CN114362835A - 一种仿海豚哨声水声通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿海豚哨声水声通信方法,本发明首先提取海豚哨声信号样本的时频谱轮廓曲线,然后将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱,再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘,经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调,实现仿生通信。本发明原理简单,仿生效果好,可靠性高,通过模仿海豚哨声信号以保证通信信号的隐蔽性。
Description
技术领域
本发明属于仿生伪装水声通信领域,具体涉及一种仿海豚哨声水声通信方法,特别是一种基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法。
背景技术
水声通信的隐蔽性近年来越来越受到关注,传统低检测概率隐蔽通信技术通过扩展通信信号频率将其隐藏在海洋环境噪声中,以降低通信信号的本检测概率。但是通信信号信噪比的降低限制了通信距离,并且声源附近通信信号能量较高,仍有可能被发现。与低信噪比隐蔽水声通信不同,仿生伪装水声通信通过模拟海洋中固有的海豚叫声等自然声音进行通信,令探测方将通信信号识别为海洋环境噪声以达到隐蔽效果。
中国专利CN112953652A中公开了一种基于分段时频轮廓时延调制的仿鲸目哨声通信方法,该方法将海豚哨声信号时频谱进行分段,然后将信息调制到每段时频谱时延搬移量上。但是该方法并未将信息调制到频谱频率搬移量上,且相邻码元时频谱并不连续,这会影响合成哨声仿生效果。中国专利CN104967489B公开一种MSK信号嵌入海豚哨声信号的仿生水声通信方法,该方法将信息调制生成的MSK信号嵌入到海豚哨声信号时频谱上,产生合成哨声用于通信,但是该方法解调时需要在短时频谱上提取合成哨声时频谱轮廓,再与哨声时频谱轮廓相减获得MSK信号,误差较大,性能容易受到影响。
发明内容
针对上述现有技术,本发明要解决的技术问题是提供一种实现仿生伪装隐蔽水声通信的仿海豚哨声水声通信方法,原理简单,仿生效果好,可靠性高,保证通信隐蔽性。
为解决上述技术问题,本发明的一种仿海豚哨声水声通信方法,包括以下步骤:
发送端:
步骤1:选取海豚哨声信号样本sw(t),提取海豚哨声信号的时频谱轮廓曲线fw(t);
步骤5:对步骤4获得的基带信号mc(t)的结尾进行补零,使mc(t)的时长与所用的哨声信号时频谱轮廓fw(t)相等,获得信号m(t);
步骤6:对步骤5获得的信号m(t)的跳变点进行处理,让信号跳变处平滑过渡,获得处理后的平滑基带信号mw(t);
步骤7:将步骤6处理后的基带信号mw(t)乘以频谱搬移量Δf后与步骤1提取的海豚哨声信号时频谱轮廓fw(t)相加,获得合成哨声时频谱fs(t);
步骤8:基于步骤7获得的合成哨声时频谱fs(t),产生合成哨声ss(t);
接收端:
步骤10:利用步骤1选取的海豚哨声信号sw(t)对接收信号进行同步,提取接收到的合成哨声rs(t);
步骤11:产生一个与步骤1提取的海豚哨声时频谱轮廓fw(t)相差固定频率fc的本地哨声频谱轮廓fl(t);
步骤12:基于步骤11产生的本地哨声时频谱轮廓fl(t),产生本地哨声信号sl(t);
步骤13:将步骤10提取的接收合成哨声rs(t)与步骤12产生的本地哨声sl(t)相干相乘,经过低通滤波获得rFSK(t);
步骤14:提取步骤13获得的rFSK(t)的第i个码元ri(t),计算ri(t)在其两种可能的载波频率f1=fc+Δf和f2=fc-Δf上的能量Ei,1(t)和Ei,2(t);
进一步的,步骤4中基带信号mc(t)为:
其中,u(t)为长度为T的矩形窗函数,定义为:
进一步的,步骤5中信号m(t)为:
进一步的,步骤6中对步骤5获得的信号m(t)的跳变点进行处理为:
令mw(t)=m(t),当ci≠ci+1时,选取正弦信号的二分之一处理mw(t)的跳变点,处理过程为:
对于结尾补零的部分,处理过程为:
其中,L为每个码元中过渡信号所占的时长。
进一步的,步骤7中合成哨声时频谱fs(t)为:
fs(t)=mw(t)×Δf+fw(t)
其中,Δf为频移键控FSK中每个码元信号频率与载波频率fc的频差绝对值,决定合成哨声频谱改变量大小。
进一步的,步骤8中合成哨声ss(t)为:
进一步的,步骤11中本地哨声频谱轮廓fl(t)为:
fl(t)=fw(t)-fc 0<t≤Tw
其中,固定频率fc为最终频移键控信号载波频率。
进一步的,步骤12中本地哨声信号sl(t)为:
进一步的,步骤13中rFSK(t)为:
其中,A'(t)为接收到的合成哨声rs(t)的幅度。
进一步的,步骤14中能量Ei,1(t)和Ei,2(t)为:
本发明的有益效果:本发明首先提取海豚哨声信号样本的时频谱轮廓曲线,然后将信息调制生成的基带信号以一定比例与海豚哨声信号时频谱轮廓曲线相加获得合成哨声时频谱,再生成合成哨声作为仿生通信信号。接收端提取接收到的合成哨声与本地生成的存在固定频差的海豚哨声相干相乘,经过低通滤波获得频移键控信号进行信息解调,实现仿生通信。该技术方案的通信信号与所选取的还不太难哨声信号相似度较高,具有较强的隐蔽性。本发明基于频移键控的仿海豚哨声水声通信方法中,步骤6中的信号m(t)的跳变点处理过程为:先令mw(t)=m(t),对于ci≠ci+1和结尾补零部分,选取正弦信号的二分之一处理mw(t)的跳变点。经过处理后,基带信号mw(t)的所有跳变点均实现平滑过渡,这降低了合成哨声与真实海豚哨声的差异,提高了仿生效果。接收端通过将接收到的合成哨声与本地产生的存在固定频差哨声信号相干相乘,经过低通滤波后即获得频移键控信号,解调频移键控信号即可获得解调信息。本发明原理简单,仿生效果好,可靠性高,通过模仿海豚哨声信号以保证通信信号的隐蔽性。
附图说明
图1为基于频移键控的仿海豚哨声水声通信流程图;
图2为基于频移键控的仿海豚哨声水声通信信号帧结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
结合图1,本发明包括以下步骤:
发送端,
步骤1:选取海豚哨声信号样本sw(t),提取海豚哨声信号的时频谱轮廓曲线fw(t);
其中,u(t)为长度为T的矩形窗函数,定义为:
步骤5:对步骤4获得的基带信号mc(t)的结尾进行补零,使mc(t)的时长与所用的哨声信号时频谱轮廓fw(t)相等,获得信号m(t):
至此获得了二进制信息经过调制后的基带信号m(t)。但是,由于海豚哨声信号的频率随时间是连续变化的,但是如果ci≠ci+1时,基带信号m(t)会存在跳变点,如果直接将m(t)加到哨声信号时频谱上,会导致产生的合成哨声频率会存在跳变,降低合成哨声的仿生效果,因此需要对m(t)的跳变点进行处理,让其平滑过渡。
步骤6:对步骤5获得的信号m(t)的跳变点进行处理,让信号跳变处平滑过渡,获得处理后的平滑基带信号mw(t);
令mw(t)=m(t),当ci≠ci+1时,选取正弦信号的二分之一处理mw(t)的跳变点,公式如下:
对于结尾补零的部分,处理过程如下
其中,L为每个码元中过渡信号所占的时长,可设定为L=T/10。经过公式(4)和(5)的处理,基带信号mw(t)的跳变点可被消除。
步骤7:将步骤6处理后的基带信号mw(t)乘以频谱搬移量Δf后与步骤1提取的海豚哨声信号时频谱轮廓fw(t)相加,获得合成哨声时频谱fs(t):
fs(t)=mw(t)×Δf+fw(t)0<t≤Tw (6)
其中,Δf为频移键控FSK中每个码元信号频率与载波频率fc的频差绝对值,决定合成哨声频谱改变量大小,Δf越大,合成哨声频谱改变越大。
步骤8:基于步骤7获得的合成哨声时频谱fs(t),产生合成哨声ss(t):
步骤9:重复步骤3-8,对信源信息进行调制,获得一组合成哨声在合成哨声前添加步骤1所选取的海豚哨声sw(t),相邻哨声之间存在保护间隔,组成一帧仿哨声通信信号,送入水声信道。基于频移键控的仿海豚哨声水声通信信号帧结构如图2所示。
接收端,
步骤10:利用步骤1选取的海豚哨声信号sw(t)对接收信号进行同步,提取接收到的合成哨声rs(t);
步骤11:产生一个与步骤1提取的海豚哨声时频谱轮廓fw(t)相差固定频率fc的本地哨声频谱轮廓fl(t):
fl(t)=fw(t)-fc 0<t≤Tw (8)
其中,固定频率fc为最终频移键控信号载波频率。
步骤12:基于步骤11产生的本地哨声时频谱轮廓fl(t),产生本地哨声信号sl(t):
步骤13:将步骤10提取的接收合成哨声rs(t)与步骤12产生的本地哨声sl(t)相干相乘,经过低通滤波获得rFSK(t):
将接收到的合成哨声rs(t)与本地产生的哨声sl(t)相干相乘:
其中,A'(t)为接收到的合成哨声rs(t)的幅度。将公式(6)和(8)代入(10)可得
步骤14:提取步骤13获得的rFSK(t)的第i个码元ri(t),计算ri(t)在其两种可能的载波频率f1=fc+Δf和f2=fc-Δf上的能量Ei,1(t)和Ei,2(t):
以上所述,仅为本发明的一种具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限如此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或者替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内,具体保护范围应以权力要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种仿海豚哨声水声通信方法,其特征在于,包括以下步骤:
发送端:
步骤1:选取海豚哨声信号样本sw(t),提取海豚哨声信号的时频谱轮廓曲线fw(t);
步骤5:对步骤4获得的基带信号mc(t)的结尾进行补零,使mc(t)的时长与所用的哨声信号时频谱轮廓fw(t)相等,获得信号m(t);
步骤6:对步骤5获得的信号m(t)的跳变点进行处理,让信号跳变处平滑过渡,获得处理后的平滑基带信号mw(t);
步骤7:将步骤6处理后的基带信号mw(t)乘以频谱搬移量Δf后与步骤1提取的海豚哨声信号时频谱轮廓fw(t)相加,获得合成哨声时频谱fs(t);
步骤8:基于步骤7获得的合成哨声时频谱fs(t),产生合成哨声ss(t);
接收端:
步骤10:利用步骤1选取的海豚哨声信号sw(t)对接收信号进行同步,提取接收到的合成哨声rs(t);
步骤11:产生一个与步骤1提取的海豚哨声时频谱轮廓fw(t)相差固定频率fc的本地哨声频谱轮廓fl(t);
步骤12:基于步骤11产生的本地哨声时频谱轮廓fl(t),产生本地哨声信号sl(t);
步骤13:将步骤10提取的接收合成哨声rs(t)与步骤12产生的本地哨声sl(t)相干相乘,经过低通滤波获得rFSK(t);
步骤14:提取步骤13获得的rFSK(t)的第i个码元ri(t),计算ri(t)在其两种可能的载波频率f1=fc+Δf和f2=fc-Δf上的能量Ei,1(t)和Ei,2(t);
5.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声水声通信方法,其特征在于:步骤7所述合成哨声时频谱fs(t)为:
fs(t)=mw(t)×Δf+fw(t)
其中,Δf为频移键控FSK中每个码元信号频率与载波频率fc的频差绝对值,决定合成哨声频谱改变量大小。
7.根据权利要求1所述的一种仿海豚哨声水声通信方法,其特征在于:步骤11所述本地哨声频谱轮廓fl(t)为:
fl(t)=fw(t)-fc 0<t≤Tw
其中,固定频率fc为最终频移键控信号载波频率。
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