CN113794521B - 一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法，属于水声通信技术领域。其包括信号发射、信号接收、唤醒信号捕获等步骤。本发明用于水声通信机远程唤醒，具有较低的算法复杂度，可有效提高水声通信机唤醒信号捕获成功率，通过设置不同频率的单音信号，可实现唤醒信号中携带先验信息，提高水声通信机后续信息解调解码处理速度；同时，通过设置虚警检测频率，可有效抵抗宽带干扰信号对水声通信机造成的虚警。

Description

一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法
技术领域
本发明涉及水声通信技术领域，尤其是一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法。
背景技术
随着海洋战略地位的提升，海洋相关信息的获取和处理技术吸引了越来越多的注意力，科研工作者日益热衷于对海洋资源的开发和水下通信技术研究。海洋数据是丰富海洋技术应用场景的关键基础，包括数据的产生、采集、保存、传输及处理，水声通信作为水下进行远程数据传输的有效手段，成为各海洋大国的重点研究课题。设计研制低成本、高能效、安全可靠的水声通信技术对于国防和国民经济建设具有非常重要的作用。
不同于陆地上的有线通信或无线传输，不可靠的水声信道和复杂的水声环境，为水声通信机的设计和研究带来了很多障碍。水声信道具有以下基本特性：声波在水中的传输速度约为1500m/s；声波在海洋中传输时，受折射和海底、海面反射的影响带来的多径效应容易导致接收信号的失真；水声通信机间的传输时延是时间和空间的二元函数。由于水声通信机通常采用低功耗处理平台，计算能力有限，因此在设计适用于水声通信机的唤醒方法时，需要考虑水声信道的算力，并避免对水声通信机节点间时钟同步的要求。
唤醒方法是水声通信机实现通信功能的关键，只有准确捕获到唤醒信号，才能确保水声通信机接收到完整的通信信号，为后续的解调解码提供必要条件。因此，为了保障水声通信机的可靠性，需要设计并提出适用于水声通信机的唤醒方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法，解决了水声通信机唤醒技术计算复杂度高的问题，并有效地降低了唤醒信号虚警概率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法，用于水声通信机之间的通信唤醒，包括如下步骤：
(1)作为发射节点的水声通信机A通过数据接口接收上位机的待发送数据；
(2)水声通信机A在通信信号头部添加多单音唤醒信号；如果水声通信机A的通信频带为[fL，fH]，则设置单音信号s1的频率为f1＝fH，并设置单音信号s3的频率为f3＝fL，信号长度为l；此外，设置单音信号s2的频率f2，fL<f2<fH且f2≠falarm，falarm为虚警检测频率，单音信号s2用于携带调制方式和数据长度信息；
(3)水声通信机A将添加多单音唤醒信号后的完整水声通信信号进行数模转换和功率放大，然后发射给作为接收节点的水声通信机B；
(4)水声通信机B接收水声通信机A发来的信号，通过模数转换得到数字信号；
(5)水声通信机B将数字信号按照先后顺序打包成长度为l的数据包，得到接收信号；
(6)水声通信机B采用滑动窗口的方式对接收信号进行多单音唤醒信号的检测，其中，检测窗口长度为2*l，与单音信号长度的2倍一致，单次滑动长度为l；
(7)针对检测窗口中的信号，进行N点快速傅里叶变换，获得频率谱，并计算其功率谱；
(8)根据水声通信机B的采样频率fs及快速傅里叶变换的点数N，获得频率分辨率fres＝fs/N；
(9)根据频率分辨率fres计算f1、f2、f3、falarm对应的谱线位置：loci＝fi/fres；下标i表示1、2、3、alarm，loci表示f1、f2、f3、falarm对应的谱线位置；
(10)根据水声通信过程中可能出现的最大多普勒频偏，设置频率偏移容限foffset，在功率谱基础上计算各单音信号的频点，并计算各频率在[fi-foffset，fi+foffset]范围内的带内平均功率pi，同时计算单音信号带外噪声的平均功率pi-offset，带外噪声的频率范围为[fi-2*foffset，fi-foffset)∪(fi+foffset+2*foffset]；
(11)根据带内平均功率pi和带外平均功率pi-offset，计算信噪比SNRi＝10*log(pi/pi-offset)；
(12)如果多个单音信号的SNRi均大于预设的检测门限SNRgate，且有SNRalarm<SNRgate，则判定为完成了唤醒信号的捕获；
(13)根据检测出的f2频点的值，获取唤醒信号携带的调制方式和数据长度信息，为后续通信信号的解调解码提供先验信息。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法实现了水声通信机的远程唤醒，仅需一次快速傅里叶变换(FFT)即可完成唤醒信号的捕获，具有较低的算法复杂度。
2、本发明可有效提高水声通信机捕获唤醒信号的成功率，同时，通过设置特定的单音信号，可实现唤醒信号中携带先验信息，提高水声通信机解调解码的处理速度。
附图说明
图1为本发明实施例方法的流程图。
图2为本发明实施例中多单音唤醒信号示意图。
图3为本发明实施例中多单音信号携带先验信息示意图。
图4为本发明实施例中滑动窗口检测唤醒信号过程示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法，包括如下步骤：
(1)初始化
1)水声通信机发射节点和接收节点通信换能器入水，分别完成加电和自检，确认各板卡自检状态正常；
2)作为发射节点的水声通信机完成与上位机的接口测试，数据接口包括但不限于串口(RS232/422/485)，网口(RJ45)，确保可正确接收上位机下发的数据。
(2)信号发射
1)作为发射节点的水声通信机通过数据接口接收上位机的待发送数据；
2)发射水声通信机在通信信号头部添加多单音唤醒信号，如图2所示；
3)如果水声通信机通信频带为[fL，fH]，设置单音信号s1、s3的频率：f1＝fH，f3＝fL，信号长度为l；
4)单音信号s2的用于携带信息，可根据调制样式、此处仅规定s2的频率范围，不限制具体频率，即fL<f2<fH，此外f2的设置应避开虚警检测频率，即f2≠falarm，如图3所示；
5)水声通信机通过“数-模”转换单元将产生的完整水声通信信号推送给功率放大器，功率放大器驱动水声通信换能器进行信号发射。
(3)信号接收
1)作为接收节点的水声通信机通过水声通信换能器采集水下声信道中的声信号，经过“模-数”转换单元，将模拟信号转换为数字信号；
2)数字信号按照先后顺序打包成长度为l的数据包，并上传至接收水通机的信号处理单元。
(4)唤醒信号捕获
1)针对接收水通机采集到的数字信号，采用滑动窗口的方式进行多单音唤醒信号的检测，其中检测窗口长度为2*l，与单音信号长度的2倍一致，单次滑动长度为l，检测窗口滑动过程如图4所示；
2)针对检测窗口中的信号进行N点快速傅里叶变换(FFT)，获得频率谱，并计算其功率谱；
3)根据水声通信机采样频率，fs及FFT点数N，获得频率分辨率fres＝fs/N；
4)根据频率分辨率fres计算f1、f2、f3、falarm对应的谱线位置，loci＝fi/fres；
5)根据水声通信过程中可能出现的最大多普勒频偏，设置频率偏移容限，foffset，在功率谱基础上计算各单音信号的频点计算频率在[fi-foffset，fi+foffset]范围内的平均功率pi，同时计算单音信号带外噪声的平均功率pi-offset，带外噪声的频率范围为[fi-2*foffset，fi-foffset)∪(fi+foffset+2*foffset]；
6)根据带内平均功率pi和带外平均功率pi-offset计算信噪比SNRi＝10*log(pi/pi-offset)；
7)如果多个单音信号的SNRi均大于预设的检测门限SNRgate，且有SNRalarm<SNRgate，则判定为完成了唤醒信号的捕获；
8)根据最终检测出的f2频点具体值，可获取唤醒信号携带的调制方式和数据长度信息，为后续通信信号的解调解码提供先验信息。
总之，本发明基于多单音信号实现水声通信机的唤醒，仅需计算一次FFT即可完成唤醒信号的检测与捕获，大幅度降低了唤醒信号检测复杂度，更加适用于算力及能源有限的水声通信机运行环境。此外，通过设置不同频率的单音信号及虚警频率，不仅实现了唤醒信号中携带先验信息，同时也能有效抵抗宽带干扰信号给水通机带来的虚警。

Claims (1)

1.一种基于多单音信号的水声通信机唤醒方法，其特征在于，用于水声通信机之间的通信唤醒，包括如下步骤：
(1)作为发射节点的水声通信机A通过数据接口接收上位机的待发送数据；
(2)水声通信机A在通信信号头部添加多单音唤醒信号；如果水声通信机A的通信频带为[fL，fH]，则设置单音信号s1的频率为f1＝fH，并设置单音信号s3的频率为f3＝fL，信号长度为l；此外，设置单音信号s2的频率f2，fL<f2<fH且f2≠falarm，falarm为虚警检测频率，单音信号s2用于携带调制方式和数据长度信息；
(3)水声通信机A将添加多单音唤醒信号后的完整水声通信信号进行数模转换和功率放大，然后发射给作为接收节点的水声通信机B；
(4)水声通信机B接收水声通信机A发来的信号，通过模数转换得到数字信号；
(5)水声通信机B将数字信号按照先后顺序打包成长度为l的数据包，得到接收信号；
(6)水声通信机B采用滑动窗口的方式对接收信号进行多单音唤醒信号的检测，其中，检测窗口长度为2*l，与单音信号长度的2倍一致，单次滑动长度为l；
(7)针对检测窗口中的信号，进行N点快速傅里叶变换，获得频率谱，并计算其功率谱；
(8)根据水声通信机B的采样频率fs及快速傅里叶变换的点数N，获得频率分辨率fres＝fs/N；
(9)根据频率分辨率fres计算f1、f2、f3、falarm对应的谱线位置：loci＝fi/fres；下标i表示1、2、3、alarm，loci表示f1、f2、f3、falarm对应的谱线位置；
(10)根据水声通信过程中可能出现的最大多普勒频偏，设置频率偏移容限foffset，在功率谱基础上计算各单音信号的频点，并计算各频率在[fi-foffset，fi+foffset]范围内的带内平均功率pi，同时计算单音信号带外噪声的平均功率pi-offset，带外噪声的频率范围为[fi-2*foffset，fi-foffset)∪(fi+foffset+2*foffset]；
(11)根据带内平均功率pi和带外平均功率pi-offset，计算信噪比SNRi＝10*log(pi/pi-offset)；
(12)如果多个单音信号的SNRi均大于预设的检测门限SNRgate，且有SNRalarm<SNRgate，则判定为完成了唤醒信号的捕获；
(13)根据检测出的f2频点的值，获取唤醒信号携带的调制方式和数据长度信息，为后续通信信号的解调解码提供先验信息。
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