CN115037386A - 一种仿生通讯信号模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通讯信号技术领域，具体的说是一种仿生通讯信号模拟测试方法；通过在哨声信号时频轮廓的基础上，将原始的时频轮廓进行均匀划分为多个码元信号，使码元信号携带更多的信息，以此增大通信速率，并且在每段码元信号中利用时延或频偏方式进行调制信息，以此增大仿生通信信号的隐蔽性，并且通过皮尔森相关系数计算来验证时延调制方式和频偏调制方式的隐蔽性，和通过仿真信道从不同码元长度、频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数三个方面来验证实测水声信道所测得仿生通信信号性能分析结果，以确保时延调制方式和频偏调制方式的有效性。

Description

一种仿生通讯信号模拟测试方法

技术领域

本发明属于通讯信号技术领域，具体的说是一种仿生通讯信号模拟测试方法。

背景技术

通讯信号，又称通信信号，是指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行信息交流和传递；通信信号在陆地上一般采用电磁波作为信息的载体，而电磁波在水下环境哀耗很大，无法进行长距离通信，因此在水下通信时，常采用声音作为传播信息的载体；但是由于水声通信信道的开放性和不可靠性，水声通信信号容易被窃听者截获，甚至遭到各种攻击，因此如何保证通信的隐蔽性和安全性已然是水声通信中需要考虑的重要问题；传统隐蔽水声通信主要是低检测概率通信，发送端减小发送信号的发射功率，从而降低了信号的信噪比，使信号隐藏在海洋环境的背景噪声中，达到不易被检测的目的，但是当窃听者利用多阵元接收系统进行长时间积分时，依然可以检测到该通信信号，尤其当窃听者距离发射机较近时，通信信号的能量较为明显，因此，诞生了仿生隐蔽水声通信；

现有技术中的仿生隐蔽水声通信，通常是低识别概率通信，借助海洋生物叫声信号的仿生特性，使窃听者将仿生通信信号当作环境噪声并滤除，减小了通信信号被识别的概率，从而达到隐蔽水声通信的目的，并且仿生隐蔽水声通信可以以较大的信噪比进行发射，从而获得更远的通信距离,比如鲸目动物的哨声信号，由于哨声信号的频带相对较窄，具有良好的时频特性，因此可以利用鲸目动物的哨声信号作为信息的载体，将所要发送的信息加载到哨声信号的时频轮廓中；

然而当我们将哨声信号用于仿生隐蔽水声通信，在对哨声信号的时频轮廓进行构造时，会造成构造的时频轮廓与原始时频轮廓之间的相似度损失，且时频轮廓越复杂，构造效果越差，隐蔽性就越差；并且利用不同的原始哨声信号表征不同的信息，但是在这种方式中每个哨声信号仅代表一个码元，而哨声信号的持续时间较长，因此其通信速率慢。

鉴于此，本发明通过提出一种仿生通讯信号模拟测试方法，以解决上述技术问题。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，解决现有对构造哨声信号的时频轮廓时存在仿生性能损失且通信速率慢的技术问题，本发明提出一种仿生通讯信号模拟测试方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种仿生通讯信号模拟测试方法，包括以下步骤：

S1：首先在试验区水深约60m，发射端固定在船只上，其换能器入水深度约15m；而接收端固定在码头，其换能器入水深度约5m，收发节点通过杆子和绳子悬挂在水中，且收发节点相距约1km；

S2：然后取两份哨声信号的时频轮廓进行分段调制，其中一份调制方式是利用时延对信息序列进行表征，另一份调制方式是利用频偏对信息序列进行表征，以此作为对比组；接着使两份哨声信号分别从发射端发出，并且通过水声信道传递到接收端；

S3：接着等接收端接受信号后，对接受信号进行接解调处理，并且对时延调制方式和频偏调制方式从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三方面进行仿生通信信号性能数据分析；

S4：最后根据实测信道性能数据分析结果，从隐蔽性和通信速率这两个方面，进行比较时延调制方式和频偏调制方式之间的差异，并且通过仿真信道的方式对两种方式进行性能分析，以此验证实测水声信道与仿真信道的性能分析结果是否一致。

优选的，步骤S2中，所述时延调制方式或频偏调制方式的哨声信号，在仿生调制的过程中，仿生调制信号需要选择合适的频偏量大小,该频偏量大小根据多普勒频移公式运算可得知。

优选的，所述仿生调制信号在输入发送端时，与以原始哨声信号作为同步信号一同加入，并且在仿生调制信号与同步信号之间插入保护间隔，从而使保护间隔、仿生调制信号和原始哨声信号三者组成仿生通信信号，且所述保护间隔时长应满足最大多径时延与直达径时延之差。

优选的，步骤S3中，所述接收端接受信号后，先对接受信号进行预处理，然后再对接受信号分别进行信道估计与均衡、分段解调和译码等步骤。

优选的，所述接收端采用改进正交匹配追踪算法来进行信道估计处理，用以减少迭代的次数和解决实际中信道稀疏度未知的问题，且该算法估计结果的更新残差向量的平方应小于同步信号向量的平方与门限权重因子之积。

优选的，所述接收端采用虚拟时间反镜来进行信道均衡处理，用以增强主径信号的能量和提高解调的性能，其中所用的信道估计结果来自于采用改进正交匹配追踪算法测出的结果。

优选的，所述接收端分段解调过程中，时延调制的仿生信号在解调时需要对各时延子段上的能量进行补偿，而补偿系数是以能量最大的时延子段的能量为基准计算。

优选的，步骤S4中，所述仿生调制信号的隐蔽性通过皮尔森相关系数进行衡量，用以检测调制前后哨声信号时频轮廓的相似程度，且调制前后哨声信号时频轮廓越相似，则仿生调制信号的隐秘性越强。

优选的，所述仿真信道采用BELLHOP信道模型，并且分别利用IOMP算法和OMP算法对BELLHOP信道进行估计，以此来验证IOMP信道估计算法的实用性，并且在不同信噪比环境下逐一验证，使验证的结果更具有权威性。

优选的，所述仿真信道内，通过从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三个方面再次对时延调制方式或频偏调制方式的仿生通信信号进行分析，用以验证实测水声信道性能分析结果的准确性，且所述实测水声信道环境与仿真信道模拟环境相同，以排除相关环境因素所带来的影响。

本发明的有益效果如下：

1.本发明一种仿生通讯信号模拟测试方法，通过在哨声信号时频轮廓的基础上，将原始的时频轮廓进行均匀划分为多个码元信号，使码元信号携带更多的信息，以此增大通信速率，并且在每段码元信号中利用时延或频偏方式进行调制信息，以此增大仿生通信信号的隐蔽性。

2.本发明一种仿生通讯信号模拟测试方法，通过皮尔森相关系数计算来验证时延调制方式和频偏调制方式的隐蔽性，并且通过仿真信道从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数三个方面来验证实测水声信道所测得仿生通信信号性能分析结果，以确保时延调制方式和频偏调制方式的有效性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明仿生通讯信号模拟测试方法流程图；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明实施例通过提供一种仿生通讯信号模拟测试方法，解决现有对构造哨声信号的时频轮廓时存在仿生性能损失且通信速率慢的技术问题；

本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：通过在哨声信号时频轮廓的基础上，将原始的时频轮廓进行均匀划分为多个码元信号，以此增大通信速率，并且在每段码元信号中利用时延或频偏方式进行调制信息，以此增大仿生通信信号的隐蔽性，并且从不同码元长度、频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数三方面来分析时延调制方式与频偏调制方式之间的差异。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种仿生通讯信号模拟测试方法，包括以下步骤：

S1：首先在试验区水深约60m，发射端固定在船只上，其换能器入水深度约15m；而接收端固定在码头，其换能器入水深度约5m，收发节点通过杆子和绳子悬挂在水中，且收发节点相距约1km；

S2：然后取两份哨声信号的时频轮廓进行分段调制，其中一份调制方式是利用时延对信息序列进行表征，另一份调制方式是利用频偏对信息序列进行表征，以此作为对比组；接着使两份哨声信号分别从发射端发出，并且通过水声信道传递到接收端；

S3：接着等接收端接受信号后，对接受信号进行接解调处理，并且对时延调制方式和频偏调制方式从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三方面进行仿生通信信号性能数据分析；

S4：最后根据实测信道性能数据分析结果，从隐蔽性和通信速率这两个方面，进行比较时延调制方式和频偏调制方式之间的差异，并且通过仿真信道的方式对两种方式进行性能分析，以此验证实测水声信道与仿真信道的性能分析结果是否一致。

本实施例中，由原始时频轮廓构造的仿生信号与原始哨声信号之间会存在相似度损失，导致降低信号的隐蔽性，并且利用原始哨声信号表征信息，每个哨声信号只能表征一个码元，每个哨声信号的持续时间相对较长，导致这种方式的通信速率很低；而通过将哨声信号的原始时频轮廓进行逐个分段并调制表征信息，在哨声信号时频轮廓的基础上，将原始的时频轮廓进行均匀分成多个码元信号，以此使码元信号携带大量的信息，从而增大仿生通信信号的通信速率，并且在每段码元信号中利用时延或频偏方式进行调制信息表征，以下为本实测模拟测试将从时延调制方式和频偏调制方式对构造的仿生通信信号的隐蔽性和通信速率进行分析。

分段时频轮廓调制是指先对哨声信号的原始时频轮廓进行分段，然后在每个分段上调制不同的信息；其过程为：首先对原始哨声信号的时频轮廓均匀分成为K段，以此形成K个不同的码元信号，而每个码元信号的时长为T_sym＝T_whistle/K,T_whistle表示单个哨声信号的持续时间，然后对每段码元信号的时频轮廓上的信息序列进行调制处理。

而本实施例中采用时延或频偏对每段码元信号的时频轮廓上信息序列进行调制，其中关于时延调制方式：将每段码元信号的时频轮廓再次分成为M个时延子段，每个时延子段的持续时间为T₀＝T_sym/M，对第k段码元信号，k＝1，2，...,K,根据待调制的数据b_k得到相应的时延为：

τ_κ＝b_κT₀

根据公式计算的时延结果，第k段码元信号经过时延调制以后的频率为：

其中，f_whistle,k[n]表示第k段原始哨声信号的频率大小，f表示频率的搬移量。

同理关于频偏调制的分段时频轮廓：对第k段码元信号，k＝1,2,...,K，根据待调制的数据b_k得到相应的频偏量为：

Δf_k＝b_kΔf₀

由公式可得，第k段码元信号经过频偏调制以后的频率为：

f″_whistle，k[n]＝f_whistle，k[n]+b_kΔf₀，(k-1)T_sym＜n≤kT_sym

其中，f_whistle,k[n]表示第k段原始哨声信号的频率大小。

由时延调制或频偏调制的哨声信号均为仿生调制信号，发射端与接收端装置为声通机，而收发节点装置为水听器；而测试过程中，仿生调制信号和同步信号通过发射端和发送换能器发送信号，发送信号经过水声信号和相应的收发节点后，到达接收换能器和接收端，接收端先对接受信号进行预处理，接着对接受信号进行信道估计与均衡，分段解调和译码等步骤，得到时延调制或频偏调制的仿生调制信号。

本实例中，取两份哨声信号的时频轮廓进行分段调制，一份调制方式是利用时延对信息序列进行表征，另一份调制方式是利用频偏对信息序列进行表征，以此作为对比组；并且从不同原码长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数对这两种方式的仿生通信信号性能进行测试，从而分析在隐蔽性和通信速率方面上，延时调制与频偏调制之间的差异。

在实测水声信道下，不同原码长度T_sym对延时调制和频偏调制构成仿生通信信号性能的影响；基础设置条件：调制阶段M＝4，频偏量Δf和单位频偏量Δf₀均为200hz，码元信号k分别分成为4个、8个和16个，并且时延调制从未处理、能量补偿进行和能量补偿+VTRM三方面进行分析，而频偏调制从VTRM前和VTRM后两方面进行分析。

(a)

(b)

其中(a)为时延调制的仿生通信信号，(b)为频偏调制的仿生通信信号。

根据上述表格分析可知，在相同的信噪比下，随着码元长度不断增长，时延调制或频偏调制构成仿生通信信号的误比特率不断降低，而误比特率与通信性能成反比，因此通信性能得到提升；并且通过(a)和(b)可知，利用VTRM均衡技术可以有效地降低解调的误比特率，且随着信噪比越大，VTRM所造成的均衡效果更加显著；而通过比较(a)和(b)，且通过误比特率下降的幅度可知，频偏调制的性能要比时延调制的性能要显著，这是因为频偏调制的能量利用率要大于时延调制，并且随着信噪比增大，相同码元长度情况下，时延调制与频偏调制能量利用率差别越大；其原因：通过(a)可知，时延调制需要进行能量补偿处理，如果不进行能量补偿处理，随着信噪比的增大，时延调制的误比特率下降缓慢。

在实测水声信道下，不同频偏量Δf或单位频偏量Δf₀对延时调制和频偏调制构成仿生通信方法性能的影响；基础设置条件：调制阶数M＝4，码元信号分成8个，频偏量Δf或单位频偏量Δf₀划分为200hz、300hz和400hz，并且频偏量Δf从未处理、能量补偿进行和能量补偿+VTRM，而单位频偏量Δf₀从VTRM前和VTRM后两方面进行分析。

(a)

(b)

其中(a)为时延调制的仿生通信信号，(b)为频偏调制的仿生通信信号。

根据上述表格分析可知，在相同的信噪比下，随着频偏量或单位频偏量的不断增长，时延调制或频偏调制构成仿生通信信号的误比特率不断降低，而误比特率与通信性能成反比，因此通信性能得到提升；并且通过(a)和(b)可知，利用VTRM均衡技术可以有效地降低解调的误比特率，且随着信噪比越大，VTRM所造成的均衡效果更加显著；而通过比较(a)和(b)，且通过误比特率下降的幅度可知，频偏调制的性能要比时延调制的性能要显著，这是因为频偏调制的能量利用率要大于时延调制，并且随着信噪比增大，相同码元长度情况下，时延调制与频偏调制能量利用率差别越大；其原因：通过(a)可知，时延调制需要进行能量补偿处理，如果不进行能量补偿处理，随着信噪比的增大，时延调制的误比特率下降缓慢。

在实测水声信道下，不同调制阶数M对延时分段调制和频偏分段调制构成仿生通信方法性能的影响；基础设置条件：码元信号分成8个，表征时延的频偏量Δf或单位频偏量Δf₀均为200hz，调制阶数M分别取2、4和8，并且时延分段调制从未处理、能量补偿进行和能量补偿+VTRM，而频偏分段调制从VTRM前和VTRM后两方面进行分析。

(a)

(b)

其中(a)为时延调制的仿生通信信号，(b)为频偏调制的仿生通信信号。

根据上述表格分析可知，在相同的信噪比下，随着调制阶数的增大，时延调制或频偏调制构成仿生通信信号的误比特率不断升高，而误比特率与通信性能成反比，因此通信性能得到降低；并且通过(a)和(b)可知，利用VTRM均衡技术可以有效地缓解解调的误比特率上升，且随着信噪比越大，VTRM所造成的均衡效果更加显著；而通过比较(a)和(b)，且通过误比特率上升的幅度可知，频偏调制的能量利用率要大于时延调制，并且随着信噪比增大，相同码元长度情况下，频偏调制受到的影响程度小于时延调制；其原因：通过(a)可知，时延调制需要进行能量补偿处理，如果不进行能量补偿处理，随着信噪比的增大，时延调制的误比特率下降缓慢。

综上，时延调制的隐蔽性比频偏调制的强，但是频偏调制的通信速率要比时延调制的钱，这是因为时延调制所使用信号的能量仅为相应时延子段信号的能量，虽然信号能量利用率低于频偏调制，但是隐蔽性提高；而频偏调制是利用整段信号的能量表征，虽然通信速率高，但是为了表达多个信息，需要将原始频率搬移至多个频段，造成隐蔽性降低。

步骤S2中，所述时延调制方式或频偏调制方式的哨声信号，在仿生调制的过程中，仿生调制信号需要选择合适的频偏量大小。

在实测水声通信中，由于水流的波动和收接节点的运动，导致通信信号产生多普勒频移，从而影响接收端解调仿生通信信号的性能，因此在时延或者频偏调制时，需要设置合适的频偏量，以此来消除水流波动和收接节点运动所带来的影响；根据多普勒频移公式可得：

其中，v为接收端相对发送端的运动速度，c为声音的传播速度，f_s为发送信号的频率大小。

频率搬移量f应满足：

Δf＞f_d时延调制后的仿生调制信号为：

其中，a[n]表示哨声信号随时间而变化的包络大小，f’_whistle[i]表示基于分段时频轮廓时延调的频率大小，f_s表示离散信号的采样率。

频偏调制后的仿生调制信号为:

其中，a[n]表示哨声信号随时间而变化的包络大小，f”_whistle[i]表示基于分段时频轮廓时延调的频率大小，f_s表示离散信号的采样率。

进一步，所述仿生调制信号在输入发送端时，与以原始哨声信号作为同步信号一同加入，并且在仿生调制信号与同步信号之间插入保护间隔，从而使保护间隔、仿生调制信号和原始哨声信号三者组成仿生通信信号。

由于原始哨声信号具有良好的自相关特性，以原始哨声信号作为同步信号，进一步地提高发送信号的隐蔽性；并且在同步信号与仿生调制信号之间加入保护间隔，减少多径效应对仿生调制信号造成干扰，进而影响接受信号解调的结果；而保护间隔的时长T_protect应满足：

T_protect＞t_max-t₀

其中，t_max表示最大多径时延，t_o表示直达径时延。

步骤S3中，所述接收端接受信号后，先对接受信号进行预处理，然后再对接受信号分别进行信道估计与均衡、分段解调和译码等步骤。

由于原始哨声信号并非恒包络信号，具有变化性，并且每段的码元信号能量具有差异性，因此仿生调制信号从发射端发出，经过水声信道到达接收端时，码元信号可能出现多径传播现象，在接收端处，能量较大的码元信号可能会干扰能量较小的码元信号；

为了缓解多径效应的影响，在接收端采用基于改进正交匹配追踪(IOMP)的虚拟时间反转镜(VTRM)技术的信道均衡，利用IOMP算法对信道进行估计，并将估计的结果用于VTRM均衡。

进一步，所述接收端采用改进正交匹配追踪算法来进行信道估计处理，用以减少迭代的次数和解决实际中信道稀疏度未知的问题。

由于实际信道的稀疏度处于未知情况，因此若利用OMP算法估计信道，迭代次数取决于信道的稀疏度，迭代的次数会取决于信道的有效长度，从而造成大量不必要的计算；因此通过IOMP算法的弱选择和设置残差门限，解决了上述问题，减少信道估计的迭代次数，进而降低计算复杂度；

假设水声信道的冲激响应向量为：h_c＝[h_c[0],hc[1],...,hc[L-1]]，L为水声信道的有效长度，接收到的同步信号向量为r_syn，因此IOMP估计模型为：

r_syn＝Φh_c+ζ

其中，h_c为L×1维列向量，具有稀疏特性，r_syn为T_whistle×1维列向量，噪声向量

为T_whistle×1维列向量，字典矩阵Φ为T_whistle×L维矩阵，T_whistle<<L，且有：

将接收到的同步信号向量r_syn与字典矩阵Φ中的每一列分别作内积，得到每一列的贡献指数ζ为：

根据式(3.13)得到最大的贡献指数ξ_max＝max{ξ₁,ξ₂,...,ξ_Twhistle}，选择贡献指数中ξ_t1>κ₁ξ_max的向量，κ₁为弱选择权重因子，0<κ₁≤1，将对应的时延和向量扩展到时延集τ和支撑集ψ重，然后利用最小二乘法对信道的幅度进行估计，即：

最后根据公式估计的结果更新残差向量：

若残差||σ||₂＜κ₂||r_syn||₂，κ₂为门限权重因子，0<κ₂≤1，则停止迭代；否则继续重复上述步骤。

根据IOMP算法得到信道幅度估计结果h_cj和时延集τ_j，对幅度估计结果归一化处理，并将幅度小于0.1的估计结果进行剔除，即可得到估计信道的冲激响应

α_j和τ_j分别为第j条多径的响应幅度和时延，J为多径的数量。

IOMP算法通过弱选择可以在每次迭代中求出多个弱匹配向量，减少了迭代的次数，同时利用残差门限作为迭代结束的条件，解决了实际中信道稀疏度未知的问题。

进一步，所述接收端采用虚拟时间反镜来进行信道均衡处理，用以增强主径信号的能量和提高解调的性能。

虚拟时间反转镜技术将信道估计结果在时间反转后与接收到的信号做卷积，虚拟地实现了时间反转镜；其过程为：对IOMP算法估计的信道结果做时间反转处理，得到估计信道的时间反转结果为

并将接收到的仿生调制信号r_modulation,o[n]与时间反转后的估计信道

进行卷积运算，有：

其中，S_modulation[n]为发送端发送的仿生调制信号，

为水声信道中的加性噪声，

表示虚拟时间反转信道，*表示卷积运算。

是真实水声信道

与估计水声信道

的互相关函数；水声信道的估计结果

越准确，即

与真实水声信道

越接近，既包含了主径的能量，又汇聚了其它多径信号的能量，从而利用多径信号对主径信号的能量进行增强；使虚拟时间反转镜技术可以利用多径信号有效地增强主径信号的能量，以此提高接受信号解调的性能。

进一步，所述接收端分段解调过程中，所述接收端分段解调过程中，时延调制的仿生信号在解调时需要对各时延子段上的能量进行补偿。

由于哨声信号不是恒包络信号，各个时延子段上信号的能量具有差异性，因此在解调时需要对各时延子段上的能量进行补偿；由原始哨声信号求得每个时延子段信号的能量分别为e＝{e₁,e₂,...,e_m}，以能量最大的时延子段的能量为基准计算补偿系数，即：

其中，e_max＝max{e₁,e₂,...,e_m}，它表示该段码元信号重能量最大的时延子段的能量。根据公式计算得到该段信号的补偿系数为c＝{c₁,c₂,...,c_m}，然后将每个时延子段信号的能量分别乘上相应的能量补偿系数，完成能量补偿。

步骤S4中，所述仿生调制信号的隐蔽性通过皮尔森相关系数进行衡量，用以检测调制前后哨声信号时频轮廓的相似程度。

皮尔森相关系数(PCC)常用于比较两个数据集之间的相似程度，利用PCC比较调制前后哨声信号时频轮廓的相似程度，两者越相似，则调制信号的仿生性越好，进而仿生调制信号的隐蔽性越强。

假设调制前原始哨声信号的时频轮廓的采样点集为

调制后仿生调制信号的时频轮廓的采样点集合为

I为集合重采样点的个数，则调制前后f_whistle和f′_whistle的PCC为：

其中，

是调制前原始哨声信号各采样时刻频率大小的平均值，

是调制后仿生调制信号各采样时刻频率大小的平均值；如果皮尔森相关系数ρ_f越接近于1，那么仿生调制信号与原始哨声信号越相似，隐蔽效果越好；反Δf之，如果皮尔森相关系数ρ_f越接近于0，那么仿生调制信号与原始哨声信号的差异越大，隐蔽效果越差。

而分段时频轮廓的哨声信号的隐蔽性主要受频偏量Δf以及频偏时间比γ的影响；定义信号频偏持续时间T_Δf与整段哨声信号持续时间T_whistle之比，即：

当皮尔森相关系数ρ_f随频偏量Δf变化时，每个码元信号的持续时间T_sym为整段哨声信号持续时间T_whistle的1/16(约0.033s)，频偏时间比γ＝0.5，将频偏的大小从0Hz开始；根据以下表格数据分析，随着频偏量Δf的不断增大，皮尔森相关系数ρ_f逐渐减小，且下降趋势越来越快，当频偏量Δf达到1kHz时，皮尔森相关系数ρ_f依然趋近于1，表明仿生调制信号隐蔽性良好。

当皮尔森相关系数ρ_f随频偏时间比γ变化时，码元信号的持续时间T_sym为哨声信号持续时间T_whistle的1/16(约0.033s)，频偏量Δf＝200Hz，分别设置频偏时间比的大小为0、1/64、1/32、1/16、1/8、1/4和1/2；根据以下表格数据分析，随着频偏时间比γ的不断增大，皮尔森相关系数ρ_f逐渐减小；当频偏时间比γ＝0.5时，皮尔森相关系数ρ_f依然趋近于1，表明仿生调制信号隐蔽性良好。

因此综上所述，时延调制或频偏调制的仿生调制信号，相比较于原始哨声信号均有良好的隐蔽性，且比较频偏量Δf和频偏时间比γ，频偏量Δf受到的影响大于频偏时间比γ。

进一步，所述仿真信道采用BELLHOP信道模型，并且分别利用IOMP算法和OMP算法对BELLHOP信道进行估计，以此来验证IOMP信道估计算法的实用性。

BELLHOP信道模型是由M.Porter提出的一种用于预测海洋环境中声压场的波束跟踪模型，通过设置海洋环境的参数，即可获得声线路径、传输损耗和多径情况等信息；

BELLHOP信道模型参数设置

由于已知到达径数量为10条，因此设置最大迭代次数为20，门限权重因子K₂＝0.1，然后比较IOMP和OMP的估计结果的MSE。

通过分析上述表格可知，OMP算法由于信道的稀疏度未知，该算法会一直迭代到允许迭代的最大次数,而IOMP算法通过设置弱选择和残差门限，在迭代过程中只要残差低于门限值，迭代过程就会终止，进而解决因稀疏度未知而出现一直迭代的问题。

进一步，所述仿真信道内，通过从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三个方面再次对时延调制方式或频偏调制方式的仿生通信信号进行分析，用以验证实测水声信道性能分析结果的准确性。

在仿真信道内，分析不同码元长度T_sym对两种方式的仿生通信信号的影响程度,基础设置的条件跟上述实测水道信道一样；

不同码元长度下仿真参数

根据表格数据可知，码元信号长度分别为4个、8个和16个，其仿生通信的通信速率分别为14.29bps、30.20bps和60.40bps，两种仿生通信方法的PCC均趋近于1，说明隐蔽性均良好，但是随着码元信号长度的减小，时延调制方式的PCC变化幅度小，而频偏调制方式的PCC变化幅度大，说明码元长度划分对时延调制的隐蔽性影响力小，而对频偏调制的隐蔽性影响力大。

在仿真信道内，分析不同频偏量Δf或单位频偏量Δf₀对两种方式的仿生通信信号的影响程度，基础设置的条件跟上述实测水道信道一样；

不同频偏下仿真参数

根据表格数据可知，两种仿生通信方法的PCC均趋近于1，说明隐蔽性均良好，但是随着频偏量或单位频偏量逐渐增大，时延调制方式的PCC变化幅度小，而频偏调制方式的PCC变化幅度大，比较两种仿生通信方法，时延调制方式的PCC大于频偏调制方式的PCC，且受频偏量变化的影响相对较小。

在仿真信道内，分析不同调制阶数M对两种方式的仿生通信信号的影响程度，基础设置的条件跟上述实测水道信道一样基础设置的条件跟上述实测水道信道一样：

不同调制阶数下仿真参数

根据表格数据可知，随着调制阶数的不断增大，相应的通信速率越高，时延调制方式的PCC逐渐增大，而频偏调制方式的PCC逐渐减小，频偏量变化对隐蔽性的影响大于频偏时间比变化带来的影响，时延调制受到调制阶数变动幅度较小，而频偏调制受到调制阶数变动幅度较大。

综上所述，在实测水道信道测试的性能分析数据结果与在仿真信道测试的性能分析数据结果基本一致。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：首先在试验区水深约60m，发射端固定在船只上，其换能器入水深度约15m；而接收端固定在码头，其换能器入水深度约5m，收发节点通过杆子和绳子悬挂在水中，且收发节点相距约1km；

S2：然后取两份哨声信号的时频轮廓进行分段调制，其中一份调制方式是利用时延对信息序列进行表征，另一份调制方式是利用频偏对信息序列进行表征，以此作为对比组；接着使两份哨声信号分别从发射端发出，并且通过水声信道传递到接收端；

S3：接着等接收端接受信号后，对接受信号进行接解调处理，并且对时延调制方式和频偏调制方式从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三方面进行仿生通信信号性能数据分析；

S4：最后根据实测信道性能数据分析结果，从隐蔽性和通信速率这两个方面，进行比较时延调制方式和频偏调制方式之间的差异，并且通过仿真信道的方式对两种方式进行性能分析，以此验证实测水声信道与仿真信道的性能分析结果是否一致。

2.根据权利要求1所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：步骤S2中，所述时延调制方式或频偏调制方式的哨声信号，在仿生调制的过程中，仿生调制信号需要选择合适的频偏量大小。

3.根据权利要求2所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述仿生调制信号在输入发送端时，与以原始哨声信号作为同步信号一同加入，并且在仿生调制信号与同步信号之间插入保护间隔，从而使保护间隔、仿生调制信号和原始哨声信号三者组成仿生通信信号。

4.根据权利要求1所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：步骤S3中，所述接收端接受信号后，先对接受信号进行预处理，然后再对接受信号分别进行信道估计与均衡、分段解调和译码等步骤。

5.根据权利要求4所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述接收端采用改进正交匹配追踪算法来进行信道估计处理，用以减少迭代的次数和解决实际中信道稀疏度未知的问题。

6.根据权利要求5所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述接收端采用虚拟时间反镜来进行信道均衡处理，用以增强主径信号的能量和提高解调的性能。

7.根据权利要求6所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述接收端分段解调过程中，时延调制的仿生信号在解调时需要对各时延子段上的能量进行补偿。

8.根据权利要求1所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：步骤S4中，所述仿生调制信号的隐蔽性通过皮尔森相关系数进行衡量，用以检测调制前后哨声信号时频轮廓的相似程度。

9.根据权利要求8所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述仿真信道采用BELLHOP信道模型，并且分别利用IOMP算法和OMP算法对BELLHOP信道进行估计，以此来验证IOMP信道估计算法的实用性。

10.根据权利要求9所述一种仿生通讯信号模拟测试方法，其特征在于：所述仿真信道内，通过从不同码元长度、不同频偏量(或单位频偏量)和不同调制阶数等三个方面再次对时延调制方式或频偏调制方式的仿生通信信号进行分析，用以验证实测水声信道性能分析结果的准确性。

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