM基础概念通过相位调制的扩展，从而信号的PAPR恒为0dB，可以极大地降低了多载波硬件设备成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法，从而为UUV协同探测提供一种可参考适用的发射信号。
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法，其本质是利用通信信号进行探测，并保证信号横包络特性，具体步骤包括：
将发射器的通信信号调制成码元序列；
将码元序列利用串并转换、IDFT变换以及并串转换方式转换得到OFDM基带信号；
将OFDM基带信号的实部作为相位调制器的输入信号，通过相位调制处理得到CE-OFDM信号；
向相位调制后的恒包络CE-OFDM信号添加CP信号，从而得到发射基带信号；
将发射基带信号通过换能器发射到水中环境中。
在一种实施方式中，发射器的通信信号经过参数的初始化操作；所述参数包括但不限于声纳工作频率、带宽、时延扩展、码元数目中的一种或多种。
在一种实施方式中，所述方法具体包括如下步骤：
步骤1，参数初始化：根据特定声纳工作参数以及适用场景，初始化声纳工作频率、带宽、时延扩展、码元数目等参数。其中，由于低速的声波和严重的多路径现象带来了非常大的信道时延扩展。在浅海中，典型时延扩展在几十个毫秒级别，在深海中，时延扩展可达秒的级别，在实际应用中，按需选择；
步骤2，根据选择的调制方式以及导频方式，将通信信号调制成码元序列，定义为I；
步骤3，依次利用串并转换、IDFT变换以及并串转换操作，得到OFDM基带信号，其复包络可以表示为：
其中，M为调制在每个子载波上的码元数目；Nc为子载波个数；In,m为调制在第n个子载波上的第m个码元；fn为第n个子载波的频率，fn＝(n-1)·Δf,Δf为子载波频率间隔；Tc为OFDM符号周期；rect(·)为单位矩形窗函数；
步骤4，相位调制。将OFDM基带信号的实部作为相位调制器的输入信号，表示为：
式中，h称为相位调制指数。
从而得到CE-OFDM信号，其基带复包络信号形式为：
式中，A为载波信号幅度；T为CE-OFDM信号持续时间，T＝MTc，φ(t)为已调信号相位；
步骤5，添加CP信号。从而得到发射基带信号，可表示为：
式中，TOFDM为CE-OFDM符号周期，TOFDM＝T+TCP,TCP为循环前缀时间；
步骤6，通过DA变换/上变频等处理，将发射基带信号通过换能器发射到水中环境中。
本发明还提供了适用所述方法的通信设备；包括信号发射装置、探测处理装置和通信接收装置。
本发明还要求保护所述方法或所述通信设备在通信、探测领域的应用。
有益效果：本发明设计了一种恒包络OFDM通信探测一体化信号，利用同一信号同时实现声纳探测与通信传输功能，通过使CE-OFDM信号的PAPR恒定为0dB，解决了声纳传统宽带多载波波形高PAPR的问题。同时，所设计的一体化波形能够满足通信和探测功能和指标，UUV可利用该一体化波形在集群见实现数据通信的同时，完成集群间的信息共享，达到了通信与探测同时进行又互不影响的目的，提升了探测与通信的效率。
附图说明
图1是本发明提供的CE-OFDM通探一体化系统框架。
图2是本发明提供的OFDM和CE-OFDM信号波形。
图3是本发明提供的CE-OFDM模糊度图。
图4是本发明提供的CE-OFDM信号误码率。
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通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计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1
图1为本发明提供的CE-OFDM通探一体化系统框架，包括发射机、探测处理器和通信接收机，其工作原理可描述为：发射机先将通信数据进行调制、串并转换、IFFT转换、并串转换、相位调制、添加CP等步骤，将通探一体化信号发射到环境中；本地探测模块同时开启探测处理器；对方的通信接收机通过去除CP、相位调制、串并转换、FFT变换、并串转换等一系列逆变换得到通信数据；从而实现了多UUV之间的协同探测。
以下举例说明适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法：
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Tcp＝20ms、OFDM符号持续时间T＝100ms、码元数目M＝100，使用16QAM调制和梳状导频(Comb)方式，进行如下步骤：
步骤1，参数初始化，根据上述参数，通过TOFDM＝Tcp+T＝120ms计算出CE-OFDM符号周期TOFDM，；
步骤2，根据选择的16QAM调制方式和梳状导频方式，将通信信号调制成码元序列，从而的得到In,m；
步骤3，利用串并转换、IDFT变换以及并串转换等操作，得到OFDM基带信号，其复包络可以表示为：
其中，j为复数表达形式，M为调制在每个子载波上的码元数目；Nc为子载波个数；In,m为调制在第n个子载波上的第m个码元；fn为第n个子载波的频率，fn＝(n-1)·Δf,Δf为子载波频率间隔；Tc为OFDM符号周期；rect(·)为单位矩形窗函数；
步骤4，相位调制，将OFDM基带信号的实部作为相位调制器的输入信号，表示为：
式中，h称为相位调制指数；
从而得到CE-OFDM信号，其基带复包络信号形式为：
式中，A为载波信号幅度；T为CE-OFDM信号持续时间，T＝MTc，φ(t)为已调信号相位；
步骤5，添加CP信号，从而得到发射基带信号，可表示为：
式中，TOFDM为CE-OFDM符号周期，TOFDM＝T+TCP,TCP为循环前缀时间；
步骤6，通过DA变换/上变频等处理，将步骤5得到的发射基带信号通过换能器发射到水中环境中。
通过上述步骤可得仿真结果，如图2～4所示，CE-OFDM信号的波形是恒包络信号，PAPR恒为0，更加有利于声纳的发射接收模块；同同时，在模糊函数图中，CE-OFDM的探测性能基本满足了UUV声纳探测需求；并且，CE-OFDM信号的在不同SNR上的误码率也基本满足了UUV之间的通信需求。
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 (5)
1.一种适用于通探一体化声纳的CE_OFDM信号设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
将发射器的通信信号调制成码元序列；
将码元序列利用串并转换、IDFT变换以及并串转换方式转换得到OFDM基带信号；
将OFDM基带信号的实部作为相位调制器的输入信号，通过相位调制处理得到CE-OFDM信号；
向相位调制后的恒包络CE-OFDM信号添加CP信号，从而得到发射基带信号；
将发射基带信号通过换能器发射到水中环境中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，发射器的通信信号经过参数的初始化操作；所述参数包括但不限于声纳工作频率、带宽、时延扩展、码元数目中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1，参数初始化：初始化声纳工作频率、带宽、时延扩展、码元数目中的一种或多种参数；
步骤2，将通信信号调制成码元序列，定义为I；
步骤3，依次利用串并转换、IDFT变换以及并串转换操作，得到OFDM基带信号，其复包络表示为：
其中，M为调制在每个子载波上的码元数目；Nc为子载波个数；In,m为调制在第n个子载波上的第m个码元；fn为第n个子载波的频率，fn＝(n-1)·Δf,Δf为子载波频率间隔；Tc为OFDM符号周期；rect(·)为单位矩形窗函数；
步骤4，相位调制：将步骤3得到的OFDM基带信号的实部作为相位调制器的输入信号，表示为：
得到CE-OFDM信号，所述CE-OFDM的基带复包络信号形式为：
步骤5，添加CP信号，得到发射基带信号，可表示为：
式中，TOFDM为CE-OFDM符号周期，TOFDM＝T+TCP,TCP为循环前缀时间；
步骤6，将发射基带信号通过换能器发射到水中环境中。
4.适用权利要求1～3任一所述方法的通信探测设备。
5.适用权利要求1～3任一所述方法或权利要求4所述的设备在通信、探测领域的应用。
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