一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法与流程

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种双曲调频信号，结合交叉子带与升降hfm信号的扩频通信方法。

背景技术：

由于海洋环境的复杂性，水声信道存在严重的多径效应和时变特性。而海水介质对高频衰减非常严重，导致水声通信可用带宽非常小。水声通信经历了从非相干技术到相干技术的发展，相较于非相干技术而言，相干技术的频谱利用率高，可以大大提高通信系统的效率。然而严重的多径效应与时变性，是水声相干通信主要的制约因素，与此同时在信噪比较低的环境下，较难确保通信的可靠性。

扩展频谱(spreadspectrum，ss)技术是一种能有效对抗干扰的技术，它以其自身的优势，在低信噪比以及存在多径扩展的复杂信道情况下，仍可以在保证一定通信速率的前提下，实现可靠信息的传输。常见的扩频方式主要有三种，分别是直接序列扩频(dsss)，跳频扩频(fhss)以及调频扩频(css)等。本发明中选取双曲调频信号作为扩频信号。双曲调频作为一种适用于水声通信的扩频通信方式，具备其独特的优势。

为了便于对后续算法的理解，双曲调频信号模型如下所示：

双曲调频(hfm)信号，可以定义为

其中，fb表示hfm信号起始点的频率，fe表示hfm信号截止点的频率，b＝|fe-fb|表示带宽(调频区间)，t表示hfm信号持续周期，表示调频率。特别地，若fe＞fb，则称为升频，此时调频率β＜0；若fe＜fb，则称为降频，此时调频率β＞0。hfm信号的瞬时频率为，

瞬时频率是一个随时间t变化的双曲函数，因此该信号被称为双曲调频信号。双曲调频信号具有良好的脉冲压缩性和多普勒宽容性。其脉冲压缩性体现在，在接收信号与本地hfm信号进行相关后能够呈现主瓣尖锐、旁瓣迅速衰弱的脉冲，因此具备良好的抗噪性能。与此同时，在信号传输过程中，由于收发端的高速相对运动会造成严重的多普勒尺度效应，信号会产生时间上的压缩或者扩展。在信号经历了多普勒尺度效应之后，接收端经过匹配滤波依旧可以较好的形成脉冲，则认为该信号具有多普勒宽容性。

假设一个hfm信号发生了大小为α的尺度变换。对应接收到的hfm信号可以表达为

发生尺度变化后，信号的瞬时频率变为

这里我们可以找到一个合适的δt，使得fα(t-δt)＝f(t)，即

由此可见，该时延δt是一个由尺度因子决定且与时间无关的常数，即hfm信号在经历了多普勒效应之后，其瞬时频率相较于未发生尺度变化之前，只是在时间轴上发生了一个平移，这样在接收端进行匹配滤波后，依旧可以形成较好的脉冲，只是脉冲的位置会平移δt，因此hfm信号具备多普勒宽容性。

此外，对于多序列扩频通信而言，各序列之间的正交性十分重要。同时序列的持续时间长度必须要超过信道的最大时延，以尽可能的保证其接收信号序列的正交性。

使用hfm进行扩频通信虽然能增强抗干扰能力和抗多普勒效应，但是面临的一个较为严重的问题就是频带利用率比较低。另外，若信道的最大时延超过扩频周期，接收信号序列的正交性将会受到影响，为了能一定程度缓解以上两种情况，提高hfm扩频通信的频带利用率以及对信道最大时延的容忍度是值得研究的问题。

本发明所述的一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，正是基于如上所述的信号模型和背景所提出的。

技术实现要素：

对一般的hfm扩频通信方法而言，系统可用带宽只用于单个hfm调频信号，因此系统的频带利用率很低。此外，一般的水声扩频通信方案，通常是基于单个扩频周期超过信道时延这样的原则进行方案设计。但当信道最大时延超过扩频周期时，接收端序列的正交性会受到一定的影响，增加相邻符号之间的干扰。为此，本发明提出一种新的扩频通信方案，即一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法。

本发明的目的在于基于hfm信号提出一种新的扩频通信方案，通过将水声通信系统可用带宽按照扩频周期序号的奇偶性进行不同数量的子带划分，以此降低相邻符号之间的干扰，提升通信信号对信道时延的容忍度。另外，采用子带选择激活的方式，以及qpsk调制方式，实现多带并行传输，提升频带利用率。同时在一个调频周期内，被激活子带分别采用升、降hfm信号作为调频信号，对调制后的qpsk符号进行扩频。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下。

一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法，包括以下步骤：

s1、将通信系统带宽按照扩频周期序号的奇偶性划分为不同数量的若干子带；

s2、子带分别采用对应的升、降双曲调频信号进行调频；

s3、将数据、子带进行分组，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频；

s4、对扩频后的传输信号添加帧头与保护间隔，生成信号帧。

进一步地，在所述步骤s1中，扩频周期序号为奇数的扩频周期将系统使用带宽分为k1个子带，扩频周期序号为偶数的扩频周期将所用带宽分为k2个子带，后续分别进行双曲调频，提高频带利用率。

进一步地，在所述步骤s2中，每个扩频周期内，每个子带分别使用升、降hfm信号生成两种弱相关的扩频信号，进行双曲调频。

进一步地，每个子带对应的升hfm信号表示为

其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为

当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

同理，每个子带对应的降hfm信号可表示为：

其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为

当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

进一步地，在所述步骤s3中，将数据、子带进行分组，分组具体为：

待传比特每3个比特分成一组，对于第奇数个扩频周期，将k1个子带每两相邻子带分成一组，一共有k1/2个组，每组承载前述的3比特分组；对于第偶数个扩频周期，将k2个子带每两相邻子带分成一组，一共有k2/2个组，每组承载前述的3比特分组，本次方案中分组的结果为，每组2个子带传输3个比特。

进一步地，在所述步骤s3中，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频，具体为：

每个子带组传输3个比特，第1个比特用于子带的选择：该比特为0时，选择该子带组的第1个子带进行扩频传输，当该比特为1时选择该子带组的第2个子带进行扩频传输，

第2、3个比特则用于qpsk符号映射，由第1个比特激活的子带进行相应的扩频传输。

进一步地，在所述步骤s4中，帧头采用占用整个通信频段的升、降hfm信号与零间隔，保护间隔采用占用整个通信频段的降hfm信号与零符号作间隔。

与现有技术相比，本发明实现的有益效果是：采用交叉子带划分的方案，提高了对信道最大时延的容忍度；利用升、降双曲调频信号的弱相关性，承载传输不同的信息；采取基于qpsk调制的多带并行传输方案，进一步提高了系统的频带利用率与传输速率。

附图说明

图1为本发明一种结合交叉子带与升降hfm信号的水声双曲调频扩频通信方案的调频示意图。

图2为实例对应的子带选择示意图。

图3为本发明通信方案发送端的扩频调制流程图。

图4为发送信号帧结构图。

图5为本发明通信方案接收端的解调解扩流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。各标号的含义如下：

f0：通信频段的起始频率，本实例取f0＝9khz。

f1：通信频段的截止频率，本实例取f1＝15khz。

b：带宽，本实例取b＝6khz。

th：双曲调频信号的周期，本实例取th＝20.48ms。

tg：符号保护间隔周期。

tl：帧头持续时间。

fs：双曲调频信号采样率，本实例取fs＝100khz。

n：双曲调频信号一个扩频周期的采样点数，n＝th*fs，本实例中n＝2048。

k1：第奇数个扩频周期的子带个数，本实例取k1＝4。

k2：第偶数个扩频周期的子带个数，本实例取k2＝2。

m：每帧数据包含的扩频周期数，本实例取m＝10。

fkb：表示第k个子带的起始频率，进一步分升频与降频、奇数符号周期序号与偶数符号周期序号4种情况。

fke：表示第k个子带的截止频率，进一步分升频与降频、奇数符号周期序号与偶数符号周期序号4种情况。

第k个子带升hfm信号的调频率，进一步分奇数符号周期序号与偶数符号周期序号2种情况。

第k个子带降hfm信号的调频率，进一步分奇数符号周期序号与偶数符号同期序号2种情况。

本实施案例中一种结合交叉子带与升降hfm信号的水声双曲调频扩频通信方法，包括以下步骤：

s1、子带划分。将系统带宽按照扩频周期序号的奇偶性划分为不同数量的若干子带。对于通信频段的起始频率为f0，截止频率为f1，带宽为b＝f1-f0的系统，我们将系统带宽分别划分成2种情况：分成k1、k2个子带，k1、k2为2的整数倍，k1≠k2。其中k1个子带用于扩频周期序号为奇数的扩频调制，k2个子带用于扩频周期序号为偶数的扩频调制，扩频周期均为th。设采样率为fs，一个扩频周期的采样点数为n，每帧数据包含m个hfm扩频周期。本实例交叉子带划分方式具体可见图1。

s2、子带hfm信号生成。子带分别采用对应的升、降双曲调频信号进行调频。每个子带对应的升hfm信号表示为

其中，p为扩频周期序号，n表示一个扩频周期内的第n个采样点；当p为奇数或偶数时的调频率分别为

当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

同理，每个子带对应的降hfm信号可表示为：

其中，p为扩频周期序号；当p为奇数或偶数时的调频率分别为

当p为奇数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

当p为偶数时，第k个子带的起始频率与截止频率分别为

本实例通信方案的子带hfm信号生成方式如图1所示，其中箭头向右上表示升频，箭头向右下表示降频；f2、f3、f4分别表示将b＝f1-f0的通信带宽划分为四个子带后，各子带的起始与截止频率。

s3、信号调制。将数据、子带进行分组，根据传输的数据进行子带选择与符号映射，并进行信号调制与扩频。待传比特每3个比特分成一组。对于第奇数个扩频周期，将k1个子带每两相邻子带分成一组，一共有k1/2个组；对于第偶数个扩频周期，将k2个子带每两相邻子带分成一组，一共有k2/2个组；每个子带分组将承载前述的3比特分组。本方案中分组的结果为，每组2个子带，携带3个比特。

第1个比特用于子带的选择：该比特为0时，选择该子带组的第1个子带进行扩频传输；该比特为1时选择该子带组的第2个子带进行扩频传输。假设传输的随机比特流为001110100101111010…，按照每3个比特为一组，即：001110100101111010…，每组的第1个比特(带下划的比特)用于子带选择，那么被激活的子带如图2所示。即，第1组比特中第1比特为0，因此第1个扩频周期的第1个子带组选择第1个子带；第2组比特中第1比特为1，因此第1个扩频周期的第2个子带组选择第2个子带；第3组比特中第1比特为1，因此第2个扩频周期的第1个子带组选择第2个子带，同时该扩频周期只有1个子带组，后续比特将调制到下一个扩频周期；其它比特组依次类推。

第2、3个比特则用于qpsk符号映射，由第1个比特激活的子带进行相应的扩频传输。

记第q组的3个比特为bq1bq2bq3，则当前多带双曲调频扩频符号的发送信号表示为

其中，q为当前扩频周期的子带组数，在第奇数个扩频周期中q＝k1/2，在第偶数个扩频周期中q＝k2/2；kq＝2q+bq1-1为第q组激活的子带编号；上式中表示对第q组的第2、3个比特则采用qpsk符号映射，其中j为虚数单位。具体调制流程如图3所示。

s4、信号帧生成。帧头采用占用整个通信频段的升、降hfm信号与零间隔以便同步检测，保护间隔采用占用整个通信频段的降hfm信号与零符号作间隔。发送的信号帧结构如图4所示。

s5、接收同步。信号在接收端经过带通滤波后，利用占用整个通信频段的升降hfm信号进行同步和信道估计。假设信道估计的结果为：多径数为l条，第l(1,…,l)条路径对应的参数为幅度时延多普勒因子根据信道参数，分别计算每条路径的峰值偏移量。对于一个数据帧中的当前扩频周期，其第l(1,…,l)条路径的峰值偏移量δnk,l为

其中，为多普勒扩展导致的偏移；βk为第k个子带的调频率，fkb表示第k个子带的起始频率。βk与fkb需要根据升频降频以及当前扩频周期序号的奇偶性确定相应的值，具体见s2中定义。

s6、相关运算。将接收信号与每个子带的升hfm扩频符号，分别做互相关运算，根据峰值偏移量δnk,l，在相关运算后的对应点获得峰值。第k个子带，第l条路径的峰值表示为

其中，r[n]表示数据帧中的当前扩频周期符号。同理，接收信号与子带的降hfm扩频符号做互相关运算后，峰值表示为

s7、确定激活子带。根据峰值和进行激活子带的判决。对数据帧中的当前扩频周期的第q个子带组，激活子带的判决规则如下：

若则认为第q个子带组的第1个子带为激活子带，根据s3中的激活方案，判定第q个子带组传输的第1个比特为

若则认为第q个子带组的第2个子带为激活子带，根据s3中的激活方案，判定第q个子带组传输的第1个比特为

其中，qf＝2q-1表示第q个子带组的第1个子带；qs＝2q表示第q个子带组的第2个子带。在第奇数个扩频周期中，qf与qs在1,…,k1之间取值；在第偶数个扩频周期中，qf与qs在1,…,k2之间取值。

s8、在激活子带上进行符号解调。根据s7的检测结果可确定激活的子带序号为k，对该子带进行符号解调。利用最大合并比准则，对l条路径的峰值作合并处理并进行符号判决，解调出的符号为

其中，j为虚数单位，表示第l(1,…,l)条路径对应幅度的共轭。而后根据s进行qpsk符号解映射得bq2bq3，最终获得该子带组传输的3个比特bq1bq2bq3。数据帧中每个扩频周期符号各子带组的解调流程如图5所示。