專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適合移動(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)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(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)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(kuò)展十分嚴(yán) 重，尤其是在淺海，多途擴(kuò)展有時(shí)可能達(dá)到上百毫秒，多途擴(kuò)展產(chǎn)生的碼間干擾是水聲 通信的主要障礙之一。時(shí)間反轉(zhuǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)反)處理技術(shù)是近年來(lái)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(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)可分為主動(dòng)時(shí) 反技術(shù)和被動(dòng)時(shí)反技術(shù)兩大類(lèi)。主動(dòng)時(shí)反技術(shù)需要一個(gè)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(hào)后時(shí)間反轉(zhuǎn)重發(fā)出去，聲場(chǎng)可在聲源位置聚焦，信號(hào)在 往返傳輸過(guò)程實(shí)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(kuò)展被壓縮。被動(dòng)時(shí)反處理與主動(dòng)時(shí)反處理的原理相 同，它利用接收到的探針信號(hào)構(gòu)造一前置預(yù)處理器，修正后續(xù)有用信號(hào)，以克服多途引 起的碼間干擾。主動(dòng)時(shí)反為雙向傳輸，陣元需要收發(fā)合置，增加了通信等待時(shí)間和系統(tǒng) 復(fù)雜性，而被動(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(chǎng)合，例如自主式水下航行器等小尺寸移動(dòng)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)檢索與本發(fā)明相關(guān)的文獻(xiàn)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(chēng)文獻(xiàn) 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(chēng)文獻(xiàn)2)。殷敬偉，王逸林等，“一種移動(dòng)水聲通信方法”，中國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN 101534156A, 2009.09 (以下稱(chēng)發(fā)明 1)。文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2研究基于單水聽(tīng)器的被動(dòng)時(shí)反擴(kuò)頻通信方法，發(fā)明1提出基于單 水聽(tīng)器的被動(dòng)時(shí)反處理的水下空分多址方案，然而理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，在復(fù)雜的水聲 多途信道下，僅用單個(gè)水聽(tīng)器進(jìn)行被動(dòng)時(shí)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(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案這種適合移動(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)反水聲通 信方法，移動(dòng)水聲通信系統(tǒng)采用被動(dòng)時(shí)反處理方法，收發(fā)雙方至少有一方運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)重復(fù)發(fā)射，收端 將不同位置、不同時(shí)刻收到的信號(hào)合并，從而獲得空間和時(shí)間分集效果。包括如下步 驟(1)收發(fā)雙方至少有一方運(yùn)動(dòng)，相同的信息幀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同的位置點(diǎn)重復(fù)發(fā) 射，并保證不同位置點(diǎn)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(shí)刻先發(fā)射一探針信號(hào)，并將探針信號(hào)作為一濾波器的傳遞 函數(shù)，后續(xù)的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，然后將收到探針信號(hào)的時(shí)間反轉(zhuǎn)與后續(xù)到達(dá)的擴(kuò)頻信 號(hào)做卷積運(yùn)算，再對(duì)卷積輸出后的信號(hào)進(jìn)行多普勒測(cè)量和修正，完成每巾貞信號(hào)的預(yù)處理；(4)收端將不同位置上收到的多個(gè)相同信息幀(預(yù)處理后的)合并成一路信號(hào)， 再進(jìn)行符號(hào)同步、擴(kuò)頻序列相關(guān)運(yùn)算，最后恢復(fù)出編碼信息。所述探針信號(hào)的帶寬應(yīng)當(dāng)包含其后的擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的主體部 分，攜帶了需要傳送的信息，擴(kuò)頻信號(hào)采用任意形式的相位調(diào)制擴(kuò)頻信號(hào)。所述的多普勒測(cè)量和修正為在每一幀數(shù)據(jù)的前后都插入探針信號(hào)，設(shè)相鄰兩 個(gè)探針信號(hào)的時(shí)間間隔為T(mén)tp，接收端通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)探針信號(hào)的拷貝相關(guān)輸出的兩次峰值 的時(shí)間間隔，得到伸縮后的接收幀長(zhǎng)度τφ，計(jì)算出一幀信號(hào)多普勒伸縮率\ = ‘/7；-1，
再對(duì)幀內(nèi)信息信號(hào)進(jìn)行插值重采樣。本發(fā)明有益的效果是(1)通信雙方在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用水聲信道在不同水平位置的弱相關(guān)性，為時(shí)反 處理提供較好的空間分集效果，與此同時(shí)，相同的信息幀在不同的時(shí)刻點(diǎn)重復(fù)發(fā)射，可 以獲得時(shí)間分集增益，提高接收成功率。(2)與傳統(tǒng)的多元陣時(shí)反通信方法相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)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(gè)實(shí)物陣元，就可以獲得空間分集效果，增強(qiáng)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(dòng)平 臺(tái)。(3)在進(jìn)行被動(dòng)時(shí)反處理時(shí)，發(fā)端先用探針信號(hào)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(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)在通過(guò)換能器發(fā)射之前先經(jīng)過(guò)該濾波器，這樣做可以降 低發(fā)射信號(hào)的峰平比。


圖1是水聲通信方法的原理框圖；圖2是計(jì)算機(jī)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(hào)自相關(guān)函數(shù)的和，虛擬陣陣元個(gè)數(shù)J分別是1、3、6。圖5是一個(gè)接收符號(hào)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(gè)數(shù)J分別是1、3、6。圖6是誤碼率與虛擬陣陣元個(gè)數(shù)之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明1.發(fā)射信號(hào)生成方法本發(fā)明的水聲通信系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)包括探針信號(hào)和經(jīng)過(guò)預(yù)處理的擴(kuò)頻信號(hào)兩部 分。探針信號(hào)有兩個(gè)作用，其一，使通信系統(tǒng)在接收端能夠找到每幀信號(hào)的起始位置， 并且通過(guò)測(cè)量前后兩個(gè)探針信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，確定幀內(nèi)信號(hào)的多普勒擴(kuò)展(壓縮)量。 在本技術(shù)領(lǐng)域，線性調(diào)頻信號(hào)或雙曲調(diào)頻信號(hào)是常用的同步信號(hào)形式。其二，接收端保 存收到的探針信號(hào)，將其與后續(xù)到達(dá)的信息信號(hào)做互相關(guān)處理。擴(kuò)頻信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的 主體部分，它攜帶了需要傳送的信息，所述的擴(kuò)頻信號(hào)可以是任意形式的擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò) 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(jī) 序列。圖1(a)是發(fā)射端處理流程圖，每個(gè)擴(kuò)頻符號(hào)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(hào)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(gè)擴(kuò)頻符號(hào)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(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡上的第j個(gè)發(fā)射點(diǎn)(或接收點(diǎn))看做一 條虛擬水平陣上的第j個(gè)陣元，由于收發(fā)是相對(duì)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(hào)采用線性調(diào)頻信號(hào)P(O，擴(kuò)頻信號(hào)為m(t)，運(yùn)動(dòng)軌跡上第 j點(diǎn)與接收水聽(tīng)器之間的信道響應(yīng)為G(t，η),接收到的探針信號(hào)pjt)和信息信號(hào)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(yùn)算，用pjt)的時(shí)間反轉(zhuǎn)pj-t)與mjt)做卷積運(yùn)算，完成被動(dòng) 時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，發(fā)射端重復(fù)發(fā)射信息信號(hào)m(t)，接收端將多個(gè)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(hào)的自相關(guān)函數(shù)呈現(xiàn)“單峰”，當(dāng)空間上有多個(gè)不相關(guān)或弱相關(guān)信道的 自相關(guān)函數(shù)相干疊加時(shí)，Q(t)的主瓣會(huì)增強(qiáng)，旁瓣會(huì)明顯降低。定義接收到的探針信號(hào)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(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)，相同的信息幀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同的位置點(diǎn)重復(fù)發(fā)射， 并保證不同位置點(diǎn)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(shí)刻先發(fā)射一探針信號(hào)，并將探針信號(hào)作為一濾波器的傳遞函 數(shù)，后續(xù)的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，然后將收到探針信號(hào)的時(shí)間反轉(zhuǎn)與后續(xù)到達(dá)的擴(kuò)頻信號(hào) 做卷積運(yùn)算，再對(duì)卷積輸出后的信號(hào)進(jìn)行多普勒測(cè)量和修正，完成每幀信號(hào)的預(yù)處理；(4)收端將不同位置上收到的多個(gè)相同信息幀合并成一路信號(hào)，再進(jìn)行符號(hào)同步、擴(kuò) 頻序列相關(guān)運(yùn)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(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征是探針 信號(hào)的帶寬應(yīng)當(dāng)包含其后的擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的主體部分，攜帶了需要傳 送的信息，擴(kuò)頻信號(hào)采用任意形式的相位調(diào)制擴(kuò)頻信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適合移動(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，其特征是所述 的多普勒測(cè)量和修正為在每一幀數(shù)據(jù)的前后都插入探針信號(hào)，設(shè)相鄰兩個(gè)探針信號(hào)的 時(shí)間間隔為T(mén)tp，接收端通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)探針信號(hào)的拷貝相關(guān)輸出的兩次峰值的時(shí)間間隔， 得到伸縮后的接收幀長(zhǎng)度Τφ，計(jì)算出一幀信號(hào)多普勒伸縮率么=7；/7；-1，再對(duì)幀內(nèi)信息 信號(hào)進(jìn)行插值重采樣。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適合移動(dòng)平臺(tái)的被動(dòng)時(shí)反水聲通信方法，收發(fā)雙方至少有一方運(yùn)動(dòng)，相同的信息幀在不同的位置點(diǎn)重復(fù)發(fā)射，并保證不同位置點(diǎn)的信道傳遞函數(shù)之間具有較低的相關(guān)性。收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行幀同步、時(shí)反卷積和多普勒修正等預(yù)處理，然后將不同相對(duì)位置處收到的多個(gè)預(yù)處理信號(hào)合并，再經(jīng)符號(hào)同步、擴(kuò)頻序列相關(guān)等運(yùn)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(shí)反處理提供空間分集效果，降低了時(shí)反通信系統(tǒng)的配置，最低配置只需收發(fā)端各一個(gè)實(shí)物陣元，與此同時(shí)，相同的信息幀在不同的時(shí)刻點(diǎn)重復(fù)發(fā)射，也獲得了時(shí)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(hào)H04B13/02GK102025423SQ201010581840
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)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(xiàn) 申請(qǐng)人:中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所