一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法与流程

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法。

背景技术：

传统的隐蔽水声通信方法大多采用降低通信信号功率或扩展通信信号频谱的形式，将通信信号隐藏在海洋环境噪声中，避免通信信号被检测到，以达到隐蔽通信目的。本发明涉及的一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法，通过让通信信号模拟海洋中固有的噪声信号进行通信。由于通信信号的时频特性与海洋噪声十分相似，检测方在检测到通信信号后，会将其识别为海洋环境噪声而排出，从而达到隐蔽通信目的。

中国专利说明书cn105227246b公开了一种利用分段lfm信号仿海豚哨声信号的水声通信方法，该方法通过分段lfm信号的组合模拟海豚哨声时频特性，信息调制到每段lfm信号调频率上，但是该方法只能模拟时频谱包络明显的海豚哨声信号，而本方法并不局限于海豚哨声信号，可以模拟多种海洋噪声信号，例如船舶辐射噪声等。中国专利说明书cn107612866a公开了一种基于离散余弦变换的信号调制解调方法及装置，该方法通过逆离散余弦变换处理调制信号，可以实现信号的不等概分布，提高信号能量利用效率，但是该方法并未利用离散傅里叶变换进行伪装隐蔽通信。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单易行、可靠性高基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法。

一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法，具体包括如下步骤：

步骤1：选择合适的载波信号，在时域上对载波信号进行分段处理，划分出同步信号ssyn(t)、保护信号snull(t)和若干用于调制信息的符号信号ssymbol(t)；

步骤2：对符号信号ssymbol(t)进行离散余弦变换即dct变换，获得符号信号ssymbol(t)的dct变换结果xsymbol(k)；

步骤3：基于步骤2获得的dct变换结果xsymbol(k)，择合适的门限th1，在dct域找到用于调制信息的m个频点k＝[k1,k2,...,km]，每个频点ki(i＝1,2,...,m)需满足|xsymbol(ki)|＞th1条件；

步骤4：利用扩频序列对信源信息a＝[a1,a2...,ap]进行扩频调制，获得扩频后的调制信息c＝[c1,c2,...,cm]，其中，ci(i＝1,2,...,m)的取值为“0”或“1”；

步骤5：基于步骤3确定的频点k，在dct域上对符号信号ssymbol(t)进行调制：

其中，amod为调制幅度，即当ci＝1时调制后的的幅度，而的极性则与调制前相同；

步骤6：对步骤5调制后的进行离散余弦逆变换即idct变换，获得调制后的符号信号实现信息调制；

步骤7：处理保护信号snull(t)；若保护信号snull(t)的dct变换结果为xnull(k)，则基于步骤3确定的频点k进行如下处理：

然后对进行idct变换获得处理后的保护信号

步骤8：将同步信号ssyn(t)、步骤7处理后的保护信号和步骤6调制后的符号信号在时域上进行组合，获得一帧通信信号

步骤9：将步骤8获得的通信信号strans(t)经过功率放大器和换能器送入水声信道；

步骤10：利用水听器接收信号；

步骤11：利用步骤1获得的同步信号ssyn(t)，对接收信号进行同步，提取接收到的符号信号

步骤12：对步骤11提取的符号信号进行dct变换，获得

步骤13：基于步骤3确定的频点k，提取步骤12获得的在这些频点处的值(ki∈k)；

步骤14：选择合适的门限th2，通过判断第i个频点所对应的与门限th2的大小进行解调：若则若则

步骤15：将步骤14获得的所有(i＝1,2,...,m)进行组合得到基于步骤4所用的扩频序列进行解扩，获得解调信息

所述一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法中，步骤1所选择的载波信号是海洋环境中存在的声音信号，包括鲸鱼叫声、海豚哨声等海洋生物叫声信号，或者打桩声、船舶辐射噪声、声呐信号等人类活动产生的声音信号，以及火山喷发、地震、降水等自然环境噪声信号。

所述一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法中，离散余弦正变换与逆变换基本原理如下：

设x(n)是n个有限值的一位实数信号序列，n＝0,1,...,n-1，dct的完备正交归一函数是：

上式中，n＝0,1,...,n-1，k＝0,1,...,n-1，a(k)的定义为

本发明的有益效果在于：

本发明由于载波信号多种多样，因此相较于其他仿生伪装水声通信只能选择海洋生物叫声信号当做被模拟信号来说，本发明所述的伪装隐蔽水声通信方法可选择的被模拟信号更加丰富，因此更具有实际应用价值。离散余弦变换是一种实数正交变换，具有能量聚焦效果，相较于傅里叶变换等复数变换来说，计算量更小。本发明所述的伪装隐蔽水声通信方法调制时采用的方法与频率调制相似，解调时不进行均衡处理就能达到很好的效果，简单易行，可靠性高。

附图说明

图1为基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信原理图；

图2为当载波信号为船舶辐射噪声信号时，包含7个符号信号的一帧通信信号波形和其时频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述

如附图1所述，为为基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信原理图，如附图2所示，为当载波信号为船舶辐射噪声信号时，包含7个符号信号的一帧通信信号波形和其时频谱图；一种基于离散余弦变换的伪装隐蔽水声通信方法。离散余弦变换是一种类频域变换，与离散傅里叶变换相似，区别在于dct变换只用实数^[15]。dct变换具有信号频谱分量丰富、能量集中等特点，可通过较低的运算复杂度获得较好的处理效果，广泛应用于语音信号处理、图像视频压缩等领域中，其正变换与逆变换基本原理如下：

设x(n)是n个有限值的一位实数信号序列，n＝0,1,...,n-1，dct的完备正交归一函数是：

上式中，n＝0,1,...,n-1，k＝0,1,...,n-1，a(k)的定义为

基于dct变换在数字水印领域的信息嵌入与提取方法，提出一种基于基于离散傅里叶变换的伪装隐蔽水声通信方法，具体过程为：

发送端：

步骤1：选择合适的载波信号，在时域上对载波信号进行分段处理，划分出同步信号ssyn(t)、保护信号snull(t)和若干用于调制信息的符号信号ssymbol(t)；

其中，所选择的载波信号应是海洋环境中存在的固有声音信号，包括鲸鱼叫声、海豚哨声等海洋生物叫声信号，或者打桩声、船舶辐射噪声、声呐信号等人类活动产生的声音信号，以及火山喷发、地震、降水等自然环境噪声信号。在本发明实施方式介绍中，将选取一段船舶辐射噪声为例进行介绍。

步骤2：对符号信号ssymbol(t)进行dct变换，获得符号信号ssymbol(t)的dct变换结果xsymbol(k)；

步骤3：基于步骤2获得的dct变换结果xsymbol(k)，择合适的门限th1，在dct域找到用于调制信息的m个频点k＝[k1,k2,...,km]，每个频点ki(i＝1,2,...,m)需满足|xsymbol(ki)|＞th1条件；

门限th1的取值，可以根据符号信号dct变换结果xsymbol(k)的取值分布进行选择，例如th1＝max(|xsymbol(k)|)/3等。虽然xsymbol(k)在k∈k时的幅值较大，但数量并不多，因此选择这些频点可以在提高信息传递的可靠性的同时，不会对船舶辐射噪声的时频特性产生较大的影响，这保证了伪装效果。

步骤4：利用扩频序列对信源信息a＝[a1,a2...,ap]进行扩频调制，获得扩频后的调制信息c＝[c1,c2,...,cm]，其中，ci(i＝1,2,...,m)的取值为“0”或“1”；

在进行扩频调制时，可根据需要选取合适的扩频序列，例如m序列、gold序列等。通过扩频调制，可进一步提高本发明所述伪装隐蔽水声通信方法的可靠性。

步骤5：基于步骤3确定的频点k，在dct域上对符号信号ssymbol(t)进行调制：

其中，amod为调制幅度，即当ci＝1时调制后的的幅度，而的极性则与调制前相同。

步骤6：对步骤5调制后的进行离散余弦逆变换(idct变换)，获得调制后的符号信号实现信息调制；

步骤7：处理保护信号snull(t)。若保护信号snull(t)的dct变换结果为xnull(k)，则基于步骤3确定的频点k进行如下处理：

然后对进行idct变换获得处理后的保护信号

保护信号的作用是将同步信号与符号信号分隔开，保证同步信号经过水声多途信道后不会对符号信号造成码间干扰。但是由于本方法中，所用的载波信号是连续的，因此保护信号经过多途信道后，也可能对后面的符号信号造成码间干扰，因此需要将保护信号在调制频点出的dct变换结果置零，以降低保护信号所导致的码间干扰。

步骤8：将同步信号ssyn(t)、步骤7处理后的保护信号和步骤6调制后的符号信号在时域上进行组合，获得一帧通信信号

一帧通信信号所包含的同步信号和保护信号的数量各为1个，但是符号信号可能为多个，当一帧通信信号包含7个符号信号时，以船舶噪声为载波信号为例，其波形图和时频谱图如图2所示。

步骤9：将步骤8获得的通信信号strans(t)经过功率放大器和换能器送入水声信道；

接收端：

步骤10：利用水听器接收信号；

步骤11：利用步骤1获得的同步信号ssyn(t)，对接收信号进行同步，提取接收到的符号信号

由于同步信号并未进行任何处理，而保护信号和符号信号都进行了dct变换和处理，因此同步信号和保护信号不相关，同步信号和符号信号也不相关。同步时，可采用匹配滤波器进行信号同步。

步骤12：对步骤11提取的符号信号进行dct变换，获得

步骤13：基于步骤3确定的频点k，提取步骤12获得的在这些频点处的值(ki∈k)；

步骤14：选择合适的门限th2，通过判断第i个频点所对应的与门限th2的大小进行解调：若则若则

门限th2的选取应结合门限th1取值、幅度和噪声分布情况合理选取，例如当噪声为均值为0的高斯白噪声时，门限th2可

步骤15：将步骤14获得的所有(i＝1,2,...,m)进行组合得到基于步骤4所用的扩频序列进行解扩，获得解调信息

上述实施例仅为本发明的一种具体实施方式，用于对发明实施过程进行清楚、完整地描述，但显然上述实施例并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，具体保护范围应以权利要求的保护范围为准。