一种利用双曲调频进行水下信号发射和接收的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水声通信领域，更具体地说，涉及一种利用双曲调频方式来进行水下 信号发射和接收的方法。
[000引 已有技术
[0003] 由于在水声通信信道中存在着复杂时变的多径效应，且信号在传播过程中损失较 大，从而导致接收端的信号的信噪比较低，送严重影响着水声通信的性能。为了克服送一问 题，扩频技术被广泛应用于水下通信系统中，送是因为扩频技术具有抗多径干扰、处理增益 大及性能稳定等特点。在扩频技术中，CSS(Qii;rpSpreadSpectrum)和HFM-SS(HFMSpread Spectrum)系统分别使用线性调频信号和双曲调频信号作为数据的调制信号，通过在发射 端构造近似正交的符号集，来映射不同的比特信息，且在接收端采用匹配的滤波器实现信 号解调。由于送种技术中不需要严格的符号同步和载波相位跟踪，因此计算复杂度低，具有 很好的鲁棒性。
[0004] 在带宽资源严重受限的水声信道中，CSS系统和HFS-SS系统面临的主要问题是准 正交符号集构造困难所导致的信号传输速率较低。通过将可用的频带划分成多个子频带可 W增加准正交符号的个数，实现多元扩频调制，提高信号传输速率，但是送又会减小扩频增 益，而大大降低系统的性能。
[000引发明概述
[0006] 鉴于此，为了在不降低扩频系统性能的前提下提高其通信速率，本发明提出一种 改进的HFM-SS水声信号发射方法和对应于该发射方法的接收方法，通过将通信信号调制 在双曲调频的频率偏移系数上，并且在接收端利用双曲调频信号多普勒不变的特性对该频 率偏移系数进行检测，进而获取通信信号。本发明的水声信号发射和接收方法大大增加符 号集中的符号的个数，大幅提高通信速率，但又不显著降低原HFM-SS系统的扩频增益和抗 干扰性能。
[0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种水声信号发射方法，通过将通信信号调制在 双曲调频的频率偏移系数上形成数据顿的方式进行发射。
[0008] 优选地，本发明的水下信号发射方法包括W下步骤：
[0009] 步骤（1);生成一个正调制率的双曲调频信号：
[0010]
[0011] 其中
为信号的中必频率，片和fH分别表示双曲调频信号的最小频率 和最大频率，在通信信号带宽内选取，
参数T表示双曲调频的符号周 期；上述和T几个参数的确定需要根据水声通信系统的带宽、数据传输速率综合设 计；
[0012] 将该双曲调频信号进行时间反转，得到其对应的负调制率的双曲调频信号S2(t);
[001引步骤（2);将步骤（1)中得到的两个信号相加得到基本波形信号s(t)= Si(t)+S2(t);
[0014] 步骤（3);构造发射序列集：首先根据可用带宽和符号周期参数估计最小可分辨 的频率偏移值AFmi。和最大频率偏移比率am。、，按照可用带宽B、最小可分辨频率偏移值
和最大频率偏移比率计算最大可用发射符号个数为 符号 表示向下 ，?!_」'，， 取整，计算出最小频率偏移系数间隔为
假设符号集中的符号个数为2N，则需满足 2N《Nm。、，在[I-Ctmw1+UmJ区间内选出2N个值作为与发射符号相应的频率偏移系数IDi, 02,…，DJ，只要保证选出的各值间两两之差的绝对值大于该最小频率偏移系数间隔
即可；
[0015] 将得到的频率偏移系数集合和步骤（1)中得到的一对双曲调频信号构造如下的 发射序列集合，St, i(t) =Si化t)+S2化t)i= 1，2,…，2N;W及
[0016] 步骤（4);将发射步骤（2)生成的基本信号波形作为同步信号，然后根据要发送的 信号数据选取步骤（3)中生成的发射序列集合中的发射序列，W送样组成的顿结构进行发 射。
[0017] 优选地，本发明的利用双曲调频进行水下信号发射的方法中；按照平均分配的原 则选择符号集中的符号对应的频率偏移系数，即
[0019] 根据本发明的又一方面，提供了一种用于接收前述方法发射的信号的方法，利用 双曲调频信号多普勒不变的特性对该频率偏移系数进行检测W获取通信信号
[0020] 优选地，本发明的接收方法包括如下步骤：
[0021] 步骤（1);首先对接收信号进行带通滤波；
[002引步骤似：利用同步信号估计当前信道的多普勒频偏；
[0023] 分别采用Si(t)和S2(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤 波输出信号的最大峰值位置，利用送两个位置之差得到时延差At,通过计算得到整顿信号
的多普勒频偏为 同时利用两个位置的中间值为信号的同步位置； ，
[0024] 步骤（3);对同步信号后面的数据信号进行解调，其中：
[0025] 分别采用Si(t)和S2(t)对带通滤波后的接收信号进行匹配滤波，估计两路匹配滤 波输出信号的最大峰值位置，利用送两个位置之差得到时延差Ati，通过计算得到多普勒 频偏估计为
在此基础上减掉信号的多普勒频偏即可得到该数据符号的实际
频率偏移^ 进而得到对应的频率偏移系数信息为 W及 / /O, ?
[002引步骤（4);根据步骤做中得到的频率偏移信息恢复原始的通信信号。
[0027] 与已有技术相比，本发明的利用双曲调频方式来进行水下信号发射和接收的方法 具有W下的有益效果：
[002引 （1)与传统的HFS-SS系统相比，大大增加了原CSS和HFS-SS系统的通信速率， 又不损失其在大多普勒频偏、强多径干扰和低信噪比下的优良性能；
[0029] (2)传输信息隐藏在频率偏移中，具有较强的抗干扰能力和保密性。
[0030] 附图的简要说明
[0031]图1显示的是根据本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的发射数据顿结 构；
[0032] 图2显示的是根据本发明的水声信号发射方法的一个实施例中的频率偏移系数 的设计流程；
[0033] 图3显示的是根据本发明的水声信号接收方法中的信号解码流程；
[0034] 图4显示的是示例中海上水声通信试验中同步信号两路匹配滤波器的输出；及
[0035] 图5显示的是示例中符号数据解调时两路匹配滤波器的输出。
【具体实施方式】
[0036]W下将结合附图详细说明本发明的实施方式。
[0037] 在本发明的实施