一种猝发式水声通信方法技术

本发明专利技术提供的是一种猝发式水声通信方法。将二进制待传输信息进行分割，根据发射换能器最佳发射频率范围计算频率差的最小量化间隔，将分割后的二进制信息分别用于计算基准低频段信号与时延及频率差负载信号间的频率差与时间差，将时延差与频率差调制在基准低频段信号与时延及频率差负载信号间，完成基于时频联合的猝发式水声通信调制。在接收端同步完成后，利用基准低频段信号本地参考信号对每个码片再次进行同步，并完成信号截取，对截取的每个码片中所携带的时延差及频率差进行估计，并基于调制时的最小量化间隔，对差值进行解调，得到调制信息。本发明专利技术简单易行，可靠性高，又能根据帧信号特殊结构抵抗水下多途及干扰。

A burst mode underwater acoustic communication method

The invention provides a burst type underwater acoustic communication method. The binary information to be transmitted is segmented, and the minimum quantization interval of frequency difference is calculated according to the optimum frequency range of the transmitting transducer. The segmented binary information is used to calculate the frequency difference and time difference between the reference low frequency signal and the delay signal and the frequency difference load signal respectively, and the delay and frequency difference are modulated in the benchmark. The burst underwater acoustic communication modulation based on time-frequency combination is completed between low-frequency signal and time delay and frequency difference load signal. After the synchronization is completed at the receiving end, each chip is synchronized again using the local reference signal of the reference low frequency band signal, and the signal interception is completed. The delay difference and frequency difference carried in each intercepted chip are estimated, and the difference is demodulated based on the minimum quantization interval of the modulation time, and the modulation information is obtained. The invention is simple, feasible, high reliability, and can resist underwater multipath and interference according to the special structure of the frame signal.

【技术实现步骤摘要】
一种猝发式水声通信方法
本专利技术涉及的是一种水声通信方法，具体地说是一种猝发式水声通信方法。
技术介绍
近二十年来，随着计算机技术等各个领域的发展和进步，水声通信技术的发展也得到了技术上支持，研究方法和硬件设备等方面都有了根本性的提升，因此水声通信技术得到了快速的发展。受水下多途、环境噪声、边界损耗、扩展损失等特性的影响，海洋科研领域内对稳健可靠水声通信算法的需求逐渐显露了出来。在现有的众多水声通信方法中，扩频通信系列算法具有较强的稳健性，但其通信速率低于正交频分复用(OFDM)水声通信算法，且扩频通信系列算法的稳定性建立在将1bit信息调制在单个码片或一段码片序列上，因此造成了通信速率较低的情况。公开号为CN106375023A的专利文件中，公开了一种基于多进制chirp-rate键控调制的声波通信方法及系统，该方法将待传输二进制信息进行多进制调制，采用chirp-rate键控的形式对信号进行调制，在接收端采用匹配滤波器最大值判决比较进行解调，该方法提高了频带的利用率，增加了对信息的负载能力。公开号为CN104901776A的专利文件中中公开了一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法，该方法待传输信息调制在了信号间的时延差上。但是目前尚无一种通信算法同时在一个码片内携带时延差信息与频率差信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在水声通信信道中稳健可靠性高的猝发式水声通信方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：将二进制待传输信息按每nbits进行分割，其中nfbits用于计算频率差、ntbits用于计算时延差；步骤二：根据发射换能器发射频率范围划分基准低频段信号频率范围及时延及频率差负载信号频率范围，并确定频率差的最小量化间隔，根据设定的码片长度，确定时延差的最小量化间隔及线性调频信号的调频率；步骤三：根据时延及频率的最小量化间隔及已分割好的待传输信息计算每个码片中存在的时延差与频率差，得到频率差序列与时延差序列；步骤四：调制基准低频段信号与时延及频率差负载信号，并加入时延差与频率差，形成一段猝发式水声通信码片；步骤五：将获得多段通信码片按照顺序进行组合，并在每段码片的基准低频段信号间添加空白保护间隔，获得完整数据通信信号；步骤六：在完整数据通信信号前加入同步头信号，并在同步头信号后添加一段空白保护间隔，组合后得到完整的猝发式水声通信发射信号；步骤七：将完整的猝发式水声通信发射信号经过功率放大器后通过换能器送入水声信道；步骤八：使用水听器接收信号；步骤九：采用与同步头信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，加上同步头信号后的保护间隔时间长度，确定完整发射信号的起始时间点；步骤十：采用与基准低频段信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，减去每个基准低频段信号的持续时间长度，确定每个码片的起始时间点；步骤十一：对已确定起始时间点的每个码片以码元宽度加保护间隔为长度进行截取，截取后，对每个截取出的码片，再次截取出从每个码片的起始时间点到基准低频段信号的持续时间的长度的信号，对每个两次截取后的码片进行独立处理；步骤十二：对截取后的码片进行解调，将得到的码片所携带的时延差与频率差，带入解码器，得到调制信息。本专利技术还可以包括：1、所述根据发射换能器发射频率范围划分基准低频段信号频率范围与时延及频率差负载信号频率范围的具体方法为：Bb_sig＝BΔtf＝Btrans/3其中，Btrans为发射换能器最佳发射频带宽，Bb_sig为基准低频段信号频带宽，BΔtf为时延及频率差负载信号频带宽；fb_sig_H＝ftrans-L+Bb_sig其中，ftrans-L为发射换能器最佳发射频带内的最低频率，fb_sig_H为基准低频段信号频率范围内的最高频率，因此，基准低频段信号的频率范围为[ftrans-L,ftrans-L+Bb_sig]；fΔtf_H＝ftrans-L+Bb_sig+BΔtf+Δf其中，fΔtf_H为时延及频率差负载信号频率范围内的最高频率，Δf为信号所负载的频率差，因此时延及频率差负载信号频率范围为[fΔtf_H-BΔtf,fΔtf_H]。2、确定频率差的最小量化间隔，根据设定的码片长度，确定时延的最小量化间隔及线性调频信号的调频率的方法为：其中，Δfmqi为频率差的最小量化间隔，f_bit为频率差所携带的比特数，f_bit取小于等于4的正整数，其中，Δtmqi为时延差的最小量化间隔，t-bit为时延差所携带的比特数，t-bit取小于等于3的正整数，Tc为码片时间长度，Tp为基准低频段信号间的空白保护间隔持续时间，为大于等于2的数，np为量化保护间隔长度，np取2t-bit-2。3、步骤三具体包括：其中，Δfi为第i个码元所携带的频率差，Δti为第i个码元所携带的时延差，Decf_bit(i)为第i个码片负载在频率差上的信息的十进制值，Dect_bit(i)为第i个码片负载在时延差上的信息的十进制值。4、步骤四具体包括：其中，si_b(t)为第i个码元的基准低频段信号，si_ft(t)为第i个码元的时延及频率差负载信号，si(t+Δti)为第i个完整通信码片。5、在每段码片的基准低频段信号间添加空白保护间隔后，前一个码片的时延及频率差负载信号与下一个码片的基准低频段信号在时域上没有重叠。6、所述的对截取后的码片进行解调的方法为：对两次分割后的码片sri(t)进行希尔伯特变换，将其转换为复信号形式：对复信号进行基准低频段信号共轭抵消：经过共轭抵消后得到是一带噪声的单频信号，求的傅里叶变换Sf(u)，进行参数估计及计算得到该码片携带的频率差{p,u0}＝argmax|Sf(u)|2其中fs为信号采样率，nfft为傅里叶变换点数，为傅里叶变换结果中能量最大的频率值，对共轭抵消后的信号取实部得到sri_rft(t)，对其实部进行短时傅里叶变换得到S_sri，从结果中提取频率值处的序列SSTFT_f(τ)：[S_sri,F_sri,T_sri]＝STFT(sri_rft(t))对得到的序列SSTFT_f(τ)做取包络处理得到SSTFT-Env(τ)，以Δtmqi为间隔进行分割，对分割后的信号序列取平均值得到Savr(j)，再通过计算得到7、所述带入解码器，得到调制信息的方法为：对Decf_bit(i)与Dect_bit(i)进行十进制至二进制转换得到第i个码片负载在频率差上的信息f_bit(i)与第i个码片负载在时延差上的信息t_bit(i)。本专利技术为一种猝发式水声通信方法，其中，采用多频段chirp信号作为同步信号和通信信号。拥有通信距离远、通信速率可调、以及高可靠性等优越性能。本专利技术的猝发式水声通信方法，选用不同频段、等带宽的Chirp信号作为信号的基本组成单位，在作为携带信息的通信信号的同时，也可当作各码片同步信号直接使用。Chirp信号具有较强的抗多普勒频移能力和显著的抗干扰和抗衰落特性，因此所述水声通信方法具有较高的稳定性。本专利技术具有如下优点：(1)每个码片具有基准低频段信号，可通过基准低频段信号对每个码片进行精准定位；(2)每个码片携带信息量可根据时延差分辨率与频率差分辨率进行独立调整或同时调整本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种猝发式水声通信方法，其特征是：步骤一：将二进制待传输信息按每n bits进行分割，其中nfbits用于计算频率差、ntbits用于计算时延差；步骤二：根据发射换能器发射频率范围划分基准低频段信号频率范围及时延及频率差负载信号频率范围，并确定频率差的最小量化间隔，根据设定的码片长度，确定时延差的最小量化间隔及线性调频信号的调频率；步骤三：根据时延及频率的最小量化间隔及已分割好的待传输信息计算每个码片中存在的时延差与频率差，得到频率差序列与时延差序列；步骤四：调制基准低频段信号与时延及频率差负载信号，并加入时延差与频率差，形成一段猝发式水声通信码片；步骤五：将获得多段通信码片按照顺序进行组合，并在每段码片的基准低频段信号间添加空白保护间隔，获得完整数据通信信号；步骤六：在完整数据通信信号前加入同步头信号，并在同步头信号后添加一段空白保护间隔，组合后得到完整的猝发式水声通信发射信号；步骤七：将完整的猝发式水声通信发射信号经过功率放大器后通过换能器送入水声信道；步骤八：使用水听器接收信号；步骤九：采用与同步头信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，加上同步头信号后的保护间隔时间长度，确定完整发射信号的起始时间点；步骤十：采用与基准低频段信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，减去每个基准低频段信号的持续时间长度，确定每个码片的起始时间点；步骤十一：对已确定起始时间点的每个码片以码元宽度加保护间隔为长度进行截取，截取后，对每个截取出的码片，再次截取出从每个码片的起始时间点到基准低频段信号的持续时间的长度的信号，对每个两次截取后的码片进行独立处理；步骤十二：对截取后的码片进行解调，将得到的码片所携带的时延差与频率差，带入解码器，得到调制信息。...

【技术特征摘要】
2018.04.11 CN 20181031847341.一种猝发式水声通信方法，其特征是：步骤一：将二进制待传输信息按每nbits进行分割，其中nfbits用于计算频率差、ntbits用于计算时延差；步骤二：根据发射换能器发射频率范围划分基准低频段信号频率范围及时延及频率差负载信号频率范围，并确定频率差的最小量化间隔，根据设定的码片长度，确定时延差的最小量化间隔及线性调频信号的调频率；步骤三：根据时延及频率的最小量化间隔及已分割好的待传输信息计算每个码片中存在的时延差与频率差，得到频率差序列与时延差序列；步骤四：调制基准低频段信号与时延及频率差负载信号，并加入时延差与频率差，形成一段猝发式水声通信码片；步骤五：将获得多段通信码片按照顺序进行组合，并在每段码片的基准低频段信号间添加空白保护间隔，获得完整数据通信信号；步骤六：在完整数据通信信号前加入同步头信号，并在同步头信号后添加一段空白保护间隔，组合后得到完整的猝发式水声通信发射信号；步骤七：将完整的猝发式水声通信发射信号经过功率放大器后通过换能器送入水声信道；步骤八：使用水听器接收信号；步骤九：采用与同步头信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，加上同步头信号后的保护间隔时间长度，确定完整发射信号的起始时间点；步骤十：采用与基准低频段信号相同的本地参考信号对接收信号进行拷贝相关运算，找到最大峰值处所对应的时间点，减去每个基准低频段信号的持续时间长度，确定每个码片的起始时间点；步骤十一：对已确定起始时间点的每个码片以码元宽度加保护间隔为长度进行截取，截取后，对每个截取出的码片，再次截取出从每个码片的起始时间点到基准低频段信号的持续时间的长度的信号，对每个两次截取后的码片进行独立处理；步骤十二：对截取后的码片进行解调，将得到的码片所携带的时延差与频率差，带入解码器，得到调制信息。2.根据权利要求1所述的猝发式水声通信方法，其特征是所述根据发射换能器发射频率范围划分基准低频段信号频率范围与时延及频率差负载信号频率范围的具体方法为：Bb_sig＝BΔtf＝Btrans/3其中，Btrans为发射换能器最佳发射频带宽，Bb_sig为基准低频段信号频带宽，BΔtf为时延及频率差负载信号频带宽；fb_sig_H＝ftrans-L+Bb_sig其中，ftrans-L为发射换能器最佳发射频带内的最低频率，fb_sig_H为基准低频段信号频率范围内的最高频率，因此，基准低频段信号的频率范围为[ftrans-L,ftrans-L+Bb_sig]；fΔtf_H＝ftrans-L+Bb_sig+BΔtf+Δf其中，fΔtf_H为时延及频率差负载信号频率范围内的最高频...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凇佐，乔钢，赵云江，刘磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23