專利名稱：一種適合移動平臺的被動時反水聲通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲通信領(lǐng)域，主要是一種適合移動平臺的被動時反水聲通信方 法。
背景技術(shù)：
在水聲信道中，由于受界面(海底、海面)反射的影響，信道多途擴展十分嚴(yán) 重，尤其是在淺海，多途擴展有時可能達到上百毫秒，多途擴展產(chǎn)生的碼間干擾是水聲 通信的主要障礙之一。時間反轉(zhuǎn)(簡稱時反)處理技術(shù)是近年來發(fā)展的一種克服水聲通信中多途引起 碼間干擾的有效手段。根據(jù)硬件配置和數(shù)據(jù)流方向的不同，時間反轉(zhuǎn)技術(shù)可分為主動時 反技術(shù)和被動時反技術(shù)兩大類。主動時反技術(shù)需要一個發(fā)射聲源和一條收發(fā)合置的多元 陣，多元陣收到聲源發(fā)射的信號后時間反轉(zhuǎn)重發(fā)出去，聲場可在聲源位置聚焦，信號在 往返傳輸過程實現(xiàn)了聲信道傳遞函數(shù)的自相關(guān)，相關(guān)峰可視為“單峰的”，其主峰幅度 明顯高于旁瓣，這相當(dāng)于信道多途擴展被壓縮。被動時反處理與主動時反處理的原理相 同，它利用接收到的探針信號構(gòu)造一前置預(yù)處理器，修正后續(xù)有用信號，以克服多途引 起的碼間干擾。主動時反為雙向傳輸，陣元需要收發(fā)合置，增加了通信等待時間和系統(tǒng) 復(fù)雜性，而被動時反是單向傳輸，陣元只需接收功能，減少了系統(tǒng)復(fù)雜性。為了提高被動時反通信系統(tǒng)在復(fù)雜信道中的穩(wěn)健性，一般需要增加接收陣的孔 徑，接收陣元數(shù)量越多，抑制碼間干擾的效果越好，但是陣處理的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性高，難以 滿足一些結(jié)構(gòu)緊湊的應(yīng)用場合，例如自主式水下航行器等小尺寸移動平臺。經(jīng)過檢索與本發(fā)明相關(guān)的文獻包括Paul Hursky, Michael B.Porter and Martin Siderius， "Point-to-point underwateracoustic communications using spread-spectrum passive phase conjugation” , Journalof Acoustical society of America, 120 (1)，2006 (以下稱文獻 1)。Τ.C.Yanga， Wen-Bin Yang , “ Performation analysis of direct-sequencespread-spectrum underwater acoustic communications with low signal-to-noise-ratioinput signals”， Journal of Acoustical society of America, 123(2), 2008 (以下稱文獻2)。殷敬偉，王逸林等，“一種移動水聲通信方法”，中國專利公開號CN 101534156A, 2009.09 (以下稱發(fā)明 1)。文獻1和文獻2研究基于單水聽器的被動時反擴頻通信方法，發(fā)明1提出基于單 水聽器的被動時反處理的水下空分多址方案，然而理論和實驗已經(jīng)證明，在復(fù)雜的水聲 多途信道下，僅用單個水聽器進行被動時反處理，通信質(zhì)量受信道環(huán)境的影響較大，往 往難以獲得穩(wěn)定的低誤碼性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是要克服上述技術(shù)的不足，而提供一種可減少接收陣元數(shù)量且 保證通信質(zhì)量的適合移動平臺的被動時反水聲通信方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種適合移動平臺的被動時反水聲通 信方法，移動水聲通信系統(tǒng)采用被動時反處理方法，收發(fā)雙方至少有一方運動，利用位 置變化引起水聲信道的水平相關(guān)性減弱，相同的信息幀在不同的位置點重復(fù)發(fā)射，收端 將不同位置、不同時刻收到的信號合并，從而獲得空間和時間分集效果。包括如下步 驟(1)收發(fā)雙方至少有一方運動，相同的信息幀在運動過程中不同的位置點重復(fù)發(fā) 射，并保證不同位置點的信道傳遞函數(shù)之間具有較低的相關(guān)性；(2)發(fā)端在每幀起始時刻先發(fā)射一探針信號，并將探針信號作為一濾波器的傳遞 函數(shù)，后續(xù)的擴頻信號經(jīng)過濾波器之后，發(fā)射送入水聲信道；(3)收端首先捕獲探針信號，然后將收到探針信號的時間反轉(zhuǎn)與后續(xù)到達的擴頻信 號做卷積運算，再對卷積輸出后的信號進行多普勒測量和修正，完成每巾貞信號的預(yù)處理；(4)收端將不同位置上收到的多個相同信息幀(預(yù)處理后的)合并成一路信號， 再進行符號同步、擴頻序列相關(guān)運算，最后恢復(fù)出編碼信息。所述探針信號的帶寬應(yīng)當(dāng)包含其后的擴頻信號，擴頻信號是發(fā)射信號的主體部 分，攜帶了需要傳送的信息，擴頻信號采用任意形式的相位調(diào)制擴頻信號。所述的多普勒測量和修正為在每一幀數(shù)據(jù)的前后都插入探針信號，設(shè)相鄰兩 個探針信號的時間間隔為Ttp，接收端通過測量兩個探針信號的拷貝相關(guān)輸出的兩次峰值 的時間間隔，得到伸縮后的接收幀長度τφ，計算出一幀信號多普勒伸縮率\ = ‘/7；-1，
再對幀內(nèi)信息信號進行插值重采樣。本發(fā)明有益的效果是(1)通信雙方在運動過程中，利用水聲信道在不同水平位置的弱相關(guān)性，為時反 處理提供較好的空間分集效果，與此同時，相同的信息幀在不同的時刻點重復(fù)發(fā)射，可 以獲得時間分集增益，提高接收成功率。(2)與傳統(tǒng)的多元陣時反通信方法相比較，本發(fā)明的優(yōu)點在于所需的系統(tǒng)復(fù)雜 度低，最低配置只需收發(fā)端各一個實物陣元，就可以獲得空間分集效果，增強了水聲通 信系統(tǒng)在復(fù)雜多途信道中的可靠性，因而本發(fā)明非常適合安裝空間有限的小尺寸移動平 臺。(3)在進行被動時反處理時，發(fā)端先用探針信號構(gòu)造一發(fā)射濾波器，濾波器的傳 遞函數(shù)就是探針信號，擴頻信號在通過換能器發(fā)射之前先經(jīng)過該濾波器，這樣做可以降 低發(fā)射信號的峰平比。


圖1是水聲通信方法的原理框圖；圖2是計算機模擬的信道沖激響應(yīng)圖，收發(fā)水平距離分別是2000m、2250m、 2500m。圖3是信道沖激響應(yīng)之間的互相關(guān)系數(shù)。
圖4是接收到的探針信號自相關(guān)函數(shù)的和，虛擬陣陣元個數(shù)J分別是1、3、6。圖5是一個接收符號內(nèi)的4組相關(guān)結(jié)果示意圖，其中圖(a) (b)的虛擬陣陣元 個數(shù)J分別是1、3、6。圖6是誤碼率與虛擬陣陣元個數(shù)之間的關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明1.發(fā)射信號生成方法本發(fā)明的水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射信號包括探針信號和經(jīng)過預(yù)處理的擴頻信號兩部 分。探針信號有兩個作用，其一，使通信系統(tǒng)在接收端能夠找到每幀信號的起始位置， 并且通過測量前后兩個探針信號的到達時刻，確定幀內(nèi)信號的多普勒擴展(壓縮)量。 在本技術(shù)領(lǐng)域，線性調(diào)頻信號或雙曲調(diào)頻信號是常用的同步信號形式。其二，接收端保 存收到的探針信號，將其與后續(xù)到達的信息信號做互相關(guān)處理。擴頻信號是發(fā)射信號的 主體部分，它攜帶了需要傳送的信息，所述的擴頻信號可以是任意形式的擴頻信號，擴 頻序列可以是m序列，gold序列或kasami序列等具有良好自相關(guān)和互相關(guān)特性的偽隨機 序列。圖1(a)是發(fā)射端處理流程圖，每個擴頻符號由同步輔助序列和信息序列疊加組 成，其中同步輔助序列用于接收端符號同步，為了提高通信速率，可以采用多碼并發(fā)的 方式，即每個擴頻符號可以包含多條信息序列。2.原理分析為了便于表述，我們將通信平臺運動軌跡上的第j個發(fā)射點(或接收點)看做一 條虛擬水平陣上的第j個陣元，由于收發(fā)是相對的，所述的虛擬水平陣可以是發(fā)射陣，也 可以是接收陣。假設(shè)探針信號采用線性調(diào)頻信號P(O，擴頻信號為m(t)，運動軌跡上第 j點與接收水聽器之間的信道響應(yīng)為G(t，η),接收到的探針信號pjt)和信息信號mjt) 可分別表示為
\pr{t)^p(t) G{t,rj)彳(1) [mr (0 = p(t) m(t) G(t, η)其中 表示卷積運算，用pjt)的時間反轉(zhuǎn)pj-t)與mjt)做卷積運算，完成被動 時反處理，得到rhj (0 = m(t) <8 [p(t) p(-t)] G(t, η) G(-t, r)(2)在收發(fā)相對運動過程中，發(fā)射端重復(fù)發(fā)射信息信號m(t)，接收端將多個相 加，得到m(t) = m{t) <S) [p(t) (8) p(-t)] J] G(t, η ) G(-t, r.)(3)
y=i定義聲信道響應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)的和為Q (t)，即Q(t) ^fjGit,⑷
y=i由于信號的自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)“單峰”，當(dāng)空間上有多個不相關(guān)或弱相關(guān)信道的 自相關(guān)函數(shù)相干疊加時，Q(t)的主瓣會增強，旁瓣會明顯降低。定義接收到的探針信號的自相關(guān)函數(shù)為Heq ω，艮Ρ
權(quán)利要求
1.一種適合移動平臺的被動時反水聲通信方法，其特征是包括如下步驟(1)收發(fā)雙方至少有一方運動，相同的信息幀在運動過程中不同的位置點重復(fù)發(fā)射， 并保證不同位置點的信道傳遞函數(shù)之間具有較低的相關(guān)性；(2)發(fā)端在每幀起始時刻先發(fā)射一探針信號，并將探針信號作為一濾波器的傳遞函 數(shù)，后續(xù)的擴頻信號經(jīng)過濾波器之后，發(fā)射送入水聲信道；(3)收端首先捕獲探針信號，然后將收到探針信號的時間反轉(zhuǎn)與后續(xù)到達的擴頻信號 做卷積運算，再對卷積輸出后的信號進行多普勒測量和修正，完成每幀信號的預(yù)處理；(4)收端將不同位置上收到的多個相同信息幀合并成一路信號，再進行符號同步、擴 頻序列相關(guān)運算，最后恢復(fù)出編碼信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合移動平臺的被動時反水聲通信方法，其特征是探針 信號的帶寬應(yīng)當(dāng)包含其后的擴頻信號，擴頻信號是發(fā)射信號的主體部分，攜帶了需要傳 送的信息，擴頻信號采用任意形式的相位調(diào)制擴頻信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合移動平臺的被動時反水聲通信方法，其特征是所述 的多普勒測量和修正為在每一幀數(shù)據(jù)的前后都插入探針信號，設(shè)相鄰兩個探針信號的 時間間隔為Ttp，接收端通過測量兩個探針信號的拷貝相關(guān)輸出的兩次峰值的時間間隔， 得到伸縮后的接收幀長度Τφ，計算出一幀信號多普勒伸縮率么=7；/7；-1，再對幀內(nèi)信息 信號進行插值重采樣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適合移動平臺的被動時反水聲通信方法，收發(fā)雙方至少有一方運動，相同的信息幀在不同的位置點重復(fù)發(fā)射，并保證不同位置點的信道傳遞函數(shù)之間具有較低的相關(guān)性。收端對接收信號進行幀同步、時反卷積和多普勒修正等預(yù)處理，然后將不同相對位置處收到的多個預(yù)處理信號合并，再經(jīng)符號同步、擴頻序列相關(guān)等運算，恢復(fù)出發(fā)射信息。本發(fā)明有益的效果利用位置變化引起水聲信道的水平相關(guān)性減弱，為時反處理提供空間分集效果，降低了時反通信系統(tǒng)的配置，最低配置只需收發(fā)端各一個實物陣元，與此同時，相同的信息幀在不同的時刻點重復(fù)發(fā)射，也獲得了時間分集效果，從而顯著提高水聲通信系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。
文檔編號H04B13/02GK102025423SQ201010581840
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者岳志杰, 張宏滔, 王忠康, 祝獻 申請人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所