一種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿鯨魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿鯨魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法。本發(fā)明包括：選取合適的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò)頻信號(hào)隱藏；將數(shù)字信源信息調(diào)制為直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍需要在鯨魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)；將步驟(2)產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)與步驟(1)中選取的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)相加，形成仿生通信信號(hào)等。本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)干擾抵消的仿鯨魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法，簡(jiǎn)單易行，可靠性高，既能保證通信信息的隱蔽性與安全性，又能很好的滿足于水下隱蔽聲通信系統(tǒng)需求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿飯魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水聲通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲 隱蔽水聲通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的隱蔽水聲通信方法是將通信信號(hào)噪聲"的形式引入到水聲環(huán)境中，但運(yùn) 種方式存在一定的不足之處，就是被動(dòng)聲響采用長(zhǎng)時(shí)間積分探測(cè)仍可探測(cè)到運(yùn)種"噪聲"， 因此該方法不具備絕對(duì)的安全性和隱蔽性。為提升傳統(tǒng)隱蔽方法的隱蔽性，本發(fā)明從人耳 聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)角度出發(fā)，將低聲源級(jí)的擴(kuò)頻信號(hào)隱藏在高聲源級(jí)的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)合適的時(shí) 頻分布區(qū)間，當(dāng)通信信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)，會(huì)被當(dāng)作海洋生物噪聲而被排除，從而提高擴(kuò)頻信號(hào) 的隱蔽特性。運(yùn)種方法可W有效的保證傳輸信息的隱蔽性與安全性，且具有良好的通信效 果。
[0003] 公開(kāi)的仿生偽裝隱蔽通信方法中多是模擬海豚哨聲和喃晤聲等海豚叫聲，將信息 調(diào)制在運(yùn)些叫聲上，讓探測(cè)方在識(shí)別運(yùn)些信號(hào)時(shí)，把其當(dāng)作海洋生物叫聲而排除，從而實(shí)現(xiàn) 偽裝隱蔽通信目的，例如：中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)CN104967489A中公開(kāi)的一種MSK信號(hào)嵌入海豚哨 聲信號(hào)的仿生水聲通信方法，是將MSK信號(hào)嵌入到海豚哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓曲線中，實(shí)現(xiàn)仿 海豚哨聲信號(hào)；中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)CN105185382A公開(kāi)的一種基于時(shí)頻譜伸縮的仿海豚哨聲水 聲通信方法，是將信息W海豚哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓曲線伸縮的方式加 W調(diào)制，使得合成的 編碼信號(hào)符合海豚哨聲信號(hào)的特點(diǎn)；中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)CN105391501A公開(kāi)的一種基于時(shí)頻譜 平移的仿海豚哨聲水聲通信方法，是將信息調(diào)制在海豚哨聲時(shí)頻譜曲線的平移量上，然后 在合成模擬的海豚哨聲信號(hào)；中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)CN105227246A公開(kāi)的一種利用分段LFM信號(hào) 仿海豚哨聲信號(hào)的水聲通信方法，將信息調(diào)制在LFM信號(hào)上，通過(guò)LFM信號(hào)的組合來(lái)近似模 擬海豚哨聲信號(hào)；中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)CN103368660A中公開(kāi)的一種基于差分化ttern時(shí)延差編 碼的仿生水聲通信方法，是將海豚Whistles信號(hào)應(yīng)用于差分化ttern時(shí)延差編碼通信體制 中，從而實(shí)現(xiàn)仿生隱蔽通信。W上專(zhuān)利都是基于海豚哨聲來(lái)進(jìn)行仿生模擬通信，信息都調(diào)制 在真實(shí)的哨聲或者模擬的哨聲中，而不是傳統(tǒng)的擴(kuò)頻信號(hào)中。中國(guó)專(zhuān)利說(shuō)明書(shū) CN104753561A中公開(kāi)的一種抑制水聲通信中多途干擾的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制方法，是利用直 接序列擴(kuò)頻調(diào)制來(lái)提高信息傳輸效率，而不是W隱蔽為主要目的。上述專(zhuān)利是通過(guò)模仿海 豚叫聲來(lái)提高通信的隱蔽性或者是通過(guò)方法的改進(jìn)來(lái)提高通信的有效性，而不是基于人耳 的聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)，利用嫁魚(yú)的叫聲信號(hào)，來(lái)提高通信的隱蔽效果

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提出一種實(shí)現(xiàn)仿生隱蔽水聲通信的基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁 魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0006] -種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法，包括如下步驟：
[0007] 發(fā)送端
[0008] (1)選取合適的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò)頻信 號(hào)隱藏；
[0009] 選取頻率低、聲源級(jí)高的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)作為掩蔽聲音，選取在同一頻帶內(nèi)的直接 序列擴(kuò)頻信號(hào)作為被掩蔽聲音，
[0010] 歸一化嫁魚(yú)叫聲信號(hào)用w(n)表示，其短時(shí)傅立葉譜為Fw(t，f)，其中t表示時(shí)間，f 表示頻率，
[0011] Amax=max(Fw(t,f))
[0012] Amax為短時(shí)傅立葉變換后的最大幅度，令α為掩蔽口限系數(shù)，求出當(dāng)Fw(t，f)>aX Amax時(shí)，對(duì)應(yīng)的W(η )信號(hào)的時(shí)間范圍[tl，t2 ]和頻率范圍[fL，fΗ]，其中tl為時(shí)間范圍的起始時(shí) 亥IJ，t2為時(shí)間范圍的結(jié)束時(shí)刻，肝為頻率范圍的最低頻率，時(shí)為頻率范圍的最高頻率，得到作 為被掩蔽聲音的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)帶寬B =時(shí)-f L，載波頻率f C = ( f L+f Η ) /2 ;
[0013] (2)將數(shù)字信源信息調(diào)制為直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍需要在嫁魚(yú) 叫聲信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)；
[0014] 首先通過(guò)擴(kuò)頻碼序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一組偽碼c(t)，將信源信號(hào)a(t)與擴(kuò)頻碼c(t)作 模巧日運(yùn)算形成調(diào)制碼，然后采用BPSK調(diào)制方式，控制載波cos(2時(shí)ct)，其中fc為擴(kuò)頻信號(hào)的 載波頻率，即可得到擴(kuò)頻信號(hào)si(t):
[0015] si(t) = Aa(t)c(t)cos(2JTfct)
[0016] 其中，A是信源信號(hào)的幅度，并且保證a(t)的碼元寬度Tb是擴(kuò)頻嗎c(t)碼元寬度Tc 的整數(shù)倍;使擴(kuò)頻信號(hào)信號(hào)的頻帶寬度小于調(diào)整后的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶寬度；
[0017] (3)將步驟(2)產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)與步驟（1)中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)相加，形成仿生 通信信號(hào)，嫁魚(yú)叫聲信號(hào)既作為同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)；
[0018] 掩蔽強(qiáng)度MS為歸一化嫁魚(yú)叫聲功率與歸一化擴(kuò)頻信號(hào)功率之比的對(duì)數(shù)，單位為分 貝，即
[0019] MS=101〇g(Pwhale/PDSSs)
[0020] 其中，Pwhale為嫁魚(yú)叫聲信號(hào)的功率，PdSSS為擴(kuò)頻信號(hào)的功率，在給定掩蔽強(qiáng)度與嫁 魚(yú)叫聲時(shí)，推算出擴(kuò)頻信號(hào)幅度衰減系數(shù)β，歸一化擴(kuò)頻信號(hào)用S(n)表示，其長(zhǎng)度應(yīng)在時(shí)間 范圍[ti，t2]，合成后的含擴(kuò)頻信號(hào)的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，即仿生通信信號(hào)m(n)為：
[0021]
[0022] (4)將步驟(3)產(chǎn)生的通信信號(hào)發(fā)送到水聲信道中，并在接收端接收信號(hào)；
[00剖接收端：
[0024] (5)利用步驟(1)中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步；
[0025] 同步時(shí)，將接受信號(hào)與步驟（1)中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)作拷貝相關(guān)處理，找到最大 峰值的位置，即可確定通信信號(hào)的起始時(shí)間。
[0026] (6)基于步驟（1)選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，采用基于遞推最小二乘法化S的自適應(yīng)干 擾抵消法，在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)嫁魚(yú)叫聲信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的分離；
[0027] 把原始擴(kuò)頻信號(hào)提取出來(lái)，提取得到的擴(kuò)頻信號(hào)Sextract(t);
[0028] 輸入的參考信號(hào)為原始的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)w(n)，濾波器的權(quán)系數(shù)矢量為l(n)，接收 到的含有嫁魚(yú)叫聲的擴(kuò)頻信號(hào)X(n)=w(n)+s(n)，期望得到的純凈的擴(kuò)頻信號(hào)為Sextract (η)，自適應(yīng)相干抵消的處理過(guò)程如下：
[0029] 首先，設(shè)置初始的1 (η) = 0，定義中間量Ρ (0) = δ九，L是Ν X Ν單位陣，δ為正值；
[0030] 對(duì)于η = 0,1,2,3...，計(jì)算：
[0031] 濾波:y(n)=wT(n)l(n);
[0032] 做差：36血3。1；(11)=義（]1)-7(]1);
[0033] 求中間量：
[0034] 系數(shù)更新：l(n) = l(n-l)+P(n)w(n)wT(n)Sex付act(n)
[0035] 重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到不含有嫁魚(yú)叫聲的離散擴(kuò)頻信號(hào)Sextract(n)， 若將其表示為連續(xù)信號(hào)，則可W表示為SextraEt(t);
[0036] (7)對(duì)步驟(6)中得到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)，恢復(fù)信源信息；
[0037] 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)采用外差式解擴(kuò)法，在接收機(jī)中，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò) 是由混頻器和中頻濾波器組成的相關(guān)器完成的；參與混頻的兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是分離出的擴(kuò) 頻信號(hào)Sextract(t)，另一個(gè)接收本地參考振蕩信號(hào)cos[化(fc+flF)t]受本地參考擴(kuò)頻碼Cr(t) 調(diào)制形成的本地參考信號(hào)Cr ( t) COS [ ( f c+f IF) t ]，其中，f IF是中頻頻率；
[0038] 混頻的過(guò)程就是運(yùn)兩個(gè)已調(diào)信號(hào)在時(shí)域上相乘的過(guò)程，即
[0039] Sextract(t)cr(t)c〇s[23T(fc+flF)t]
[0040] 當(dāng)發(fā)射端擴(kuò)頻碼C(t)與本地參考擴(kuò)頻碼Cr(t)完全同步時(shí)，
[0041] C(t)Cr(t) = l
[0042] 則輸出信號(hào)就是被解擴(kuò)且含有信息的中頻帶通信號(hào)a(t)cos(化fiFt);
[0043] 解調(diào)時(shí)采用相干解調(diào)法，通過(guò)本地振蕩器產(chǎn)生一個(gè)與中頻載波同頻同相的本地相 干載波參考信號(hào)cos(化fiFt)，將上述獲得的已調(diào)信號(hào)通過(guò)乘法器，再通過(guò)低通濾波器，經(jīng)過(guò) 抽樣判決后，得到解調(diào)信號(hào)，即得到原始信源信號(hào)a(t)。
[0044] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0045] 上述的基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法中，步驟1中使用的 嫁魚(yú)叫聲信號(hào)可W是各類(lèi)嫁魚(yú)的叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò) 頻信號(hào)的隱藏。對(duì)信源信息與擴(kuò)頻碼組成的調(diào)制碼通過(guò)BPSK調(diào)制方式，形成直接序列擴(kuò)頻 信號(hào)，并保證擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍在嫁魚(yú)叫聲信號(hào)頻率范圍內(nèi)。根據(jù)高聲源級(jí)的嫁魚(yú)叫聲 信號(hào)可W掩蓋低聲源級(jí)的擴(kuò)頻信號(hào)的特點(diǎn)，把嫁魚(yú)叫聲信號(hào)與擴(kuò)頻信號(hào)相加，形成仿生通 信信號(hào)。其中，嫁魚(yú)叫聲既作為同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)。在信號(hào)傳輸過(guò)程中， 即使通信信號(hào)被檢測(cè)到，含有數(shù)據(jù)的通信信號(hào)會(huì)被當(dāng)作海洋生物叫聲信號(hào)排除，從而提高 擴(kuò)頻信號(hào)的隱蔽性，實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。在接收端，對(duì)同步后的通信信號(hào)，采用自適應(yīng)干擾抵消 法在時(shí)域分離出擴(kuò)頻信號(hào)，再對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)、解調(diào)，恢復(fù)原始信源信息。本發(fā)明所述的基 于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法，簡(jiǎn)單易行，可靠性高，既能保證通信信 息的隱蔽性與安全性，又能很好的滿足于水下隱蔽聲通信系統(tǒng)需求。
【附圖說(shuō)明】
[0046] 圖1為嫁魚(yú)叫聲信號(hào)掩蓋擴(kuò)頻信號(hào)的仿生水聲通信原理圖；
[0047]圖2為信源信號(hào)調(diào)制原理圖；
[004引圖3為自適應(yīng)濾波器原理圖；
[0049] 圖4為擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)原理圖；
[0050] 圖5為已調(diào)信號(hào)相干解調(diào)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0052] 本發(fā)明公開(kāi)了一種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法。本發(fā)明 從仿生偽裝角度出發(fā)，利用人耳聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)實(shí)現(xiàn)隱蔽通信。在發(fā)射端，將信源信息調(diào)制為 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，并與真實(shí)的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)混合，形成仿生通信信號(hào)，送入水聲信道。其 中嫁魚(yú)的叫聲信號(hào)既作為通信信號(hào)中的同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)。在接收端， 采用自適應(yīng)干擾抵消法在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)嫁魚(yú)叫聲信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的分離。該技術(shù)從仿生偽裝 角度出發(fā)，在實(shí)現(xiàn)寬距離范圍隱蔽水聲通信的同時(shí)，借助仿生偽裝思想，提升了傳統(tǒng)低信噪 比條件下擴(kuò)頻隱蔽通信的效果。
[0053] 基于自適應(yīng)干擾抵消的仿嫁魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法，包括：
[0054] 發(fā)送端：
[0055] 步驟1:選取合適的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò) 頻信號(hào)隱藏；
[0056] 步驟2:將數(shù)字信源信息調(diào)制為直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍需要在嫁 魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)；
[0057] 步驟3:將步驟2產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)與步驟1中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)相加，形成仿生通 信信號(hào)，嫁魚(yú)叫聲信號(hào)既作為同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)；
[005引步驟4:將步驟3產(chǎn)生的通信信號(hào)發(fā)送到水聲信道中，并在接收端接收信號(hào)；
[00別接收端：
[0060] 步驟5:利用步驟1中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步；
[0061] 步驟6:基于步驟1選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，采用基于遞推最小二乘法(RLS)的自適應(yīng) 干擾抵消法，在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)嫁魚(yú)叫聲信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的分離；
[0062] 步驟7:基于步驟的尋到的擴(kuò)頻信號(hào)，進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)，恢復(fù)信源信息。
[0063] 嫁魚(yú)叫聲信號(hào)是低頻信號(hào)，而擴(kuò)頻信號(hào)具有良好的隱蔽性，基于人耳聽(tīng)覺(jué)掩蔽效 應(yīng)，
[0064] 將通信信息調(diào)制為擴(kuò)頻信號(hào)，且其頻帶寬度小于嫁魚(yú)叫聲信號(hào)的帶寬，將嫁魚(yú)叫 聲信號(hào)與擴(kuò)頻信號(hào)混合，發(fā)送到水聲信道中進(jìn)行通信，從仿生角度實(shí)現(xiàn)通信的隱蔽性。
[0065] 發(fā)送端；
[0066] 步驟1:選取合適的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò) 頻信號(hào)隱藏；
[0067] 由于人耳的聽(tīng)覺(jué)掩蔽效應(yīng)可知，若兩個(gè)信號(hào)頻率相近，那么較強(qiáng)的信號(hào)將掩蓋較 弱的信號(hào)。本專(zhuān)利中，選取頻率低、聲源級(jí)高的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)作為掩蔽聲音，選取在同一頻 帶內(nèi)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)作為被掩蔽聲音。
[006引歸一化嫁魚(yú)叫聲信號(hào)用w(n)表示，其短時(shí)傅立葉譜為Fw(t，f)，其中t表示時(shí)間，f 表示頻率，令
[0069] Amax =max(Fw(t,f)) (1)
[0070] Amax為短時(shí)傅立葉變換后的最大幅度。令α為掩蔽口限系數(shù)，求出當(dāng)Fw(t，f)>aX Amax時(shí)，對(duì)應(yīng)的W(η )信號(hào)的時(shí)間范圍[tl，t2 ]和頻率范圍[fL，fΗ]，其中tl為時(shí)間范圍的起始時(shí) 亥IJ，t勸時(shí)間范圍的結(jié)束時(shí)刻，肝為頻率范圍的最低頻率，時(shí)為頻率范圍的最高頻率。貝柯W 得到作為被掩蔽聲音的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)帶寬B = fH-fL，載波頻率fc=化+時(shí))/2。
[0071] 步驟2:將數(shù)字信源信息調(diào)制為直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍需要在嫁 魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)；
[0072] 首先通過(guò)擴(kuò)頻碼序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一組偽碼c(t)，將信源信號(hào)a(t)與擴(kuò)頻碼c(t)作 模巧日運(yùn)算形成調(diào)制碼，然后采用BPSK調(diào)制方式，控制載波cos(2時(shí)ct)，其中fc為擴(kuò)頻信號(hào)的 載波頻率，即可得到擴(kuò)頻信號(hào)si(t):
[0073] si(t) = Aa(t)c(t)cos(2JTfct) (2)
[0074] 其中，A是信源信號(hào)的幅度，并且保證a(t)的碼元寬度Tb是擴(kuò)頻嗎c(t)碼元寬度Tc 的整數(shù)倍。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)隱蔽通信、達(dá)到信號(hào)掩蓋的效果，要使擴(kuò)頻信號(hào)信號(hào)的頻帶寬度小 于調(diào)整后的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶寬度。
[0075] 步驟3:將步驟2產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)與步驟1中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)相加，形成仿生通 信信號(hào)，嫁魚(yú)叫聲信號(hào)既作為同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)；
[0076] 定義掩蔽強(qiáng)度MS為歸一化嫁魚(yú)叫聲功率與歸一化擴(kuò)頻信號(hào)功率之比的對(duì)數(shù)，單位 為分貝，即
[0077] MS=101〇g(Pwhale/PDSSs) (3)
[0078] 其中，Pwhale為嫁魚(yú)叫聲信號(hào)的功率，PdSSS為擴(kuò)頻信號(hào)的功率。在給定掩蔽強(qiáng)度與嫁 魚(yú)叫聲時(shí)，可W推算出擴(kuò)頻信號(hào)幅度衰減系數(shù)β，歸一化擴(kuò)頻信號(hào)用s(n)表示，其長(zhǎng)度應(yīng)在 時(shí)間范圍[ti，t2]。合成后的含擴(kuò)頻信號(hào)的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，即仿生通信信號(hào)m(n)為：
[0079]
[0080] 步驟4:將步驟3產(chǎn)生的通信信號(hào)發(fā)送到水聲信道中，并在接收端接收信號(hào)；
[0081]接收端；
[0082] 步驟5:利用步驟1中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步；
[0083] 同步時(shí)，將接受信號(hào)與步驟1中選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)作拷貝相關(guān)處理，找到最大峰 值的位置，即可確定通信信號(hào)的起始時(shí)間。
[0084] 步驟6:基于步驟1選取的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)，采用基于遞推最小二乘法(RLS)的自適應(yīng) 干擾抵消法，在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)嫁魚(yú)叫聲信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的分離；
[0085] 本專(zhuān)利采用自適應(yīng)干擾抵消法，把原始擴(kuò)頻信號(hào)提取出來(lái)，提取得到的擴(kuò)頻信號(hào) Sextract(t)〇
[0086] 自適應(yīng)相干抵消法的自適應(yīng)濾波算法為基于遞歸技術(shù)尋找最優(yōu)權(quán)的遞歸最小二 乘化S算法。若輸入的參考信號(hào)為原始的嫁魚(yú)叫聲信號(hào)w(n)，濾波器的權(quán)系數(shù)矢量為l(n)， 接收到的含有嫁魚(yú)叫聲的擴(kuò)頻信號(hào)x(n)=w(n)+s(n)，期望得到的純凈的擴(kuò)頻信號(hào)為 SextraEt(n)，則該自適應(yīng)相干抵消器的處理過(guò)程如下：
[0087] 首先，設(shè)置初始的l(n)=0,或者根據(jù)一些先驗(yàn)知識(shí)確定其初始值，定義中間量P (0)=δ-lL，L是NXN單位陣，δ為很小的正值。
[008引對(duì)于n = 0,1,2,3...，計(jì)算：
[0089] 濾波:y(n)=wT(n)l(n);
[0090] 做差：36血3。1；(11)=義（]1)-7(]1);
[0091] 求中間量：
[0092] 系數(shù)更新：l(n) = l(n-l)+P(n)w(n)wT(n)Sex付act(n)
[0093] 通過(guò)多次重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行迭代運(yùn)算，最終可W得到不含有嫁魚(yú)叫聲的離散擴(kuò) 頻信號(hào)Sextraet(n)，若將其表示為連續(xù)信號(hào)，則可W表示為Sextraet(t)，
[0094] 步驟7:對(duì)步驟6中得到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)，恢復(fù)信源信息。
[00%]直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)采用外差式解擴(kuò)法。在接收機(jī)中，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò) 是由混頻器和中頻濾波器組成的相關(guān)器完成的。參與混頻的兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是分離出的擴(kuò) 頻信號(hào)Sextract(t)，另一個(gè)接收本地參考振蕩信號(hào)cos[化(fc+flF)t]受本地參考擴(kuò)頻碼Cr(t) 調(diào)制形成的本地參考信號(hào)(3如)(303[231化+扣)禮其中，虹是中頻頻率。
[0096] 混頻的過(guò)程就是運(yùn)兩個(gè)已調(diào)信號(hào)在時(shí)域上相乘的過(guò)程，即
[0097] Sextract(t)cr(t)c〇s[23T(fc+flF)t] (5)
[0098] 混頻后，信號(hào)經(jīng)過(guò)中頻濾波器，可W有效地抑制噪聲干擾等帶外分量。
[0099] 當(dāng)發(fā)射端擴(kuò)頻碼C(t)與本地參考擴(kuò)頻碼Cr(t)完全同步時(shí)，有
[0100] c(t)cr(t) = l (6)
[0101] 則輸出信號(hào)就是被解擴(kuò)且含有信息的中頻帶通信號(hào)a(t)cos(化fiFt)。
[0102] 解調(diào)時(shí)采用相干解調(diào)法。通過(guò)本地振蕩器產(chǎn)生一個(gè)與中頻載波同頻同相的本地相 干載波參考信號(hào)cos(化fiFt)，將上述獲得的已調(diào)信號(hào)通過(guò)乘法器，再通過(guò)低通濾波器，經(jīng)過(guò) 抽樣判決后，得到解調(diào)信號(hào)，即得到原始信源信號(hào)a(t)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于自適應(yīng)干擾抵消的仿鯨魚(yú)叫聲隱蔽水聲通信方法，其特征在于： 發(fā)送端 (1) 選取合適的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)，分析其時(shí)頻特性，選擇合適的時(shí)頻區(qū)間用于擴(kuò)頻信號(hào)隱 藏； 選取頻率低、聲源級(jí)高的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)作為掩蔽聲音，選取在同一頻帶內(nèi)的直接序列 擴(kuò)頻信號(hào)作為被掩蔽聲音， 歸一化鯨魚(yú)叫聲信號(hào)用w(n)表示，其短時(shí)傅立葉譜為Fw(t，f)，其中t表示時(shí)間，f表示頻 率， Amax = max(Fw(t,f)) Amax為短時(shí)傅立葉變換后的最大幅度，令α為掩蔽門(mén)限系數(shù)，求出iFw(t，f) >α X Amax時(shí)， 對(duì)應(yīng)的w(n)信號(hào)的時(shí)間范圍[t，t2]和頻率范圍[fu fη]，其中t為時(shí)間范圍的起始時(shí)刻，t2 為時(shí)間范圍的結(jié)束時(shí)刻，紅為頻率范圍的最低頻率，fH為頻率范圍的最高頻率，得到作為被 掩蔽聲音的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)帶寬B = f H-fl，載波頻率f。= (??+f η ) /2; (2) 將數(shù)字信源信息調(diào)制為直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，擴(kuò)頻信號(hào)的頻率范圍需要在鯨魚(yú)叫聲 信號(hào)的頻帶范圍內(nèi)； 首先通過(guò)擴(kuò)頻碼序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一組偽碼c(t)，將信源信號(hào)a(t)與擴(kuò)頻碼c(t)作模2 加運(yùn)算形成調(diào)制碼，然后采用BPSK調(diào)制方式，控制載波cosUnfU)，其中f。為擴(kuò)頻信號(hào)的載 波頻率，即可得到擴(kuò)頻信號(hào) S1(t): si(t) = Aa(t)c(t)cos(2JTfct) 其中，A是信源信號(hào)的幅度，并且保證a(t)的碼元寬度Tb是擴(kuò)頻嗎c(t)碼元寬度T。的整 數(shù)倍;使擴(kuò)頻信號(hào)信號(hào)的頻帶寬度小于調(diào)整后的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)的頻帶寬度； (3) 將步驟(2)產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)與步驟（1)中選取的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)相加，形成仿生通信 信號(hào)，鯨魚(yú)叫聲信號(hào)既作為同步信號(hào)，又作為擴(kuò)頻信號(hào)的掩蔽信號(hào)； 掩蔽強(qiáng)度MS為歸一化鯨魚(yú)叫聲功率與歸一化擴(kuò)頻信號(hào)功率之比的對(duì)數(shù)，單位為分貝， 即 MS= 101〇g(Pwhale/PDSSs) 其中，PwhA為鯨魚(yú)叫聲信號(hào)的功率，Pdsss為擴(kuò)頻信號(hào)的功率，在給定掩蔽強(qiáng)度與鯨魚(yú)叫 聲時(shí)，推算出擴(kuò)頻信號(hào)幅度衰減系數(shù)β，歸一化擴(kuò)頻信號(hào)用S(n)表示，其長(zhǎng)度應(yīng)在時(shí)間范圍 [tits]，合成后的含擴(kuò)頻信號(hào)的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)，即仿生通信信號(hào)m(n)為：(4) 將步驟(3)產(chǎn)生的通信信號(hào)發(fā)送到水聲信道中，并在接收端接收信號(hào)； 接收端： (5) 利用步驟(1)中選取的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步； 同步時(shí)，將接受信號(hào)與步驟（1)中選取的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)作拷貝相關(guān)處理，找到最大峰值 的位置，即可確定通信信號(hào)的起始時(shí)間。 (6) 基于步驟（1)選取的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)，采用基于遞推最小二乘法RLS的自適應(yīng)干擾抵 消法，在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)鯨魚(yú)叫聲信號(hào)和擴(kuò)頻信號(hào)的分離； 把原始擴(kuò)頻信號(hào)提取出來(lái)，提取得到的擴(kuò)頻信號(hào) 輸入的參考信號(hào)為原始的鯨魚(yú)叫聲信號(hào)w(n)，濾波器的權(quán)系數(shù)矢量為l(n)，接收到的 含有鯨魚(yú)叫聲的擴(kuò)頻信號(hào)X(n)=w(n)+s(n)，期望得到的純凈的擴(kuò)頻信號(hào)為Se3Xtrac；t(n)，自 適應(yīng)相干抵消的處理過(guò)程如下： 首先，設(shè)置初始的1 (η) = 0，定義中間量Ρ(0) = δ九，L是N X N單位陣，δ為正值； 對(duì)于η = 0,1,2,3...，計(jì)算： 濾波:y(n)=wT(n)l(n); ?^：Sextract(n)=x(n)-y(n)； 求中間量系數(shù)更新：l(n) = l(n-l)+P(n)w(n)wT(n)sextract(n) 重復(fù)上述過(guò)程，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到不含有鯨魚(yú)叫聲的離散擴(kuò)頻信號(hào)Sextrac^n)，若將其 表示為連續(xù)信號(hào)，則可以表示為sextrac；t(t); (7)對(duì)步驟(6)中得到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)，恢復(fù)信源信息； 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)采用外差式解擴(kuò)法，在接收機(jī)中，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)是由 混頻器和中頻濾波器組成的相關(guān)器完成的；參與混頻的兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是分離出的擴(kuò)頻信 號(hào)另一個(gè)接收本地參考振蕩信號(hào)受本地參考擴(kuò)頻碼 Cr(t)調(diào)制 形成的本地參考?目號(hào)Cr(t)C0S[2lT ( f c+f if ) t ]，其中，f IF是中頻頻率； 混頻的過(guò)程就是這兩個(gè)已調(diào)信號(hào)在時(shí)域上相乘的過(guò)程，即 Sextract (t)Cr(t)COS[ 2冗（fc+flF) t ] 當(dāng)發(fā)射端擴(kuò)頻碼C (t )與本地參考擴(kuò)頻碼Cr (t)完全同步時(shí)， c(t)cr(t) = 1 則輸出信號(hào)就是被解擴(kuò)且含有信息的中頻帶通信號(hào)a(t)C〇S(23ifIFt); 解調(diào)時(shí)采用相干解調(diào)法，通過(guò)本地振蕩器產(chǎn)生一個(gè)與中頻載波同頻同相的本地相干載 波參考信號(hào)cos (23ifIFt)，將上述獲得的已調(diào)信號(hào)通過(guò)乘法器，再通過(guò)低通濾波器，經(jīng)過(guò)抽樣 判決后，得到解調(diào)信號(hào)，即得到原始信源信號(hào)a(t)。
【文檔編號(hào)】H04B13/02GK105871475SQ201610356592
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】劉凇佐, 喬鋼, 馬天龍, 王夢(mèng)佳, 聶東虎, 馬璐, 尹艷玲, 周鋒, 孫宗鑫
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)