一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法
一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是水声通信领域，具体设及一种基于参量阵的差分化ttern时延差 编码水声通信方法。
【背景技术】
[0002] 差分化ttern时延差编码通信值PD巧属于脉位编码，利用相邻码元的时间差值携 带信息，相比于化ttern时延差编码水声通信方法，差分化ttern时延差编码水声通信技术 有效继承了Pattern时延差编码水声通信体制抗多途扩展的能力，此外还有效的提高了通 信速率，具有更好的抗多普勒的能力。传统的差分化ttern时延差编码水声通信方法，采用 传统发射换能器福射声波，为获得较远的通信距离需选用低频段进行通信，此时可用带宽 就会变得很窄严重限制了通信速率，为此本发明旨在结合差分化ttern时延差编码体制， 寻求更为有效的发射方式。
[0003] 参量阵发射利用两列声波的非线性作用产生的差频波，可在较低的频段获得较宽 的宽带，同时具有与原频波相近的窄波束指向特性。基于上述特性，参量阵在掩埋物探测、 地声反演W及港口警戒等领域得到了将为广泛的应用。参量阵产生的宽带低频波可同时兼 顾了水声通信对通信距离与通信速率的需求，窄指向性又有效抑制了水声信道多径传输特 性，同时在一定程度上实现了通信的保密。因此参量发射在水声通信中具有良好的前景。
[0004] 与本发明最为接近公开报道的文献有两篇；1)哈尔滨工程大学水声工程学院赵 安邦教授与2015年3月在吉林大学学报（工学版）发表名为《基于参量阵OFDM编码的水 声通信》一文。文中基于OFDM水声通信信号的特点提出了与之相适应的参量发射技术，文 中借鉴单边带调制的思路实现了将传统待发射的OFDM信号调制与高频载波上，之后送入 参量阵向水中福射。与文献不同，本发明采用了差分化ttern时延差编码水声通信体制，针 对该体制的特点，在信号编码前进行参量预调制，得到Pattern码信号，之后再进行信息调 审IJ、帖成型并通过功率放大送入参量阵向水中福射，相比较而言本发明的方法在计算量W 及通信距离等方面更具优势。2)发明人之前发表的关于差分化ttern时延差编码水声通信 的文章。本发明在前面研究的基础上，对化ttern码的生成方式化及通信的发送方式进行 了改进，本发明的方法在抗多途扩展、通信速率W及通信距离等方面更具优势。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于参量发射的差分化ttern时延差编码水声通信 方法，该方法可实现中等通信速率的稳健定向水声通信。
[0006] 本发明是该样实现的：
[0007] 在发射端：
[000引 （1. 1)采用参量预调制产生预成化ttern码信号W及预成同步信号，其中预成 Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；
[0009] (1. 2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值 调制于预成化ttern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帖时，将该帖信号打包添 加预成同步信号；
[0010] (1. 3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射；
[0011] 在接收端：
[0012] (2. 1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后 续处理单元.
[001引 （2. 2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号检测其相关峰 判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准；
[0014] (2. 3)每帖信号的第一个码元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器 或匹配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信 息解调；
[00巧](2.4)后续码元依次W前一码元化ttern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值， 进而完成f目息解调；
[0016] (2. W对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 参量发射产生的低频宽带声波，低频声波保证了水声通信的距离，宽带特性兼顾 了水声通信的速率。参量发射产生的差频声波与原频波相似的窄指向特性，宅指向特性可 减小声波在界面反射的次数，进而在一定程度上抑制了多途扩展带来的码间干扰。另外，参 量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。差 分化ttern时延差编码水声通信体制W相邻码元时间差值携带信息，不存在由相对运动产 生时间漂移的累积，具有较好的抗多普勒的能力。
【附图说明】
[0019] 图1为发射端编码原理框图；
[0020] 图2为接收端解码原理框图；
[0021] 图3为参量发射对LFM信号的影响；
[0022] 图4为普通发射方式与参量发射方式对应声线图；
[0023] 图5为普通发射方式与参量发射方式对应信道冲激响应函数；
[0024] 图6为6曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS解码示意图；
[002引 图7为10曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS解码示意图；
[0026] 图8为10曲Z中屯、频率8曲Z带宽DPDS解码示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[002引本发明提供的是一种基于参量阵的差分化ttern时延差编码水声通信方法。本 发明属于水声通信技术领域。参量阵发射利用两列声波的非线性作用可产生低频、宽带窄 指向性的差频声波，结合差分化ttern时延差编码体制可实现稳健的水声通信，通过理论 分析、仿真研究W及外场试验，验证了上述方法的可行性与有效性。在进一步研究的基础 上，该方法可有效的应用于工程实践。参量发射可产生低频、宽带窄指向性的声波，低频宽 带兼顾了通信速率与通信距离，窄指向性抑制了水声信道的多途效应，上述特性结合差分 Pattern时延差编码水声通信体制可实现稳健的水声通信，该方法适用于对稳健性要求较 高、中等通信速率的应用场景。
[0029] 在发射端；
[0030] (1)采用参量预调制产生预成化ttern码信号W及预成同步信号，其中预成的 Pattern码信号可生成一组供差分时延差调制调用，预成化ttern码经参量阵发射得到的 信号具有强自相关性与弱互相关性，用来减小相邻码元间的码间干扰；
[0031] (2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调 制于预成化ttern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帖的要求时，将该帖信号打 包添加预成同步信号；
[0032] (3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。
[0033] 在接收端；
[0034] (1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过与之相适配的带通滤波放大，送至 后续处理单元。
[0035] (2)利用拷贝相关器（匹配滤波器）检测同步信号，利用同步信号的优良的自相关 性检测其相关峰判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间 基准；
[0036] (3)每帖信号的第一个码元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器 (匹配滤波器）检测第一个码元中化ttern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信 息解调。
[0037] (4)后续码元依次W前一码元化ttern码后延对应时刻为基准，利用本地化ttern 码进行拷贝相关检测当前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值，进而完 成信息解调。
[003引 （5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0039] 作为本发明的一种较佳实施例，Pattern码信号W及同步信号均采用线性调频 (LFM)信号，为更有效地抗水声信道多途干扰，可采用正负调频的LFM信号充当相邻码元 的化ttern码，W实现码元分割。假设通信系统带宽为B=fh-fi，其中fh为上限频率， fi为下限频率，预期得到的LFM信号脉宽为T，调频斜率为k=B/T=(fh-fi)/T，预期得 到的正调频LFM信号表达式为cos(2 31fit+ 31kt2)，预期得到的负调频LFM信号表达式为 cos(2 31fht- 31kt2)。由于采用参量阵进行发射，故在发送端编码用的化ttern码需要进行 参量预调制，对于正调频LFM信号而言参量预调制形式为；cosOfit+ 31kt2/2)cos(?pt)， 对于负调频LFM信号而言参量预调制形式为；cos〇fht-31kt2/2)cosOpt)，其中为适 用于参量阵的高频载波，相关具体原理见其他说明。
[0040] 图1为参量阵差分化ttern时延差编码水声通信方法发射端编码原理框图，作为 本发明的一种较佳实施例，待发送的信息首先按照4bit进行量化得到每4bit对应的时延 差值，然后将该差值调制在当前化ttern码与前一化ttern码之间的时延上。其中当i为 奇数时采用参量预调制生成的正调频LFM信号作为化ttern码，记为LFM+，当i为偶数时采 用参量预调制生成的负调频LFM信号作为化ttern码，记为LFM-。当编码后的码元个数达 到预设帖长度时，将其打包成帖，添加同步信号，之后送入参量阵向水中福射。
[0041] 2作为本发明的一种较佳的实施例，接收端实现方法如下：
[0042]作为本发明的一种较佳的实施例，接收端采用标准水听器进行差频信号的接收。 如图2所示为接收端原理框图，由于采用了采样发射，发射端信号频带在高频段（中屯、频率 为fp)，由于声波在水中传播 时的非线性作用产生了我们预期的差频波信号，在接收端进行 带通滤波时要在差频波的频段（中屯、频率为（fh+fi)/2)进行滤波。
[00创作为本发明较佳实施例，帖同步信号采用LFM信号充当，利用拷贝相关器（匹配 滤波器）进行帖同步，给出同步信号后延出现时刻，该时刻加上同步信号与信息信号之间 保护间隔的长度即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准。每帖信号的第一个码 元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器（匹配滤波器）检测第一个码元中 Pattern码相对于解码时间基准的时延，完成第一个码元信息解调。后续码元依次W前一 码元化ttern码后延对应时刻为解码时间基准，利用本地化ttern码进行拷贝相关检测当 前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值。特别地，为实现码元分割，参 量预编码后的化ttern码有两种，在利用拷贝相关器进行解码时本地参考用的化ttern码 也与之相对应有两种，奇数时选用形如cos(2 31fit+ 31kt2)的信号做参考，偶数是选用形如 cos(2 31fht-31kt2)的信号为参考。由拷贝相关器获得各个码元对应的时延差值后，将时延 差值逆映射至信息，对该信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0044] 3作为本发明较佳实施例，其性能分析如下：
[0045] 3. 1参量发射对LFM信号幅度的影响
[0046] 欲分析参量发射对LFM信号幅度的影响，首先探讨LFM信号的参量阵发射问题，设 原频波具有如下形式； 闺
(1)
[0048] 其中t为时间，X为距离，C为介质声速，P为声压的幅值，aP为介质对角频率为 的信号的吸收系数，g(t-x/c)为高频波的包络，对于水声通信即为预期在水声信道中传 输的信号，简记为g(T)，假设该包络信号的最高频率成分相比于高频波频率为一小量， 则参量阵发射的轴向声场声压表达式为：
[0049] (2)
[0050] 其中t为时间，R为距离，P为介质的密度，0为介质的非线性参数，S为波束的 截面积，aS为差频波中屯、频率对应的吸收系数，巧=-as。简记二次微分式前面的系 数为A，则参量阵发射形成的轴向声压表达式为：
[0化1] (3)
[0052] 假设原频波包络信号为；g(t) =cos[(Ht)]，Mt)为包络信号的相位，此时不失 一般性记轴向声压为：
[0057]其中X=V4陆时!，-悼'財r为幅度因子，Y为声学非线性自解调效应带来的 相位崎变。由上述推导可知在参量阵输入端输入形如cos((l)(t)/2)cos(?pt)的信号可得 到形如cos[4 (t)]的差频信号。
[0化引为实现线性调频信号的参量发射，原频波包络信号具有如下形式：
[0059] (6)
[0060] 则获得的差频信号的幅值为：
[00 川
(7)
[0062] 式中根号下二次方量值相比于四次方量值为一小量，近似有：
[00例
佩
[0064]由式（8)可知，从频域来看利用参量阵产生的发射信号的幅值受到与频率有关的 调制因子（2 312巧的影响，因此在利用参量阵进行通信的过程中如果需要对LFM进行匹配 滤波等处理时，可对接收信号乘W-个幅度因子（1/2 312产）W均衡非线性效应的影响。图 3为某次试验中的实测发射和接收LFM信号的频谱，其中横轴为频率、纵轴为幅值。除幅度 因子之外，接收信号相位存在一个扰动，对于通信同步信号检测或化ttern时延差编码拷 贝相关解码影响不大，在此不做过多考虑。
[00化]3. 2参量发射水声信道特性
[0066] 参量发射产生的差频波具有较为尖锐的指向性，该指向性将声线约束在一个较 窄的范围内，此时在接收端收到的声线均为小掠射角声线，该特性将带来W下两方面的影 响：
[0067] A多途结构；在通信距离较近的情况下，收发节点位置固定W后，相比于全指向性 发射，参量发射收发节点之间本征声线的数目减少，意味着多径传输的路径数目减小。另 夕F，由于声线掠射角的减小，不同声线传播的声程差值减小，使得多途信道的最大时延扩展 减小。在通信距离较远的情况下，从多途结构的角度看，由于界面反射时带来较大的能量损 失，全指向性发射产生的大部分多次反射声线几近煙灭，此时两种发射方式对应的信道结 构差异较小，此时两种方式的差别更多地体现在能量方面。
[0068]B传播损失；从能量的角度分析，首先指向性发射会带来指向性增益。除了该指向 性增益W外，窄指向性对应声线的小掠射传播减少了界面发射的次数，进而减小了界面反 射带来的能量损失。
[0069] 为验证参量发射水声通信的信道特性，基于射线声学进行了声场预报，预报的结 果如图4、图5所示。预报采用了等梯度声速分布，设所在水域深度为6m，收发节点相距1km， 布放深度均为水下3m。如图4所示为对应的本征声线图，上图对应全指向发射，下图对应窄 指向发射（开角20° )，由图可知指向性发射约束了本征声线的数目，也即减少了水声信道 多途的数目。图5为两种放射方式对应信道的冲激响应函数，左图对应全指向发射，由图对 应窄指向发射，由图可知窄指向发射对应的信道结构更为简单，表现为；多途数目较少、最 大多途时延扩展较小，另外由于能量更加集中窄指向发射对应的信道响应幅值更高。
[0070] 4作为本发明较佳实施例，其外场试验结果如下：
[007U 为验证参量阵差分化ttern时延差编码水声通信方法的可行性，于2015年1月初 在松花江进行了外场试验。上述水域属浅水水域，通信距离在1km左右，发射换能器中屯、频 率150曲Z，刚性连接于圆管上，圆管由法兰刚性连接于水面平台，换能器声中屯、距水面2m 左右，接收采用4元垂直阵，阵元间距0. 5m，其他参数见表1。
[007引表1外场试验参数
[0073]
[0074] 图6为6曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS系统在0. 2km处解码情况，图7为10曲Z中 屯、频率4曲Z带宽DPDS系统在0. 2km处解码情况，图8为10曲Z中屯、频率8曲Z带宽DPDS 系统在0. 2km处解码情况。所有系统在1km处解码情况与0. 2km处相当，为更为直观地观 测系统性能，下面W0. 2km处通信信号为藍本进行分析。所有试验的误码率结果统计见表 2。
[0075] 对比图6与图7可知，提高差频波频率有效提升了接收信噪比。对比图7与图8 可知，系统带宽的进一步提高提升了LFM信号时延分辨的能力，原本比较接近的途径被区 分了出来。图8中接收信号波形图中的同步信号，可明显地看出；同步信号前半段低频部分 的响应值明显低于高频部分，该意味着随着差频带宽的提高，参量发射由于宽带信号的自 解调效应带来不同频率成分响应的差异值变大，该个差异带来了拷贝相关峰值的下降，对 比图7与图8中解码拷贝相关峰可验证该个观点。对于DPDS系统而言，当使用参量发射且 系统带宽较宽时可对拷贝相关信号进行相应的补偿，或采用相干重置的方法可进一步提高 系统性能。
[0076] 表2误码率统计表
[0077]
[007引注：误码率为0表示在统计范围内没有出现误码。
【主权项】
1. 一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法，包括发射端和接收端两 部分，其特征在于： 在发射端： (I. 1)采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用； (1. 2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制 于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预 成同步信号； (1. 3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射； 在接收端： (2. 1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后续处 理单元； (2. 2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号检测其相关峰判决 信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准； (2. 3)每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器或匹 配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信息解 调； (2. 4)后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码 进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值，进而完成 信息解调； (2. 5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
【专利摘要】本发明涉及的是水声通信领域，具体涉及一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法。本发明包括：采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预成同步信号；将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。参量发射产生的差频声波的窄指向特性可减小声波在界面反射的次数，抑制了多途扩展带来的码间干扰。参量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。
【IPC分类】H04L1/00
【公开号】CN104901776
【申请号】CN201510166509
【发明人】殷敬伟, 张晓 , 周益明, 韩笑, 杜鹏宇
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月9日
【技术领域】
[0001] 本发明设及的是水声通信领域，具体设及一种基于参量阵的差分化ttern时延差 编码水声通信方法。
【背景技术】
[0002] 差分化ttern时延差编码通信值PD巧属于脉位编码，利用相邻码元的时间差值携 带信息，相比于化ttern时延差编码水声通信方法，差分化ttern时延差编码水声通信技术 有效继承了Pattern时延差编码水声通信体制抗多途扩展的能力，此外还有效的提高了通 信速率，具有更好的抗多普勒的能力。传统的差分化ttern时延差编码水声通信方法，采用 传统发射换能器福射声波，为获得较远的通信距离需选用低频段进行通信，此时可用带宽 就会变得很窄严重限制了通信速率，为此本发明旨在结合差分化ttern时延差编码体制， 寻求更为有效的发射方式。
[0003] 参量阵发射利用两列声波的非线性作用产生的差频波，可在较低的频段获得较宽 的宽带，同时具有与原频波相近的窄波束指向特性。基于上述特性，参量阵在掩埋物探测、 地声反演W及港口警戒等领域得到了将为广泛的应用。参量阵产生的宽带低频波可同时兼 顾了水声通信对通信距离与通信速率的需求，窄指向性又有效抑制了水声信道多径传输特 性，同时在一定程度上实现了通信的保密。因此参量发射在水声通信中具有良好的前景。
[0004] 与本发明最为接近公开报道的文献有两篇；1)哈尔滨工程大学水声工程学院赵 安邦教授与2015年3月在吉林大学学报（工学版）发表名为《基于参量阵OFDM编码的水 声通信》一文。文中基于OFDM水声通信信号的特点提出了与之相适应的参量发射技术，文 中借鉴单边带调制的思路实现了将传统待发射的OFDM信号调制与高频载波上，之后送入 参量阵向水中福射。与文献不同，本发明采用了差分化ttern时延差编码水声通信体制，针 对该体制的特点，在信号编码前进行参量预调制，得到Pattern码信号，之后再进行信息调 审IJ、帖成型并通过功率放大送入参量阵向水中福射，相比较而言本发明的方法在计算量W 及通信距离等方面更具优势。2)发明人之前发表的关于差分化ttern时延差编码水声通信 的文章。本发明在前面研究的基础上，对化ttern码的生成方式化及通信的发送方式进行 了改进，本发明的方法在抗多途扩展、通信速率W及通信距离等方面更具优势。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于参量发射的差分化ttern时延差编码水声通信 方法，该方法可实现中等通信速率的稳健定向水声通信。
[0006] 本发明是该样实现的：
[0007] 在发射端：
[000引 （1. 1)采用参量预调制产生预成化ttern码信号W及预成同步信号，其中预成 Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；
[0009] (1. 2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值 调制于预成化ttern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帖时，将该帖信号打包添 加预成同步信号；
[0010] (1. 3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射；
[0011] 在接收端：
[0012] (2. 1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后 续处理单元.
[001引 （2. 2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号检测其相关峰 判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准；
[0014] (2. 3)每帖信号的第一个码元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器 或匹配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信 息解调；
[00巧](2.4)后续码元依次W前一码元化ttern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码进行拷贝相关检测当前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值， 进而完成f目息解调；
[0016] (2. W对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 参量发射产生的低频宽带声波，低频声波保证了水声通信的距离，宽带特性兼顾 了水声通信的速率。参量发射产生的差频声波与原频波相似的窄指向特性，宅指向特性可 减小声波在界面反射的次数，进而在一定程度上抑制了多途扩展带来的码间干扰。另外，参 量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。差 分化ttern时延差编码水声通信体制W相邻码元时间差值携带信息，不存在由相对运动产 生时间漂移的累积，具有较好的抗多普勒的能力。
【附图说明】
[0019] 图1为发射端编码原理框图；
[0020] 图2为接收端解码原理框图；
[0021] 图3为参量发射对LFM信号的影响；
[0022] 图4为普通发射方式与参量发射方式对应声线图；
[0023] 图5为普通发射方式与参量发射方式对应信道冲激响应函数；
[0024] 图6为6曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS解码示意图；
[002引 图7为10曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS解码示意图；
[0026] 图8为10曲Z中屯、频率8曲Z带宽DPDS解码示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[002引本发明提供的是一种基于参量阵的差分化ttern时延差编码水声通信方法。本 发明属于水声通信技术领域。参量阵发射利用两列声波的非线性作用可产生低频、宽带窄 指向性的差频声波，结合差分化ttern时延差编码体制可实现稳健的水声通信，通过理论 分析、仿真研究W及外场试验，验证了上述方法的可行性与有效性。在进一步研究的基础 上，该方法可有效的应用于工程实践。参量发射可产生低频、宽带窄指向性的声波，低频宽 带兼顾了通信速率与通信距离，窄指向性抑制了水声信道的多途效应，上述特性结合差分 Pattern时延差编码水声通信体制可实现稳健的水声通信，该方法适用于对稳健性要求较 高、中等通信速率的应用场景。
[0029] 在发射端；
[0030] (1)采用参量预调制产生预成化ttern码信号W及预成同步信号，其中预成的 Pattern码信号可生成一组供差分时延差调制调用，预成化ttern码经参量阵发射得到的 信号具有强自相关性与弱互相关性，用来减小相邻码元间的码间干扰；
[0031] (2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调 制于预成化ttern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帖的要求时，将该帖信号打 包添加预成同步信号；
[0032] (3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。
[0033] 在接收端；
[0034] (1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过与之相适配的带通滤波放大，送至 后续处理单元。
[0035] (2)利用拷贝相关器（匹配滤波器）检测同步信号，利用同步信号的优良的自相关 性检测其相关峰判决信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间 基准；
[0036] (3)每帖信号的第一个码元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器 (匹配滤波器）检测第一个码元中化ttern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信 息解调。
[0037] (4)后续码元依次W前一码元化ttern码后延对应时刻为基准，利用本地化ttern 码进行拷贝相关检测当前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值，进而完 成信息解调。
[003引 （5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0039] 作为本发明的一种较佳实施例，Pattern码信号W及同步信号均采用线性调频 (LFM)信号，为更有效地抗水声信道多途干扰，可采用正负调频的LFM信号充当相邻码元 的化ttern码，W实现码元分割。假设通信系统带宽为B=fh-fi，其中fh为上限频率， fi为下限频率，预期得到的LFM信号脉宽为T，调频斜率为k=B/T=(fh-fi)/T，预期得 到的正调频LFM信号表达式为cos(2 31fit+ 31kt2)，预期得到的负调频LFM信号表达式为 cos(2 31fht- 31kt2)。由于采用参量阵进行发射，故在发送端编码用的化ttern码需要进行 参量预调制，对于正调频LFM信号而言参量预调制形式为；cosOfit+ 31kt2/2)cos(?pt)， 对于负调频LFM信号而言参量预调制形式为；cos〇fht-31kt2/2)cosOpt)，其中为适 用于参量阵的高频载波，相关具体原理见其他说明。
[0040] 图1为参量阵差分化ttern时延差编码水声通信方法发射端编码原理框图，作为 本发明的一种较佳实施例，待发送的信息首先按照4bit进行量化得到每4bit对应的时延 差值，然后将该差值调制在当前化ttern码与前一化ttern码之间的时延上。其中当i为 奇数时采用参量预调制生成的正调频LFM信号作为化ttern码，记为LFM+，当i为偶数时采 用参量预调制生成的负调频LFM信号作为化ttern码，记为LFM-。当编码后的码元个数达 到预设帖长度时，将其打包成帖，添加同步信号，之后送入参量阵向水中福射。
[0041] 2作为本发明的一种较佳的实施例，接收端实现方法如下：
[0042]作为本发明的一种较佳的实施例，接收端采用标准水听器进行差频信号的接收。 如图2所示为接收端原理框图，由于采用了采样发射，发射端信号频带在高频段（中屯、频率 为fp)，由于声波在水中传播 时的非线性作用产生了我们预期的差频波信号，在接收端进行 带通滤波时要在差频波的频段（中屯、频率为（fh+fi)/2)进行滤波。
[00创作为本发明较佳实施例，帖同步信号采用LFM信号充当，利用拷贝相关器（匹配 滤波器）进行帖同步，给出同步信号后延出现时刻，该时刻加上同步信号与信息信号之间 保护间隔的长度即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准。每帖信号的第一个码 元W帖同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器（匹配滤波器）检测第一个码元中 Pattern码相对于解码时间基准的时延，完成第一个码元信息解调。后续码元依次W前一 码元化ttern码后延对应时刻为解码时间基准，利用本地化ttern码进行拷贝相关检测当 前码元化ttern码与前一码元化ttern码之间的时延差值。特别地，为实现码元分割，参 量预编码后的化ttern码有两种，在利用拷贝相关器进行解码时本地参考用的化ttern码 也与之相对应有两种，奇数时选用形如cos(2 31fit+ 31kt2)的信号做参考，偶数是选用形如 cos(2 31fht-31kt2)的信号为参考。由拷贝相关器获得各个码元对应的时延差值后，将时延 差值逆映射至信息，对该信息进行信道解码，最后送至信宿。
[0044] 3作为本发明较佳实施例，其性能分析如下：
[0045] 3. 1参量发射对LFM信号幅度的影响
[0046] 欲分析参量发射对LFM信号幅度的影响，首先探讨LFM信号的参量阵发射问题，设 原频波具有如下形式； 闺
(1)
[0048] 其中t为时间，X为距离，C为介质声速，P为声压的幅值，aP为介质对角频率为 的信号的吸收系数，g(t-x/c)为高频波的包络，对于水声通信即为预期在水声信道中传 输的信号，简记为g(T)，假设该包络信号的最高频率成分相比于高频波频率为一小量， 则参量阵发射的轴向声场声压表达式为：
[0049] (2)
[0050] 其中t为时间，R为距离，P为介质的密度，0为介质的非线性参数，S为波束的 截面积，aS为差频波中屯、频率对应的吸收系数，巧=-as。简记二次微分式前面的系 数为A，则参量阵发射形成的轴向声压表达式为：
[0化1] (3)
[0052] 假设原频波包络信号为；g(t) =cos[(Ht)]，Mt)为包络信号的相位，此时不失 一般性记轴向声压为：
[0057]其中X=V4陆时!，-悼'財r为幅度因子，Y为声学非线性自解调效应带来的 相位崎变。由上述推导可知在参量阵输入端输入形如cos((l)(t)/2)cos(?pt)的信号可得 到形如cos[4 (t)]的差频信号。
[0化引为实现线性调频信号的参量发射，原频波包络信号具有如下形式：
[0059] (6)
[0060] 则获得的差频信号的幅值为：
[00 川
(7)
[0062] 式中根号下二次方量值相比于四次方量值为一小量，近似有：
[00例
佩
[0064]由式（8)可知，从频域来看利用参量阵产生的发射信号的幅值受到与频率有关的 调制因子（2 312巧的影响，因此在利用参量阵进行通信的过程中如果需要对LFM进行匹配 滤波等处理时，可对接收信号乘W-个幅度因子（1/2 312产）W均衡非线性效应的影响。图 3为某次试验中的实测发射和接收LFM信号的频谱，其中横轴为频率、纵轴为幅值。除幅度 因子之外，接收信号相位存在一个扰动，对于通信同步信号检测或化ttern时延差编码拷 贝相关解码影响不大，在此不做过多考虑。
[00化]3. 2参量发射水声信道特性
[0066] 参量发射产生的差频波具有较为尖锐的指向性，该指向性将声线约束在一个较 窄的范围内，此时在接收端收到的声线均为小掠射角声线，该特性将带来W下两方面的影 响：
[0067] A多途结构；在通信距离较近的情况下，收发节点位置固定W后，相比于全指向性 发射，参量发射收发节点之间本征声线的数目减少，意味着多径传输的路径数目减小。另 夕F，由于声线掠射角的减小，不同声线传播的声程差值减小，使得多途信道的最大时延扩展 减小。在通信距离较远的情况下，从多途结构的角度看，由于界面反射时带来较大的能量损 失，全指向性发射产生的大部分多次反射声线几近煙灭，此时两种发射方式对应的信道结 构差异较小，此时两种方式的差别更多地体现在能量方面。
[0068]B传播损失；从能量的角度分析，首先指向性发射会带来指向性增益。除了该指向 性增益W外，窄指向性对应声线的小掠射传播减少了界面发射的次数，进而减小了界面反 射带来的能量损失。
[0069] 为验证参量发射水声通信的信道特性，基于射线声学进行了声场预报，预报的结 果如图4、图5所示。预报采用了等梯度声速分布，设所在水域深度为6m，收发节点相距1km， 布放深度均为水下3m。如图4所示为对应的本征声线图，上图对应全指向发射，下图对应窄 指向发射（开角20° )，由图可知指向性发射约束了本征声线的数目，也即减少了水声信道 多途的数目。图5为两种放射方式对应信道的冲激响应函数，左图对应全指向发射，由图对 应窄指向发射，由图可知窄指向发射对应的信道结构更为简单，表现为；多途数目较少、最 大多途时延扩展较小，另外由于能量更加集中窄指向发射对应的信道响应幅值更高。
[0070] 4作为本发明较佳实施例，其外场试验结果如下：
[007U 为验证参量阵差分化ttern时延差编码水声通信方法的可行性，于2015年1月初 在松花江进行了外场试验。上述水域属浅水水域，通信距离在1km左右，发射换能器中屯、频 率150曲Z，刚性连接于圆管上，圆管由法兰刚性连接于水面平台，换能器声中屯、距水面2m 左右，接收采用4元垂直阵，阵元间距0. 5m，其他参数见表1。
[007引表1外场试验参数
[0073]
[0074] 图6为6曲Z中屯、频率4曲Z带宽DPDS系统在0. 2km处解码情况，图7为10曲Z中 屯、频率4曲Z带宽DPDS系统在0. 2km处解码情况，图8为10曲Z中屯、频率8曲Z带宽DPDS 系统在0. 2km处解码情况。所有系统在1km处解码情况与0. 2km处相当，为更为直观地观 测系统性能，下面W0. 2km处通信信号为藍本进行分析。所有试验的误码率结果统计见表 2。
[0075] 对比图6与图7可知，提高差频波频率有效提升了接收信噪比。对比图7与图8 可知，系统带宽的进一步提高提升了LFM信号时延分辨的能力，原本比较接近的途径被区 分了出来。图8中接收信号波形图中的同步信号，可明显地看出；同步信号前半段低频部分 的响应值明显低于高频部分，该意味着随着差频带宽的提高，参量发射由于宽带信号的自 解调效应带来不同频率成分响应的差异值变大，该个差异带来了拷贝相关峰值的下降，对 比图7与图8中解码拷贝相关峰可验证该个观点。对于DPDS系统而言，当使用参量发射且 系统带宽较宽时可对拷贝相关信号进行相应的补偿，或采用相干重置的方法可进一步提高 系统性能。
[0076] 表2误码率统计表
[0077]
[007引注：误码率为0表示在统计范围内没有出现误码。
【主权项】
1. 一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法，包括发射端和接收端两 部分，其特征在于： 在发射端： (I. 1)采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用； (1. 2)信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制 于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预 成同步信号； (1. 3)将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射； 在接收端： (2. 1)首先使用水听器接收水中差频波信号，经过相适配的带通滤波放大，送至后续处 理单元； (2. 2)利用拷贝相关器或匹配滤波器检测同步信号，利用同步信号检测其相关峰判决 信号到来的时刻，该时刻即为后续信息码元中第一个码元解码的时间基准； (2. 3)每帧信号的第一个码元以帧同步提供的时间基准为依据，利用拷贝相关器或匹 配滤波器检测第一个码元中Pattern码相对于同步信号的时延值，完成第一个码元信息解 调； (2. 4)后续码元依次以前一码元Pattern码后延对应时刻为基准，利用本地Pattern码 进行拷贝相关检测当前码元Pattern码与前一码元Pattern码之间的时延差值，进而完成 信息解调； (2. 5)对解调得到的信息进行信道解码，最后送至信宿。
【专利摘要】本发明涉及的是水声通信领域，具体涉及一种基于参量阵的差分Pattern时延差编码水声通信方法。本发明包括：采用参量预调制产生预成Pattern码信号以及预成同步信号，其中预成Pattern码信号生成一组供差分时延差调制调用；信源信息首先经过信道编码，后将编码信息量化映射为时延值，将该时延值调制于预成Pattern码之间的时延差上，当通信信号长度达到一帧时，将该帧信号打包添加预成同步信号；将上述信号经过功率放大后通过参量阵发射。参量发射产生的差频声波的窄指向特性可减小声波在界面反射的次数，抑制了多途扩展带来的码间干扰。参量阵差频波窄指向性特性减小了发射结点暴露的风险，提高了通信的隐蔽性与保密性。
【IPC分类】H04L1/00
【公开号】CN104901776
【申请号】CN201510166509
【发明人】殷敬伟, 张晓 , 周益明, 韩笑, 杜鹏宇
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月9日
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