一种基于信号位置标记的水声通信方法与流程

本发明涉及的是一种水声通信方法，具体地说是一种基于信号位置标记的水声通信方法。

背景技术：

经过几十年的发展，各种水声通信算法得到了空前的发展与应用。由于水下声信道存在着时间扩展、频率扩展、信道衰落等复杂特性，使得水声通信的性能受到了极大的限制。由于水声通信发射机的发射换能器最佳发射带宽有限，因此，带宽有限也是水声通信要解决的问题之一。现有的众多水声通信方法，如正交频分复用等，都以提高带宽利用率为目的，从而提高算法的通信速率。

公开号为CN106772350A的专利文件中公开了一种基于线性调频信号实现雷达探测和通信传输的方法，该方法通过改变副载波线性调频信号的调频率调制通信数据，克服了数据解调过程对多普勒不稳健的问题，并降低了误码率。公开号为CN106772350A的专利文件中公开了一种基于频域线性调频扩频的水声通信系统及其通信方法，该方法克服传统的正交频分复用(OFDM)水声通信系统性能不足的问题以及系统高复杂度，提供了一种在复杂多变的水声通信信道中，具有强抗多径、抗噪声和抗衰落等特性的方法。但是这两种方法都是将信息调制在线性调频信号上。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在复杂多变的水声通信信道中具有高可靠性的基于信号位置标记的水声通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：将传输的二进制信息转化为十六进制信息；

步骤二：根据十六进制信息确定信号标记位置最小量化间隔，并确定信号标记位置，其中，信号标记位置为一个小于1的数，代表从帧信号起始到标记位置所占整个帧信号的比例；

步骤三：根据发射换能器发射频率范围确定帧信号频率范围，并生成帧信号，其中，帧信号为频率单调递增或递减的线性调频信号；

步骤四：确定标记信号类型及持续时间；

步骤五：将标记信号尾端与信号标记位置的尾端对齐，对每一个帧信号进行数据替换；

步骤六：多个帧信号组成一完整发射信号；

步骤七：将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：采用替换前的帧信号对接收信号进行同步；

步骤十：通过对某帧信号的前一帧与后一帧的匹配相关，确定前一帧尾端与后一帧尾端之间的时间长度；

步骤十一：根据时间长度变化比例确定每帧多普勒因子；

步骤十二：根据标记信号类型选取匹配相关信号进行信号标记位置确定；

步骤十三：根据每帧多普勒因子，对每帧标记信号位置进行修正；

步骤十四：以修正后的信号标记位置除以位置最小量化间隔，得出相应十六进制信息，将十六进制信息转化为二进制信息完成解调。

本发明还可以包括：

1、步骤二中所述的根据十六进制信息确定信号标记位置最小量化间隔具体为：

其中，Hexnum为二进制转换为十六进制后的信息位数，Tp为一帧信号时间长度，Tf为标记信号时间长度，Δp即为信号标记位置最小量化间隔；

所述的确定信号标记位置的具体为：

其中，Decval为十六进制转换为十进制后的具体的数值，posiflag为信号标记位置。

2、步骤三中所述的根据发射换能器发射频率范围确定帧信号频率范围，并生成帧信号具体为：

sigfe(t)＝A*cos(2πflowt+(fhigh-flow)/Tpπt²)

或

sigfe(t)＝A*cos(2πfhigh t-(fhigh-flow)/Tpπt²)

其中，A为信号幅度，fhigh与flow为发射换能器发射频率上限与下限。

3、步骤四中所述的标记信号类型包括chirp信号、直扩信号或CW脉冲信号。

4、步骤六中所述的完整信号的第一帧信号上不存在标记信号，仅用作多普勒因子计算使用。

5、步骤九中所述的进行同步，从第二个开始的帧信号既作为同步信号，进行拷贝相关从而得到信号的结束时间点，也在替换标记信号后作为携带信息的通信信号。

6、步骤十一中所述的每帧多普勒因子的具体表达式为：

其中，Tbfr为前一帧相关峰位置与后一帧相关峰位置间的时间长度。

7、步骤十二中，每帧信号中的标记信号位置确定的具体表达式为：

其中，posicpeak为某帧标记信号相关峰在该帧的时间点。

8、步骤十三中所述的对每帧标记信号位置进行修正具体为：

其中，posireflag为修正后的标记位置。

本发明提供了一种在复杂多变的水声通信信道中可靠性高的基于信号位置标记的水声通信方法。与以提高带宽利用率为目的方法不同，本发明的基于信号位置标记的水声通信方法，没有将信息调制在频域，将全部的带宽资源用作帧信号调制上，选用chirp信号作为帧信号，同时也作为携带信息的通信信号，可以当作同步信号直接使用。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，因此具有较高的稳定性。

与已有的技术相比，本发明的技术特点与效果：

本发明的种基于信号位置标记水下通信方法中，采用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。

本发明具有如下优点：(1)通信信号即为同步信号，在一定程度上提高了通信速率；(2)当单个帧信号的长度小于一定数值时，可以无需考虑因为发射端与接收端移动造成的多普勒频偏，提高了通信的稳定性与可靠性；(3)单个帧信号可携带信息量可根据采样率进行调整；(4)选用chirp信号作为同步信号和通信信号，降低了系统的复杂度。

作为本发明的进一步改进，在二进制转换十六进制的过程中，可通过各类编码映射方法(如格雷码映射等)，降低通信误码率。

附图说明

图1为基于信号位置标记的水声通信流程图；

图2为本发明中所述的一帧信号结构形式；

图3为本发明中所述的完整信号结构；

图4a-图4c为本发明中不同标记信号下的帧信号同步结果；

图5a-图5c为本发明中不同标记信号的位置追踪结果。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明要解决的技术问题是不利用常规手段携带信息，利用信号位置标记，实现水声通信的方法。

在发射端：

步骤一：将传输的二进制信息转化为十六进制信息；

步骤二：根据十六进制信息确定信号标记位置最小量化间隔，并确定信号标记位置，其中，信号标记位置为一个小于1的数，代表从帧信号起始到标记位置所占整个帧信号的比例；

步骤三：根据发射换能器发射频率范围确定帧信号频率范围，并生成帧信号，其中，帧信号为频率单调递增或递减的线性调频信号；

步骤四：确定标记信号类型及持续时间，其中持续时间要小于以标记位置分割的帧信号的较小长度部分的持续时间；

步骤五：将标记信号尾端与信号标记位置的尾端对齐，对每一个帧信号进行数据替换；

步骤六：多个帧信号组成一完整发射信号；

步骤七：将发射信号经过功率放大器后通过换能器送入水声信道；

接收端：

步骤八：使用水听器接收信号；

步骤九：采用替换前的帧信号对接收信号进行同步；

步骤十：通过对某帧信号的前一帧与后一帧的匹配相关，确定前一帧尾端与后一帧尾端之间的时间长度；

步骤十一：根据时间长度变化比例确定每帧多普勒因子；

步骤十二：根据标记信号类型选取匹配相关信号进行信号标记位置确定；

步骤十三：根据每帧多普勒因子，对每帧标记信号位置进行修正；

步骤十四：根据修正后的信号标记位置，除以位置最小量化间隔，得出相应十六进制信息，将十六进制信息转化为二进制信息完成解调；

本发明公开了一种基于信号位置标记的水声通信的方法。本发明从抗复杂水声信道、不利用常规手段携带信息的角度出发，利用chirp信号具有的强抗多径、抗噪声和抗衰落等特性，实现远距离稳健水声通信。在发射端，将信源信息进行编码，通过计算得到标记信号位置，将选取的标记信号按位替换掉帧信号，形成一帧信号，多个帧信号首尾相连(第一个帧信号上不存在标记信号)形成一完整通信信号，送入水声信道。其中，该方法所述的一帧完整的信号既为同步信号，又作为携带信息的通信信号。在接收端，通过拷贝相关实现信号同步，并根据相关峰间时间变化求得多普勒因子，根据所选择标记信号类型，进行匹配相关得到标记信号尾端位置，通过多普勒因子对标记信号位置进行修正，进而通过计算得到十六进制信息，即可转换为二进制原始信息。该技术从抗复杂水声信道、不利用常规手段携带信息的角度出发，在实现水声通信的同时，借助chirp信号特性，提升了系统的稳定性与可靠性，同时降低了系统的复杂度。

本发明涉及一种基于信号位置标记的水声通信方法。其具体流程如图1所示。下面结合附图对具体实施方式进行详细描述。

在信号的发射端：

步骤一：将需要传输的二进制信息转化为十六进制信息；

选择将原始二进制信息转化为十六进制信息，是因为，若选择转化为十进制信息，则至少需要4位0、1代表每位数字，但如1100所代表的12，无法在十进制的情况下用1位表示。

同时，从尽可能降低量化间隔的角度考虑，应采用十六进制进行下一步计算。同时，因为1除以16的n次方(n属于Z，n大于0)，不会出现循环小数的情况。

步骤二：根据十六进制信息确定信号标记位置最小量化间隔，并确定信号标记位置，其中，信号标记位置为一个小于1的数，代表以标记位置分割的帧信号的较小长度部分所占比例；根据十六进制信息确定信号标记位置最小量化间隔的具体方法为：

其中，Hexnum为二进制转换为十六进制后的信息位数，Tp为一帧信号时间长度，Tf为标记信号时间长度，Δp即为信号标记位置最小量化间隔。为保证步骤九中同步结果的准确，一般取

确定信号标记位置的具体方法为：

其中，Decval为十六进制转换为十进制后的具体的数值，posiflag即为信号标记位置。这里为方便计算标记位置，进行十六进制到十进制的转换。

步骤三：根据发射换能器发射频率范围[flow,fhigh]确定帧信号频率范围，并生成帧信号，其中，帧信号为频率单调递增或递减的线性调频信号；

sigfe(t)＝A*cos(2πflowt+(fhigh-flow)/Tpπt²) (3)

或

sigfe(t)＝A*cos(2πfhigh t-(fhigh-flow)/Tpπt²) (4)

其中，A为信号幅度，fhigh与flow为发射换能器最佳发射频率的上限与下限。

步骤四：确定标记信号类型及持续时间，其中持续时间要小于以标记位置分割的帧信号的较小长度部分的持续时间；

标记信号类型包括但不仅限于chirp信号，直扩信号，CW脉冲信号。

Chirp序列具有较强的自相关性，便于标记信号的追踪，其中Chirp序列的频率范围不应超过发射换能器发射频率上限与下限，在达到上下限时，性能最佳。

基于伪随机序列生成的直扩信号具有尖锐的自相关函数，而互相关函数值接近为0。其满足：

其中，N为二原序列的周期，k为小于N的整数，τ为码元延时。

CW脉冲信号的自相关性略弱于前述两种信号，但由于其频率的单一性，可从频域入手确定标记信号位置。

步骤五：将标记信号尾端与信号标记位置的尾端对齐，并进行数据替换；

若标记信号长度定义为Tf，且标记位置为posiflag，帧信号长度为Tp，则需要满足：

Tf＜posiflag*Tp(6)

此时，帧信号的0时刻到posiflag*Tp-Tf、posiflag*Tp到Tp，仍然与原来帧信号相同，但从posiflag*Tp-Tf到posiflag*Tp时刻，被标记信号代替。帧信号结构如图2所示。

步骤六：多个帧信号组成一完整发射信号；

完整信号结构如图3所示，其中，首个帧信号没有标记信号。

步骤七：将发射信号经过功率放大器后通过换能器送入水声信道；

在接收端：

步骤八：使用水听器接收信号；

步骤九：采用替换前的帧信号对接收信号进行同步；

在信噪比为-10dB的高斯白噪声背景下，帧信号时间长度为100ms，原始帧信号与携带三种不同标记信号的帧信号的相关峰如图4a-图4c所示，可以看出，其相关峰足够尖锐，自相关性极强，因此携带三种不同标记信号的帧信号都可以当做同步信号使用。

步骤十：通过对某帧信号的前一帧与后一帧的匹配相关，确定前一帧尾端与后一帧尾端之间的时间长度；

第N帧的前一帧帧信号表达式为：

后一帧的信号表达式为：

两信号与原始帧信号相关函数的表达式为：

然后寻找Rsn+1与Rsn-1相关峰的分别的最大值位置，求出两最大位置间的时间长度。

步骤十一：根据时间长度变化比例确定每帧多普勒因子；

每帧多普勒因子的具体表达式为：

其中，Tbfr为前一帧相关峰位置与后一帧相关峰位置间的时间长度。

步骤十二：根据标记信号类型选取匹配相关信号进行信号标记位置确定；

在仿真中，三种标记信号时间长度为帧信号时间长度的0.2倍，为20ms，的相关结果如图4a-图4c所示，由于CW脉冲的自相关性不如chirp信号和PN序列强，若在多径复杂的水声信道下使用本方法，最好采用chirp信号和直扩信号作为标记信号。

每帧信号中的标记信号位置确定的具体表达式为：

其中，posicpeak为某帧标记信号相关峰在该帧的时间点。

步骤十三：根据每帧多普勒因子，对每帧标记信号位置进行修正；

对每帧标记信号位置进行修正的具体方法为：

其中，posireflag为修正后的标记位置。

步骤十四：根据信号标记位置解调出相应十六进制信息，将十六进制信息转化为二进制信息完成解调；

例如，若每帧信号传输两个十六进制信息，信号标记位置位于整帧信号的0.6171875处，则可知该位置对应的信息为：0.6171875/1/16^2＝158(Dec)＝9E(Hex)＝1001,1110(Bin)。

由于信号标记位置精确到采样点，因此当采样率与帧信号时间的乘积越高时，信号标记位置越精细，可携带信息数量就越多。目前由于技术水平限制，常规水声通信采样率都在100kHz以下，且一般码元都在几百毫秒的数量级，因此现仅能实现一个码元携带1个十六进制信息的传输。

本发明涉及一种基于信号位置标记的水声通信的方法。其特征在于：将信源信息进行编码，通过计算得到标记信号位置，将选取的标记信号按位替换掉帧信号，形成一帧信号，多个帧信号首尾相连(第一个帧信号上不存在标记信号)形成一完整通信信号，送入水声信道。其中，该方法所述的一帧完整的信号既为同步信号，又作为携带信息的通信信号。在接收端，通过拷贝相关实现信号同步，并根据相关峰间时间变化求得多普勒因子，根据所选择标记信号类型，进行匹配相关得到标记信号尾端位置，通过多普勒因子对标记信号位置进行修正，进而通过计算得到十六进制信息，即可转换为二进制原始信息。采用该基于信号位置标记的水声通信的方法，从抗复杂水声信道、不利用常规手段携带信息的角度出发，可以在实现水声通信的同时，借助chirp信号特性，提升了系统的稳定性与可靠性，同时降低了系统的复杂度。