專利名稱：基于非固定碼元寬度的Pattern時(shí)延差編碼水聲通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水聲通信方法，更確切地說涉及一種基于非固定碼元寬度的差分Pattern時(shí)延差編碼水聲通信方法。
背景技術(shù)：
近年來隨著人類海洋活動(dòng)的增加，各種無人、載人潛器在海洋勘探開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用，而其與母船間的信息互通是依靠水聲通信的，所以水聲通信尤其是移動(dòng)水聲通信技術(shù)逐漸成為了研究熱點(diǎn)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，研究人員提出了各種各樣的通信技術(shù)。Pattern時(shí)延差編碼通信(PDS)屬于脈位編碼，利用I^attern碼出現(xiàn)在碼元窗的時(shí)延差值進(jìn)行時(shí)延編碼，占空比小，可節(jié)省功耗；并且采用碼元的時(shí)間寬度在時(shí)域進(jìn)行相鄰碼元的分割。水聲信道是一個(gè)時(shí)變空變的隨參信道，在信源與信宿之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)通常將水聲信道看作多途相干信道。PDS的上述特性使得每個(gè)攜帶信息的基本碼元均具有抗碼間干擾的能力，有效地降低了水聲信道的碼間干擾，并且可克服多途衰落及噪聲干擾。PDS采用的是固定碼元寬度來抵消多途信道引起的碼間干擾，但是固定碼元寬度一方面會(huì)帶來一定程度上通信速率的下降。另外，就是當(dāng)存在由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生時(shí)間壓縮或展寬時(shí)，常規(guī)PDS通信系統(tǒng)在解碼時(shí)存在的時(shí)間漂移累積會(huì)帶來后續(xù)碼元解碼誤碼的大規(guī)模出現(xiàn)。而且當(dāng)存在時(shí)間壓縮或展寬時(shí)，在接收端很難精確做到碼元分割。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能有效的提高通信速率，具有較好的抗碼間干擾和抗多普勒的能力的基于非固定碼元寬度的I^ttern時(shí)延差編碼水聲通信方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的在發(fā)射端(1)采用線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)或者其他具有良好自相關(guān)性的信號(hào)作為通信幀同步
信號(hào)；(2)將經(jīng)過信源編碼的信息調(diào)制在非固定寬度碼元中Pattern碼的時(shí)延差之上， Pattern碼由不同的線性調(diào)頻信號(hào)或者具有良好自相關(guān)性較低互相關(guān)性的其他信號(hào)充當(dāng)；(3)將步驟( 得到的信號(hào)經(jīng)過功率放大后通過發(fā)射換能器發(fā)射；在接收端(4)首先利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)檢測(cè)經(jīng)過前置放大同步信號(hào)，檢測(cè)相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻，該時(shí)刻即為后續(xù)信息碼元中第一個(gè)碼元解碼的時(shí)間基準(zhǔn)；(5)根據(jù)步驟(4)提供的時(shí)間基準(zhǔn)，在可能出現(xiàn)第一個(gè)I^ttern碼的區(qū)間進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)搜索，利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)得到第一個(gè)I^ttern碼的相關(guān)峰進(jìn)而得到第一個(gè)I^ttern碼時(shí)延差值，利用該差值解調(diào)出第一個(gè)碼元攜帶的信息，同時(shí)第一個(gè)碼元中 Pattern碼的后延即為下一個(gè)碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)；
(6)利用步驟( 提供的當(dāng)前碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)，采用同第一個(gè)碼元相同的解碼方法完成后續(xù)碼元的解碼。本發(fā)明基于PDS體制的特點(diǎn)，研究了收發(fā)節(jié)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)給通信帶來的影響，提出了一種以相鄰碼元的時(shí)間差值攜帶信息的差分編碼方式(DPDS)，它的碼元寬度是非固定的，有效的提高了通信速率，具有較好的抗碼間干擾和抗多普勒的能力。其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在具有抗水聲信道多途擴(kuò)展性能，相比于PDS編碼水聲通信技術(shù)具有更高的通信速率與抗多普勒性能，具體來說(1)攜帶信息的碼元采用了非固定寬度碼元，提高了系統(tǒng)的通信速率，相比于同樣參數(shù)下的PDS通信系統(tǒng)，DPDS系統(tǒng)通信速率提高了 30%左右。(2)以相鄰碼元時(shí)間差值攜帶信息，不存在由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間漂移的累積，具有較好的抗多普勒的能力。(3)對(duì)于相鄰碼元采用不同的Pattern碼(相鄰Pattern碼具有較低的互相關(guān)性能)來實(shí)現(xiàn)碼元分割，因此系統(tǒng)具有很好的抗水聲信道多途擴(kuò)展的性能。


圖1為差分I^ttern時(shí)延差編解碼示意圖2為非固定碼元寬度I^ttern時(shí)延差編碼通信方法的幀結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為在進(jìn)行仿真研究時(shí)采用的水聲信道的沖激響應(yīng)函數(shù)；
圖4為在進(jìn)行仿真研究時(shí)相關(guān)解碼的結(jié)果；
圖5為湖試時(shí)所在水域的聲速分布情況；
圖6為湖試數(shù)據(jù)同步估計(jì)結(jié)果。
圖7為湖試數(shù)據(jù)相關(guān)解碼的結(jié)果；
圖8不同多普勒條件下解碼仿真結(jié)果表；
圖9試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明主要包括(1)攜帶信息的碼元采用了非固定寬度碼元；(2)以相鄰碼元時(shí)間差值攜帶信息；(3)利用不同線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)來實(shí)現(xiàn)碼元分割；(4)不存在由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間漂移的累積，具有較好的抗碼間干擾和抗多普勒的能力。具體步驟包括在發(fā)射端(1)采用線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)或者其他具有良好自相關(guān)性的信號(hào)作為通信幀同步信號(hào)，同步主要用來提供第一個(gè)碼元解碼的時(shí)間基準(zhǔn)以及用來進(jìn)行信道估計(jì)；(2)將經(jīng)過信源編碼的信息調(diào)制在非固定寬度碼元中Pattern碼的時(shí)延差之上， Pattern碼可由不同的LFM信號(hào)或者具有良好自相關(guān)性較低互相關(guān)性的其他信號(hào)充當(dāng)；(3)將上述信號(hào)經(jīng)過功率放大后通過發(fā)射換能器發(fā)射。
在接收端(1)首先利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)檢測(cè)經(jīng)過前置放大同步信號(hào)，主要是利用同步信號(hào)的優(yōu)良的自相關(guān)性檢測(cè)其相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻，該時(shí)刻即為后續(xù)信息碼元中第一個(gè)碼元解碼的時(shí)間基準(zhǔn)；(2)根據(jù)上一步提供的時(shí)間基準(zhǔn)，在可能出現(xiàn)第一個(gè)I^ttern碼的區(qū)間進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)搜索，利用拷貝相關(guān)器(匹配濾波器)得到第一個(gè)I^ttern碼的相關(guān)峰進(jìn)而得到第一個(gè)I^ttern碼時(shí)延差值，利用該差值解調(diào)出第一個(gè)碼元攜帶的信息。同時(shí)第一個(gè)碼元中 Pattern碼的后延即為下一個(gè)碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)；(3)利用上一步提供的當(dāng)前碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)，采用同第一個(gè)碼元相同的解碼方法完成后續(xù)碼元的解碼。下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述1、發(fā)射端編碼實(shí)現(xiàn)方法差分 I^attern 時(shí)延差編碼水聲通信體制(Differential Pattern Time Delay Shift Coding,DPDS)是對(duì)I^attern時(shí)延差編碼體制的改進(jìn)，如圖1所示。從圖中可以看到， 每個(gè)碼元均無固定碼元寬度，相鄰的I^ttern碼采用正、負(fù)調(diào)頻斜率的線性調(diào)頻信號(hào)(也可采用其他具有良好自相關(guān)性能較低互相關(guān)性能的信號(hào))進(jìn)行碼元分割，這樣可以抑制部分多途信道對(duì)相鄰碼元產(chǎn)生的碼間干擾。圖1中Tp為Pattern碼脈寬。Ti end表示第i個(gè)碼元結(jié)束時(shí)刻，τ ,表示第i個(gè)碼元所調(diào)制的時(shí)延值，TiG
，其中1；為最大編碼時(shí)間。若每個(gè)碼元攜帶nbit信息，則將最大編碼時(shí)間T。分為2n-l份，編碼量化層Δ τ = Τ。/(2η_1)。例如當(dāng)每個(gè)碼元攜帶4bit 信息時(shí)，則將編碼時(shí)間均分為15份，第i個(gè)碼元的時(shí)延差τ i為τ , = Ti end-Ti^l end-Tp = Ici X Δ τ，ki = 0，1，...，&ι_1(1)式中，第i個(gè)碼元信息的參考時(shí)基是前一碼元，不同的τ i代表不同的信息，若k = 0，則代表信息“0000”，Pattern碼位置τ = 0 ;若k = 8，則代表信息“ 1000”，Pattern碼位置 τ = 8Χ Δ τ。由式(1)可得在最大編碼時(shí)間Τ。和Pattern脈寬Tp —定時(shí)，通信速率與每個(gè)碼元攜帶的信息數(shù)η有關(guān)，每個(gè)碼元所攜帶的信息量η越大，則通信速率越高，但此時(shí)的編碼量化間隔△ τ就越小，這時(shí)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延估計(jì)精度的要求就越高。也就是說，時(shí)延估計(jì)的精度越高，則編碼的量化層△ τ可分得越細(xì)，每個(gè)碼元所攜帶的信息量就越大，系統(tǒng)的通信速率就越高。2、接收端解碼實(shí)現(xiàn)方法差分I^ttern時(shí)延差編碼通信體制信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中信息碼開始時(shí)刻為 0時(shí)刻，之前有同步信號(hào)以及寬度為Tz的保護(hù)時(shí)隙。Tz大于信道多途擴(kuò)展時(shí)延，一方面可提高同步準(zhǔn)確度，另一方面以減少同步碼多途擴(kuò)展對(duì)后續(xù)信息碼的干擾。圖2所示為一個(gè)幀單元的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行水聲通信時(shí)多個(gè)幀順序發(fā)送，幀與幀之間同樣有Tz的保護(hù)時(shí)隙。本發(fā)明提出的差分I^ttern時(shí)延差編碼每個(gè)碼元沒有了固定碼元寬度，相鄰的 Pattern碼采用正負(fù)線性調(diào)頻信號(hào)(也可采用其他具有良好自相關(guān)性能較低互相關(guān)性能的信號(hào))進(jìn)行了碼元分割，這樣可以抑制部分多途信道對(duì)相鄰碼元產(chǎn)生的碼間干擾。圖2中信息碼開始時(shí)刻為0時(shí)刻，之前有一個(gè)同步信號(hào)以及一個(gè)寬度為Tz的時(shí)隙(Tz大于信道多途擴(kuò)展時(shí)延，一方面可提高同步準(zhǔn)確度，另一方面以減少同步碼多途擴(kuò)展對(duì)后續(xù)信息碼的干擾)。圖1中Ti md表示第i個(gè)碼元結(jié)束時(shí)刻，Code i表示第i個(gè)碼元，τ ,表示第i個(gè)碼元所調(diào)制的時(shí)延值，有TiG [0，TJ，其中T。為最大編碼時(shí)間。由圖1可得Tlend= τ1+ΤρT2 end = Tl end+ τ 2+Τρ = τ 1+ τ 2+2 X Tp......(2)
權(quán)利要求
1. 一種基于非固定碼元寬度的I^ttern時(shí)延差編碼水聲通信方法，其特征是在發(fā)射端(1)采用線性調(diào)頻信號(hào)或者其他具有良好自相關(guān)性的信號(hào)作為通信幀同步信號(hào)；(2)將經(jīng)過信源編碼的信息調(diào)制在非固定寬度碼元中Pattern碼的時(shí)延差之上， Pattern碼由不同的線性調(diào)頻信號(hào)或者具有良好自相關(guān)性較低互相關(guān)性的其他信號(hào)充當(dāng)；(3)將步驟( 得到的信號(hào)經(jīng)過功率放大后通過發(fā)射換能器發(fā)射；在接收端(4)首先利用拷貝相關(guān)器檢測(cè)經(jīng)過前置放大同步信號(hào)，檢測(cè)相關(guān)峰判決信號(hào)到來的時(shí)刻，該時(shí)刻即為后續(xù)信息碼元中第一個(gè)碼元解碼的時(shí)間基準(zhǔn)；(5)根據(jù)步驟⑷提供的時(shí)間基準(zhǔn)，在可能出現(xiàn)第一個(gè)Pattern碼的區(qū)間進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)搜索，利用拷貝相關(guān)器得到第一個(gè)Pattern碼的相關(guān)峰進(jìn)而得到第一個(gè)Pattern碼時(shí)延差值，利用該差值解調(diào)出第一個(gè)碼元攜帶的信息，同時(shí)第一個(gè)碼元中Pattern碼的后延即為下一個(gè)碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)；(6)利用步驟( 提供的當(dāng)前碼元的解碼時(shí)間基準(zhǔn)，采用同第一個(gè)碼元相同的解碼方法完成后續(xù)碼元的解碼。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于非固定碼元寬度的Pattern時(shí)延差編碼水聲通信方法。(1)以相鄰碼元時(shí)間差值攜帶信息；(2)利用不同線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)來實(shí)現(xiàn)碼元分割；(3)不存在由相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)間漂移的累積，具有較好的抗碼間干擾和抗多普勒的能力。仿真研究和湖試數(shù)據(jù)處理結(jié)果均驗(yàn)證了該方法的有效性與穩(wěn)健性，與常規(guī)Pattern時(shí)延差編碼通信方法相比該方法在一定程度上提高了通信系統(tǒng)的有效性，在收發(fā)節(jié)點(diǎn)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候該方法具有更好的穩(wěn)健性。在進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上，該方法可有效的應(yīng)用于工程實(shí)踐。
文檔編號(hào)H04B13/02GK102315883SQ201110122340
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者尹祿, 張曉 , 殷敬偉, 郭小宇, 韓笑 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)