基于單矢量差分能量檢測器的擴(kuò)頻水聲通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種水聲通信方法，更確切地說是一種遠(yuǎn)程水聲通信中直擴(kuò)系統(tǒng) 的解碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水聲信道是一個(gè)帶寬有限、多徑干擾嚴(yán)重的時(shí)、頻、空變信道。水聲信道的復(fù)雜性 及多變性使得高質(zhì)量水聲通信面臨著挑戰(zhàn)。
[0003] 直接序列擴(kuò)頻通信具有很好的抗干擾、抗多徑的能力，能夠在較低信噪比條件下 工作，是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量水聲通信的首選通信方式。在擴(kuò)頻水聲通信系統(tǒng)中，載波相位的跳變將 嚴(yán)重影響擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。矢量水聽器可以同步共點(diǎn)地獲得聲場 的矢量和標(biāo)量信息，且單個(gè)矢量水聽器即可實(shí)現(xiàn)測量目標(biāo)的方位信息，具有良好的空間指 向性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于接收端在海面上發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或者收發(fā)雙方存在相對運(yùn)動(dòng)，相對 于矢量水聽器而言通信目標(biāo)的方位是隨時(shí)間發(fā)生變化的，此時(shí)有源平均聲強(qiáng)器的性能將受 限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有較低的復(fù)雜度、高可靠性，可在低信噪比條件下 有效抑制載波相位跳變的影響的基于單矢量差分能量檢測器的擴(kuò)頻水聲通信方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] (1)在直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)射端，首先按照公式4 取<4對原始信息序列進(jìn)行差分編 碼得到差分序列，其中^為原始信息序列、" "表示模二相加、九為差分編碼后的信息序 列；
[0007] (2)對差分序列進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)過BPSK載波調(diào)制后的信號(hào)即為發(fā)射端 發(fā)射信號(hào)；
[0008] (3)接收端使用矢量水聽器接收信號(hào)，對矢量水聽器輸出的三路信號(hào)分別用復(fù)載 波進(jìn)行解調(diào)處理，將通帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)；
[0009] (4)解調(diào)處理后的基帶信號(hào)以每兩個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)周期持續(xù)時(shí)間為單位進(jìn)入單矢量差 分能量檢測器進(jìn)行解碼處理。
[0010] 本發(fā)明解決的主要問題是在低信噪比條件下，如何克服載波相位跳變影響，實(shí)現(xiàn) 高質(zhì)量直擴(kuò)水聲通信。本發(fā)明將對有源平均聲強(qiáng)器進(jìn)行改進(jìn)并與差分能量檢測器相結(jié)合， 提出單矢量差分能量檢測器的解碼處理方法，通過差分能量檢測器的輸出結(jié)果反饋給有源 平均聲強(qiáng)器，可對目標(biāo)方位進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而利用實(shí)時(shí)更新的方位信息進(jìn)行矢量組合，提 高接收端處理增益。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：
[0012] (1)直擴(kuò)系統(tǒng)接收端采用能量檢測而非相位檢測進(jìn)行解碼，可有效克服載波相位 跳變影響；
[0013] (2)可對目標(biāo)方位進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，從而利用實(shí)時(shí)更新的方位信息進(jìn)行矢量組合，提 高接收端處理增益；
[0014] (3)該方法可在低信噪比、時(shí)變信道條件下穩(wěn)定工作。
【附圖說明】
[0015] 圖1為差分能量檢測器原理圖；
[0016] 圖2為單矢量差分能量檢測器原理圖；
[0017] 圖3為仿真采用的水聲信道；
[0018] 圖4a_圖4b為實(shí)時(shí)方位估計(jì)結(jié)果，其中圖4a為勻速率轉(zhuǎn)動(dòng)、圖4b為變速率轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0019] 圖5為方位估計(jì)均方根誤差曲線；
[0020] 圖6為直擴(kuò)系統(tǒng)性能對比圖；
[0021] 圖7為實(shí)測水聲信道；
[0022] 圖8為矢量水聽器接收信號(hào)；
[0023] 圖9為不同信噪比條件下方位跟蹤估計(jì)結(jié)果；
[0024] 圖10為p+2vc歸一化指向性；
[0025] 圖11為相關(guān)器能量輸出結(jié)果，其中圖Ila為差分能量檢測器、圖Ilb為單矢量差 分能量檢測器；
[0026] 圖12為單矢量差分能量檢測器輸出結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)的描述。
[0028] 圖1為差分能量檢測器原理圖。接收信號(hào)在粗同步后以兩個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)周期為單位 進(jìn)入差分能量檢測器，分別與本地構(gòu)建的兩組擴(kuò)頻序列做相關(guān)運(yùn)算。差分能量檢測器通過 對兩個(gè)相關(guān)器的能量輸出進(jìn)行比較最終完成直擴(kuò)系統(tǒng)解碼。下面通過公式對差分能量檢測 器原理及性能進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029] 在直擴(kuò)系統(tǒng)發(fā)射端，首先對原始信息序列進(jìn)行差分編碼，差分編碼的目的在于防 止能量檢測器輸出誤差擴(kuò)散。設(shè)原始信息序列為a n(an以概率P取1，以概率I-P取0)，則 經(jīng)過差分編碼后的序列為：
[0030] d" = a;i 0-, dn (I)
[0031] 式中，"?2"為模二相加，dn為差分編碼后的信息序列且d。= 1。對差分序列d "進(jìn) 行轉(zhuǎn)換，將序列dn中取0項(xiàng)轉(zhuǎn)換為-1 :
[0032] dn= sign(dn-〇. 5) (2)
[0033] 式中，sign( ·)為符號(hào)函數(shù)。此時(shí)由式⑴和式⑵可知：
[0034] an=sign(|dndn「l|) (3)
[0035] 對轉(zhuǎn)換后的差分序列dn進(jìn)行擴(kuò)頻和載波調(diào)制，即可將信號(hào)發(fā)送出去（僅取一個(gè)擴(kuò) 頻符號(hào)周期說明）：
[0036] s (t) = dnPN(t) cos (ω ct) (4)
[0037] 式中，PN(t)為擴(kuò)頻序列的時(shí)域波形，ω。為載波中心頻率。
[0038] 直擴(kuò)系統(tǒng)接收端利用差分能量檢測器進(jìn)行解碼。首先利用本地參考擴(kuò)頻序列構(gòu)建 一對組合序列：
[0039] P+(t) = [PN(t),PN(t)],P (t) = [PN(t),-PN(t) ] (5)
[0040] 接收端利用言號(hào)進(jìn)行載波解調(diào)后，低通濾波器的輸出信號(hào)為（取兩個(gè)擴(kuò)頻符 號(hào)周期，不考慮噪聲影響）：
[0042] 式中，dn= ±1，：?:為第η個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)內(nèi)的載波殘留的隨機(jī)相位，L為水聲信道多 徑條數(shù),A1為每條路徑衰減系數(shù)，τ i為每條路徑的時(shí)延。
[0043] 分別與本地組合序列P+ (t)和P (t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后的能量輸出為：
[0045] 式中，"<·>"為相關(guān)運(yùn)算；I · I為取模運(yùn)算；P為擴(kuò)頻序列的自相關(guān)函數(shù)。對 于定點(diǎn)水聲通信，水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)載波相位跳變較為緩慢，可認(rèn)為相鄰擴(kuò)頻符號(hào)間的載波殘 留的隨機(jī)相位變化不大，即乾《 因此可得：
[0047] 因此由式（3)可知，若 maxEjt) > maxE2(t)，則 dndn+1= 1，an= 0 ;反之，dndn+1 = _l，an= 1，過比較相關(guān)器輸出能量匹配結(jié)果的大小即可完成解碼。此時(shí)輸出結(jié)果均為實(shí) 數(shù)，因此差分能量檢測器將不受載波相位跳變影響。同時(shí)，由于差分能量檢測器算法是比較 兩個(gè)相關(guān)器能量輸出結(jié)果，可知當(dāng)水聲信道多途擴(kuò)展小于擴(kuò)頻符號(hào)周期時(shí)，水聲信道的多 途擴(kuò)展分量將成為能量的有益貢獻(xiàn)，差分能量檢測器將不受多途擴(kuò)展的影響。
[0048] 另外，若采用COS(C^t)信號(hào)解調(diào)，低通濾波輸出信號(hào)的殘留載波相位的存在形式 為C〇s(%)而非e-Λ ,因此當(dāng)％ n/2時(shí)差分能量檢測器的兩個(gè)相關(guān)器輸出能量差將受到 嚴(yán)重影響，進(jìn)而產(chǎn)生誤碼。因此可以看到采用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)是差分能量檢測器的關(guān)鍵 一步，它有效抑制了殘留載波相位在η/2附近處跳變時(shí)對直擴(kuò)系統(tǒng)的影響。
[0049] 圖2給出了本發(fā)明提出的單矢量差分能量檢測器原理框圖。在直擴(kuò)系統(tǒng)接收端， 單矢量水聽器聲壓振速輸出信號(hào)首先進(jìn)入有源平均聲強(qiáng)器對當(dāng)前目標(biāo)方位進(jìn)行估計(jì)。利用 估計(jì)得到的方位進(jìn)行矢量組合，從而完成對矢量水聽器指向性的電子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)定向通信。 差分能量檢測器在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)將相關(guān)峰的位置信息反饋給有源平均聲強(qiáng)器從而保證 有源平均聲強(qiáng)器的方位估計(jì)增益最大化。
[0050] 在單矢量差分能量檢測器中，有源平均聲強(qiáng)器是以擴(kuò)頻符號(hào)周期為單位對接收信 號(hào)進(jìn)行處理的。假設(shè)有源平均聲強(qiáng)器對第k個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)周期信號(hào)進(jìn)行方位估計(jì)，在滿足聲 學(xué)