專利名稱：一種淺海遠程水平信道水聲通信方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種淺海遠程水平信道水聲通信方法，更具體地說，是涉及一種用于淺海遠程水平信道水聲通信中的一種調(diào)制解調(diào)方法，屬于水聲通信技術領域。
背景技術：
水聲通信系統(tǒng)，按通信距離一般分為短程(＜1公里)，中程(1-20公里)和遠程(20-200公里)；按信道特點可分為水平通信和垂直通信及淺海通信和深海通信；按通信調(diào)制解調(diào)技術可分為非相干通信和相干通信。
水聲通信正處于發(fā)展階段。對于淺海遠程水平信道水聲通信而言，由于信號衰減很大，多徑干擾嚴重，因此傳輸誤碼率很高。其中影響最為嚴重的是多徑干擾。解決多徑干擾問題有兩種途徑一是通過分集技術，收發(fā)信機可以采用水聲換能器陣方式實現(xiàn)空間分集，另外還可以采用束波方式實現(xiàn)分集發(fā)射和接收；二是通過選擇抗多徑的調(diào)制解調(diào)方案，如正交頻分復用調(diào)制(OFDM)技術或擴頻調(diào)制技術。OFDM技術抗多徑能力是目前效果最理想的，但是OFDM自身的缺點并不適合淺海遠程水平信道水聲通信；由于淺海遠程水平信道信號衰減非常大，這就要求發(fā)信機使用較大的發(fā)射功率，但是OFDM的信號峰均比(PAPR)很大，如果增大信號發(fā)射功率就對水聲換能器的線性放大范圍要求非常苛刻；此外，OFDM抗多徑能力大小依賴于子載波數(shù)目的多少，子載波數(shù)目決定了水聲信道頻帶范圍。但是海水對水聲的吸收系數(shù)隨頻率提高迅速增加，因此淺海遠程水平信道水聲通信頻率大多在15KHz以下，所以在淺海遠程水平信道水聲通信中不適用OFDM調(diào)制技術。對于擴頻通信而言，一方面只要選用合適的射頻調(diào)制，就可以解決在OFDM中存在的PAPR大的問題。另一方面如果遠程水聲通信的速率要求不高，可以通過靈活調(diào)整處理增益大小實現(xiàn)抗多徑干擾目的。因此選擇擴頻通信，并在此基礎上選擇適合淺海遠程水平信道的射頻調(diào)制方式是可以實現(xiàn)淺海遠程水平信道水聲通信低誤碼傳輸?shù)摹?br> 水聲通信射頻調(diào)制方式發(fā)展至今，研究的熱點仍舊集中在PSK上，然而不論是BPSK、QPSK信號，其碼元交替處載波相位都會發(fā)生突變，導致頻譜旁瓣很大。經(jīng)過水聲信道帶寬嚴重受限傳輸，信號包絡不再保持恒定。再經(jīng)非線性電路(水聲換能器)，會使頻譜擴展。從而嚴重影響水聲通信質(zhì)量。OQPSK雖然有所改進(消除180度相位突變)，但還是沒有從根本上解決包絡起伏問題。因此需要一種好的射頻調(diào)制方式來配合擴頻通信實現(xiàn)性能較好的淺海遠程水平信道水聲通信。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點和不足，采用最小頻移鍵控(MSK)射頻調(diào)制與擴頻相結(jié)合方式，提供一種適合淺海遠程水平信道水聲通信的通信方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明提供了一種淺海遠程水平信道水聲通信方法，包括如下步驟(1)在通信發(fā)信機端，有用PN碼與信源信號直接模2加的直接序列擴頻調(diào)制步驟；(2)在通信發(fā)信機端，將(1)中得到的擴頻信號用MSK射頻調(diào)制以適應淺海遠程水平水聲信道特點；(3)在通信收信機端，有同步后，用本地PN碼經(jīng)本地MSK調(diào)制，進行相干解擴，將解擴信號低通濾波實現(xiàn)解調(diào)的步驟，從而實現(xiàn)了高性能傳輸。
在步驟(1)中通過設計擴頻處理增益使得多徑時延滿足時延差條件。即0＜(τi-τ0)＜(N-1)Tc。式中(τi-τ0)是時延差，Tc是擴頻碼片周期。當滿足這一條件時，多徑干擾對接收端影響很小或起增強作用。
在步驟(2)中，對擴頻信號進行MSK調(diào)制，使MSK的載波為15KHz。送到發(fā)信機傳輸。調(diào)制過程如下SMSK(t)=Acos[2πfc+φ(t)]]]>=Acos[2πfct+πmkt2Tc+φk]]]>為保證信號正交要求Δf＝f2-f1＝1/2Tc，相位連續(xù)要求φk=φk-1+(mk-1-mk)kπ/2=φk-1mk=mk-1φk±kπmk≠mk-1]]>可見，φk不僅與此時的輸入有關，還與上一時刻的相位有關。不失一般性，設初始相位為0，則MSK信號改寫為正交幅度鍵控形式，即SMSK=Acos[2πfct+φ(t)]]]>=Acosφkcosπt2Tccos2πfct-Amkcosφksinπt2Tcsin2πfct]]>式中fc為載頻。
在步驟(3)中，由于遠程水聲通信使得信號能量衰減很大，因此在解調(diào)信號之前選擇先進行解擴處理集中能量是必須的。所以在接收端同步后進行相干解擴，得到解擴信號。而對于相干解擴后的信號只需取低頻分量就可恢復信源數(shù)據(jù)。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點1、本發(fā)明克服了遠程水聲信道多徑干擾；2、降低了遠程水聲通信系統(tǒng)誤碼率；3、提高了頻譜利用率；4、解決了相位突變和PAPR大問題；5、可以靈活調(diào)整擴頻處理增益與通信速率關系；6、提高了水聲通信的保密性。


圖1為淺海遠程水平信道水聲通信方法原理框圖；(a)發(fā)信機原理框圖；(b)收信機原理框圖；圖2為淺海遠程水平信道水聲通信方法擴頻調(diào)制過程仿真圖；(a)信源信號；(b)已調(diào)擴頻信號；(c)信源信號對應頻譜；(d)擴頻后信號對應頻譜；圖3為淺海遠程水平信道水聲通信方法MSK調(diào)制仿真圖；(a)擴頻后信號經(jīng)MSK調(diào)制信號；(b)二元相移鍵控(BPSK)頻譜；(c)MSK信號頻譜；圖4為淺海遠程水平信道水聲通信方法在理想信道中仿真圖；
(a)信源信號；(b)收信機解擴后信號；(c)收信機解調(diào)后信號；圖5為淺海遠程水平信道水聲通信方法在模擬水聲信道條件下仿真圖。
(a)信源信號；(b)收信機解擴后信號；(c)收信機解調(diào)后信號；(d)收信機進行信號重建后信號。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1(a)所示，信源信號與PN序列模2加實現(xiàn)擴頻調(diào)制。再將此擴頻調(diào)制信號經(jīng)過MSK調(diào)制，形成射頻發(fā)射信號。圖(b)給出了收信機原理框圖，接收到的信號提取同步后，將同步信號分別送至本地PN碼發(fā)生器和本地MSK調(diào)制器，實現(xiàn)本地PN碼同步和載波同步。將本地PN碼經(jīng)過本地MSK調(diào)制，與接收信號相干解擴。再將同步信號送至低通濾波器，解擴信號經(jīng)低通濾波實現(xiàn)解調(diào)后信號輸出就得到了所要的接收信息。擴頻通信參數(shù)是根據(jù)具體淺海遠程水平水聲信道實際情況來選擇的。不失一般性，本發(fā)明利用已有的實測數(shù)據(jù)進行仿真。這里取多徑時延差(τi-τ0)≤10ms。一般為7ms或8ms。并考慮到擴頻碼片寬度Tc應該是信息速率Ta的整數(shù)倍。故取碼片速率Rc＝10k bit/s。處理增益Gp＝100，滿足0＜(τi-τ0)＜(N-1)Tc。對應的特征多項式f(x)＝1+x3+x7，周期N＝127。如圖2所示，圖(a)所示信源信號經(jīng)擴頻調(diào)制得到圖(b)所示已調(diào)擴頻信號。對比圖(c)信源信號頻譜和圖(d)擴頻后信號頻譜，可以看出，經(jīng)擴頻調(diào)制后的信源信號頻譜大大擴展，在這種低功率普密度條件下通信可以提高通信的保密性。
在擴頻調(diào)制之后，為適應淺海遠程水平水聲信道特點，要對擴頻已調(diào)信號進行射頻MSK調(diào)制，如步驟(2)，采用正交幅度鍵控形式即SMSK=Acos[2πfct+φ(t)]]]>=Acosφkcosπt2Tccos2πfct-Amkcosφksinπt2Tcsin2πfct]]>如圖3所示，已調(diào)信號波形如圖(a)，通過比較圖(b)BPSK信號頻譜和圖(c)MSK信號頻譜，可以看出，MSK比BPSK能量更集中，旁瓣泄露更小。
經(jīng)過擴頻調(diào)制和射頻MSK調(diào)制后，將信號放入淺海遠程水平水聲信道中傳輸，如圖4所示，在理想信道條件下，圖(a)信源信號經(jīng)擴頻和MSK調(diào)制得到射頻信號，在收信機端經(jīng)解擴得到如圖(b)所示解擴信號。再經(jīng)低通濾波得到收信機輸出如圖(c)所示。對比圖(a)和(c)，可以看出沒有誤碼。為真實模擬水聲信道，本發(fā)明取多徑為13條的衰落信道模擬水聲信道。
有多徑干擾的信號經(jīng)傳輸?shù)绞招艡C。下面結(jié)合圖5及信號分析說明本發(fā)明在多徑干擾條件下通信過程。
設信源產(chǎn)生的信號為a(t)，碼元速率為Ra，碼元寬度為Ta，如圖(a)所示，有a(t)=Σn=0∞anga(t-nTa)]]>式中an為信息碼，以概率p取+1，則以概率1-p取-1，即
ga(t)為門函數(shù)。
偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的PN碼為c(t)，速率為Rc，寬度為Tc，Tc＝1/RC，則有c(t)=Σn=0N-1cngc(t-nTc)]]>式中cn為隨機碼元取+1或-1；gc(t)為門函數(shù)。
模2相加或相乘的過程在二進制條件下是等價的。由于PN碼速Rc要比信息速率Ra大得多，一般是整數(shù)倍關系，所以擴展頻譜后的序列速率仍為偽隨機序列速率Rc。用此擴展后的序列去調(diào)制載波，將信號搬移到載頻上去。原則上此種擴頻方法的調(diào)制可以用任何一種方式。取樣后設a(t)c(t)＝mk，當采用MSK方式時，調(diào)制后信號為SMSK(t)=Acos[2πfc+φ(t)]]]>=Acos[2πfct+πmkt2Tc+φk]]]>為保證信號正交要求Δf＝f2-f1＝1/2Tc，相位連續(xù)要求φk=φk-1+(mk-1-mk)kπ/2=φk-1mk=mk-1φk±kπmk≠mk-1]]>可見，φk不僅與此時的輸入有關，還與上一時刻的相位有關。不失一般性，設初始相位為0，則MSK信號改寫為正交幅度鍵控形式，即SMSK=Acos[2πfct+φ(t)]]]>=Acosφkcosπt2Tccos2πfct-Amkcosφksinπt2Tcsin2πfct]]>
式中fc為載頻。
收信機接收到信號是有用信號sI(t)、信道噪聲nI(t)、干擾信號JI(t)即收到經(jīng)混頻后的信號為rI(t)＝sI(t)+nI(t)+JI(t)如果本地接收擴頻碼為c′(t)，當同步時c(t)＝c′(t)，將c(t)經(jīng)MSK調(diào)制得SMSK′=Acosφkcosπt2Tccos2πfct-Ackcosφksinπt2Tcsin2πfct]]>代入接收信號得rI(t)＝sI(t)S′MSK+nI(t)S′MSK+JI(t)S′MSK得到的信號就是解擴信號，如圖(b)所示。對上式中求和的三部分進行分析，第一項sI′(t)＝sI(t)S′MSK式中c(t)c(t)＝1，則原式經(jīng)過取低通可以化簡為sI′(t)＝akA2cos2φk此信號為解調(diào)信號，如圖(c)所示。通過判決再生就得到了要傳輸?shù)男盘朼(t)。如圖(d)。
對于第二項和第三項，由于干擾和噪聲與c(t)不相關并且擴頻后功率譜密度降低，因此能夠通過帶通濾波器的信號很少。從而使噪聲和干擾大大降低，實現(xiàn)了遠程水聲通信。
為了舉例說明本發(fā)明的實現(xiàn)，描述了上述的具體實施例，但本發(fā)明的其它變化和修改，對本領域技術人員是顯而易見的，在本發(fā)明所公開內(nèi)容的實質(zhì)和基本原則范圍內(nèi)的人和修改或效仿變換，都屬于本發(fā)明的權利保護范圍。
權利要求
1.一種淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于包括如下步驟(1)在通信發(fā)信機端，有用PN碼與信源信號直接模2加的直接序列擴頻調(diào)制步驟；(2)在通信發(fā)信機端，將(1)中得到的擴頻信號用MSK射頻調(diào)制以適應淺海遠程水平水聲信道特點；(3)在通信收信機端，有同步后，用本地PN碼經(jīng)本地MSK調(diào)制，進行相干解擴，將解擴信號低通濾波實現(xiàn)解調(diào)的步驟。
2.根據(jù)權利要求1所述的淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于發(fā)信機有采用擴頻調(diào)制步驟，從而有效抗多徑和噪聲干擾。
3.根據(jù)權利要求1所述的淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于采用MSK調(diào)制方式使得傳輸信號恒包絡，避免了包絡不恒定使得信號PAPR大的問題，從而降低了對水聲換能器要求。
4.根據(jù)權利要求3所述的淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于采用MSK調(diào)制方式使得傳輸信號無相位突變，不會在帶寬嚴重受限的淺海遠程水平水聲信道傳輸過程中造成非線性失真。
5.根據(jù)權利要求3所述的淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于MSK占用帶寬較FSK小，適合在帶寬受限的水聲信道條件下提高通信速率。
6.根據(jù)權利要求1所述的淺海遠程水平信道水聲通信方法，其特征在于在接收端采取先解擴再解調(diào)的相干解擴解調(diào)步驟，從而使衰減嚴重的信號能量先集中起來，再經(jīng)低通濾波得到無誤碼信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種淺海遠程水平信道水聲通信方法，屬于水聲通信技術領域，在發(fā)信機端采用擴頻通信抗多徑干擾，用連續(xù)相位頻移鍵控(CPFSK)的調(diào)制方式中頻率利用率最高的MSK方式解決包絡恒定和相位突變問題。使得本發(fā)明非常適合遠淺海程水平水聲信道特點。在收信機端采用相干解擴再低通解調(diào)方式，實現(xiàn)了高性能傳輸。本發(fā)明主要優(yōu)點有一方面擴頻通信在解決多徑問題上效果很好；另一方面MSK本身具有很好的頻譜特征，適合水聲信道。
文檔編號H04B1/69GK101079674SQ20071009869
公開日2007年11月28日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權日2007年4月25日
發(fā)明者朱剛, 王九九 申請人:北京交通大學