CN113595585B - M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法、装置和存储介质 - Google Patents

M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法、装置和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法、装置和存储介质，所述方法通过将M元扩频调制与循环移位扩频调制相结合，极大地提升了频谱效率和通信速率。本发明用在移动水声通信中，可以在不进行多普勒估计和补偿的情况下保持稳定的通信性能。

Description

M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法、装置和存储介质
技术领域
本发明涉及一种移动水声通信方法，属于水声通信领域。
背景技术
水声通信是目前唯一可以用于水下远距离无线通信的方法，然而水声信道是十分复杂的，声波在水中的低速传播导致严重的多途扩展，水声信道中的多普勒频偏相比于无线电通信更加明显。此外，海洋环境噪声具有随机性、非一致性等。这些特点将会严重制约水声通信的性能。
扩频技术具有截获概率低、处理增益高等优点，能够在复杂的水声环境中提供可靠的传输性能。Chirp扩频利用Chirp信号本身的宽频带特性实现频谱扩展，具有处理增益高、抗多径干扰能力强、功耗要求低的特点。然而，传统的Chirp扩频水声通信通常会由于多普勒畸变导致接收信号和本地Chirp信号失配。双曲调频(Hyperbolic frequencymodulated,HFM)信号具有多普勒不变性和良好的脉冲压缩特性，并且已经被用在脉冲雷达系统、水声通信系统、以及定位导航系统。现有的基于HFM信号的Chirp扩频水声通信技术通过上下扫频的HFM信号分别代表“0”和“1”实现信息传输，如图1中(a)部分所示。在接收端，如图1中(b)部分所示，分别使用具有上下扫频的HFM信号与经过同步的接收信号进行匹配滤波处理，根据匹配滤波结果进行解码。
然而，上述基于HFM信号的Chirp扩频水声通信技术，由于单个HFM信号仅能携带1bit信息，导致系统具有低的频带利用率，并且通信速率难以满足实际需求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，为了提升频谱效率和通信速率，本发明提出一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法。
本发明的目的还在于提供一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置以及存储介质。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，应用于发射端，所述方法包括：
确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号；
将待发送的信息分成两组，分别为信息组1和信息组2，根据M和C的值进行串并转换，根据信息组1中的log2M个比特信息确定当前符号所用的HFM信号，完成M元扩频调制，通过信息组2中的log2 C个比特信息确定循环移位的时延位置，对所用的HFM信号进行循环移位，进而完成循环移位扩频调制；
依次完成指定符号数的调制过程后，进行并串转换后输出；
对输出信号加同步信号后进行发射。
其中，所述确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C包括：根据通信速率要求和信道条件确定调制阶数M和C。
第二方面，一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，应用于接收端，所述方法包括：
对接收信号进行滤波和同步；
对滤波和同步处理后的信号进行串并转换；
对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理；
根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码，其中，根据乘积矩阵的最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据乘积矩阵的最大值位置的纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
第三方面，一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置，用作发射端，包括：
用于确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号的部件；
用于将待发送的信息分成两组，分别为信息组1和信息组2，根据M和C的值进行串并转换，根据信息组1中的log2M个比特信息确定当前符号所用的HFM信号，完成M元扩频调制，根据信息组2中的log2 C个比特信息确定循环移位的时延位置，对所用的HFM信号进行循环移位，进而完成循环移位扩频调制的部件；
用于在依次完成指定符号数的调制过程后，进行并串转换后输出的部件；以及
用于对输出信号加同步信号后进行发射的部件。
第四方面，一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置，用作接收端，包括：
用于对接收信号进行滤波和同步的部件；
用于对滤波和同步处理后的信号进行串并转换的部件；
用于对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理的部件；以及
用于根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码的部件，其中，根据乘积矩阵的最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据乘积矩阵的最大值位置的纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
第五方面，一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述指令被处理器执行时，能够使得所述处理器实现如本发明第一方面所述的应用于发射端的M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，和/或如本发明第二方面所述的应用于接收端的M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法。
本发明具有以下有益效果：本发明提出一种基于HFM信号的M元循环移位扩频水声通信方法(HFM-MCSK)、装置及计算机存储介质，所述方法通过将M元扩频调制与循环移位扩频调制相结合，极大地提升了频谱效率和通信速率。在移动水声通信中，具有合适的调制参数的HFM-MCSK系统可以在不进行多普勒估计和补偿的情况下保持稳定的通信性能。
附图说明
图1为现有的基于HFM信号的Chirp扩频水声通信方案示意图，其中(a)为发射端，(b)为接收端；
图2为HFM信号的相关特性示意图，其中(a)为自相关，(b)为互相关；
图3为本发明实施例提供的HFM-MCSK系统发射和接收示意图，其中(a)为发射端，(b)为接收端；
图4为本发明实施例提供的仿真中收发节点间的多径信道示意图；
图5为本发明实施例提供的系统仿真误符号率曲线；
图6为本发明实施例提供的移动通信中系统的误符号率曲线；
图7为本发明实施例提供的试验布局图；
图8为本发明实施例提供的信道估计结果，其中(a)EX1，(b)EX2。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
数学上，HFM信号的时域波形可以描述为：
Figure GDA0003609107390000041
t∈[0,T]，其中A(t)为矩形包络，T为脉冲宽度，k为频率调制项，它是一个恒定值
Figure GDA0003609107390000042
fl和fh分别为HFM信号的上限频率和下限频率。通过调整k值的正负来产生具有上下扫频的HFM信号，如图2所示为两种信号的相关特性。结合分割频带操作可以产生更多接近正交的HFM信号。
本发明提出一种基于HFM信号的M元循环移位(HFM signal based M-ary cyclicshift keying，HFM-MCSK)扩频水声通信方法，是这样实现的：
在发射端：
(11)确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号；
(12)将待发送的信息分成两组，根据M和C的值进行串并转换，通过信息组1确定当前符号所用的HFM信号，通过信息组2确定循环移位的时延位置；
(13)依次完成指定符号数的调制过程后，进行并串转换后输出；
(14)加同步信号后发射；
在接收端：
(21)首先对接收信号进行滤波和同步；
(22)对(21)中处理后的信号进行串并转换。
(23)对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理。
(24)根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码。
下面结合图3对发明的技术方案做更详细的描述。
在发射端，如图3中的(a)部分所示，根据通信速率要求和信道条件确定调制阶数M和C，将信息分为两组后进行串并转换，两信息组内的比特数由调制阶数M和C决定，根据信息组1中的log2M个比特信息确定使用的HFM信号，完成M元扩频调制，然后根据信息组2中的log2 C个比特信息确定循环移位的位置，在M元扩频调制的基础上进行循环移位扩频调制，以上两个操作是逐符号进行的。完成所有符号的调制操作后并串转换输出为：
Figure GDA0003609107390000051
xl∈XM,cl∈KC，L为发射信号的符号数，rect(t)表示矩形函数，XM表示M种不同的HFM信号，XM＝[x1,x2,…,xM]，KC表示循环移位扩频调制中的时延集合。
根据所述的波形帧结构和发射信号表达式生成发射信号，通过水声换能器完成发射。
如图3中的(b)部分所示，为接收端的处理流程。接收信号经过滤波和同步之后，进行串并转换，之后利用本地的M个HFM信号经过循环移位后与接收信号进行相乘，得到Pl,m(tc)＝[rect(t-T+tc)xm(t+tc)+rect(t-tc)xm(t)]rl(t)T,tc∈[0,T]，rl(t)为接收信号的第l个符号，Pl,m(tc)为接收信号的第l个符号与中第m个HFM信号在循环移位时延为tc时的乘积结果，则第l个符号匹配结果表示为：
Figure GDA0003609107390000052
对于第l个符号，根据矩阵Pl中最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
根据上述过程描述完成全部L个符号的解码，并串转换后输出。
为验证HFM-MCSK系统在水声信道干扰下的有效性，进行了如下的仿真和试验。
仿真结果：仿真中水声信道的冲击响应如图4所示。HFM-MCSK系统的可用带宽为2kHz，符号长度为16ms，每帧信号包含90个符号。图5所示为系统仿真的误符号率曲线，可以看出在多径干扰下本发明有较为良好的通信性能，且当HFM-MCSK系统具有相同的通信速率时，系统在M元扩频调制阶数小于循环移位调制阶数的情况下具有更低的误符号率，例如M＝1,C＝32的系统误符号率性能相比于M＝32,C＝1的系统更好,M＝2,C＝16的系统误符号率性能相比于M＝16,C＝2的系统更好。图6为移动通信中HFM-MCSK系统和基于LFM信号的M元循环移位(LFM signal based M-ary cyclic shift keying，LFM-MCSK)系统的误符号率曲线对比，其中收发节点的运动速度为5m/s，系统的可用带宽为400Hz，符号长度为90ms，每帧信号包含30个符号，调制阶数M＝2,C＝4。从图6可以看出，在移动水声通信中HFM-MCSK系统相比于LFM-MCSK系统具有更稳定的通信性能。
试验结果：为了评估HFM-MCSK系统的性能，给出了浅水声通信实验数据的分析结果。该实验于2021年5月在青岛近海进行。图7为具体的实验布局。海深为30m。接收机固定在4m深度，发射机的深度为5m，初始通信距离为1.0km。在本次移动水声通信试验中，进行了两次不同运动方向的通信试验，分别命名为EX1和EX2。在EX1中，发射机以0.5m/s的速度向着接收机径向移动。在EX2中，发射机以相同的速度向着接收机横向移动。由于海浪对船舶的影响，发射机和接收机之间的信道结构是随时间变化的。图8给出了信道估计结果，两个信道具有很多快速变化的多径分量。EX1和EX2的误码率和误符号率统计结果分别如表1和表2所示，每组阶数下共传输360个符号。EX1和EX2期间接收信号的平均信噪比分别约为2.8dB和4.8dB。由于本实验中接收信号的信噪比较低，因此当调制阶数较大时会出现较多的误符号现象。实验结果表明，本发明提出的HFM-MCSK系统能够克服多普勒效应对通信性能的影响，在调制阶数M和C较小的情况下可以实现稳健的数据传输。
表1 EX1的统计结果
Figure GDA0003609107390000061
Ne表示误符号的数量
表2 EX2的统计结果
Figure GDA0003609107390000062
Figure GDA0003609107390000071
表中的BER(Bit error rate)为误比特率、SER(Symbol error rate)为误符号率、M-ary为M元调制、CSK(Cyclic shift keying)为循环移位键控调制。
根据本发明的另一实施例，提供一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置，包括发射装置和接收装置，其中发射装置包括：
用于确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号的部件；
用于将待发送的信息分成两组，分别为信息组1和信息组2，根据M和C的值进行串并转换，通过信息组1确定当前符号所用的HFM信号，通过信息组2确定循环移位的时延位置的部件；
用于在依次完成指定符号数的调制过程后，进行并串转换后输出的部件；以及
用于对输出信号加同步信号后进行发射的部件。
接收装置包括：
用于对接收信号进行滤波和同步的部件；
用于对滤波和同步处理后的信号进行串并转换的部件；
用于对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理的部件；以及
用于根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码的部件。
其中，发射装置以及接收装置的各个部件模块可以实现前述方法实施例中相应的发射方法和接收方法的过程，具体的实现细节可以参照前述方法实施例中的描述。
根据本发明的另一实施例，提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述指令被处理器执行时，能够使得所述处理器实现如上所述的应用于发射端和/或应用于接收端的M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中。用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，应用于发射端，其特征在于，所述方法包括：
确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号；
将待发送的信息分成两组，分别为信息组1和信息组2，根据M和C的值进行串并转换，根据信息组1中的log2M个比特信息确定当前符号所用的HFM信号，完成M元扩频调制，根据信息组2中的log2 C个比特信息确定循环移位的时延位置，在M元扩频调制的基础上进行循环移位扩频调制，以上两个操作是逐符号进行的；
完成所有符号的调制操作后，进行并串转换后输出；
对输出信号加同步信号后进行发射。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C包括：根据通信速率要求和信道条件确定调制阶数M和C。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，完成指定符号数的调制过程后并串转换输出为：
Figure FDA0003618538040000011
L为发射信号的符号数，rect(t)表示矩形函数，XM表示M种不同的HFM信号，XM＝[x1,x2,…,xM]，KC表示循环移位扩频调制中的时延集合。
4.一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，应用于接收端，其特征在于，所述方法包括：
对接收信号进行滤波和同步；
对滤波和同步处理后的信号进行串并转换；
对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理；
根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码，其中，根据乘积矩阵的最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据乘积矩阵的最大值位置的纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理，得到乘积结果表示为：
Pl,m(tc)＝[rect(t-T+tc)xm(t+tc)+rect(t-tc)xm(t)]rl(t)T,tc∈[0,T]
其中rl(t)为接收信号的第l个符号，Pl,m(tc)为接收信号的第l个符号与中第m个HFM信号在循环移位时延为tc时的乘积结果，rect(t)表示矩形函数，则第l个符号匹配结果表示为：
Figure FDA0003618538040000021
对于第l个符号，根据矩阵Pl中最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
6.一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置，用作发射端，其特征在于，包括：
用于确定M元扩频调制的阶数M和循环移位扩频调制的阶数C，通过上下扫频和分割频带产生M个HFM信号的部件；
用于将待发送的信息分成两组，分别为信息组1和信息组2，根据M和C的值进行串并转换，根据信息组1中的log2M个比特信息确定当前符号所用的HFM信号，完成M元扩频调制，根据信息组2中的log2 C个比特信息确定循环移位的时延位置，在M元扩频调制的基础上进行循环移位扩频调制的部件，其中两个扩频调制操作是逐符号进行的；
用于在完成所有符号的调制操作后，进行并串转换后输出的部件；以及
用于对输出信号加同步信号后进行发射的部件。
7.一种M元循环移位Chirp扩频移动水声通信装置，用作接收端，其特征在于，包括：
用于对接收信号进行滤波和同步的部件；
用于对滤波和同步处理后的信号进行串并转换的部件；
用于对本地的HFM信号依次循环移位并与接收信号进行转置相乘处理的部件；以及
用于根据所得乘积矩阵的最大值的位置完成M元扩频调制和循环移位扩频调制的解码的部件，其中，根据乘积矩阵的最大值位置的横坐标获得循环移位扩频调制携带的信息，根据乘积矩阵的最大值位置的纵坐标获得M元扩频调制携带的信息。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述指令被处理器执行时，能够使得所述处理器实现如权利要求1-3中任一项所述的应用于发射端的M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法，和/或如权利要求4-5中任一项所述的应用于接收端的M元循环移位Chirp扩频移动水声通信方法。
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