基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种水声通信方法，更确切地说是一种远程水声通信中直扩系统 的解码方法。
【背景技术】
[0002] 水声信道是一个带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂性 及多变性使得高质量水声通信面临着挑战。
[0003] 直接序列扩频通信具有很好的抗干扰、抗多径的能力，能够在较低信噪比条件下 工作，是实现高质量水声通信的首选通信方式。在扩频水声通信系统中，载波相位的跳变将 严重影响扩频系统的扩频增益，导致系统性能下降。矢量水听器可以同步共点地获得声场 的矢量和标量信息，且单个矢量水听器即可实现测量目标的方位信息，具有良好的空间指 向性。但是在实际应用中，由于接收端在海面上发生转动或者收发双方存在相对运动，相对 于矢量水听器而言通信目标的方位是随时间发生变化的，此时有源平均声强器的性能将受 限。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种具有较低的复杂度、高可靠性，可在低信噪比条件下 有效抑制载波相位跳变的影响的基于单矢量差分能量检测器的扩频水声通信方法。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] (1)在直扩系统发射端，首先按照公式4 取<4对原始信息序列进行差分编 码得到差分序列，其中^为原始信息序列、" "表示模二相加、九为差分编码后的信息序 列；
[0007] (2)对差分序列进行直接序列扩频调制，经过BPSK载波调制后的信号即为发射端 发射信号；
[0008] (3)接收端使用矢量水听器接收信号，对矢量水听器输出的三路信号分别用复载 波进行解调处理，将通带信号转换为基带信号；
[0009] (4)解调处理后的基带信号以每两个扩频符号周期持续时间为单位进入单矢量差 分能量检测器进行解码处理。
[0010] 本发明解决的主要问题是在低信噪比条件下，如何克服载波相位跳变影响，实现 高质量直扩水声通信。本发明将对有源平均声强器进行改进并与差分能量检测器相结合， 提出单矢量差分能量检测器的解码处理方法，通过差分能量检测器的输出结果反馈给有源 平均声强器，可对目标方位进行实时更新，从而利用实时更新的方位信息进行矢量组合，提 高接收端处理增益。
[0011] 本发明的优点主要体现在：
[0012] (1)直扩系统接收端采用能量检测而非相位检测进行解码，可有效克服载波相位 跳变影响；
[0013] (2)可对目标方位进行实时更新，从而利用实时更新的方位信息进行矢量组合，提 高接收端处理增益；
[0014] (3)该方法可在低信噪比、时变信道条件下稳定工作。
【附图说明】
[0015] 图1为差分能量检测器原理图；
[0016] 图2为单矢量差分能量检测器原理图；
[0017] 图3为仿真采用的水声信道；
[0018] 图4a_图4b为实时方位估计结果，其中图4a为匀速率转动、图4b为变速率转动；
[0019] 图5为方位估计均方根误差曲线；
[0020] 图6为直扩系统性能对比图；
[0021] 图7为实测水声信道；
[0022] 图8为矢量水听器接收信号；
[0023] 图9为不同信噪比条件下方位跟踪估计结果；
[0024] 图10为p+2vc归一化指向性；
[0025] 图11为相关器能量输出结果，其中图Ila为差分能量检测器、图Ilb为单矢量差 分能量检测器；
[0026] 图12为单矢量差分能量检测器输出结果。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
[0028] 图1为差分能量检测器原理图。接收信号在粗同步后以两个扩频符号周期为单位 进入差分能量检测器，分别与本地构建的两组扩频序列做相关运算。差分能量检测器通过 对两个相关器的能量输出进行比较最终完成直扩系统解码。下面通过公式对差分能量检测 器原理及性能进行详细说明。
[0029] 在直扩系统发射端，首先对原始信息序列进行差分编码，差分编码的目的在于防 止能量检测器输出误差扩散。设原始信息序列为a n(an以概率P取1，以概率I-P取0)，则 经过差分编码后的序列为：
[0030] d" = a;i 0-, dn (I)
[0031] 式中，"?2"为模二相加，dn为差分编码后的信息序列且d。= 1。对差分序列d "进 行转换，将序列dn中取0项转换为-1 :
[0032] dn= sign(dn-〇. 5) (2)
[0033] 式中，sign( ·)为符号函数。此时由式⑴和式⑵可知：
[0034] an=sign(|dndn「l|) (3)
[0035] 对转换后的差分序列dn进行扩频和载波调制，即可将信号发送出去（仅取一个扩 频符号周期说明）：
[0036] s (t) = dnPN(t) cos (ω ct) (4)
[0037] 式中，PN(t)为扩频序列的时域波形，ω。为载波中心频率。
[0038] 直扩系统接收端利用差分能量检测器进行解码。首先利用本地参考扩频序列构建 一对组合序列：
[0039] P+(t) = [PN(t),PN(t)],P (t) = [PN(t),-PN(t) ] (5)
[0040] 接收端利用言号进行载波解调后，低通滤波器的输出信号为（取两个扩频符 号周期，不考虑噪声影响）：
[0042] 式中，dn= ±1，：?:为第η个扩频符号内的载波残留的随机相位，L为水声信道多 径条数,A1为每条路径衰减系数，τ i为每条路径的时延。
[0043] 分别与本地组合序列P+ (t)和P (t)进行相关运算后的能量输出为：
[0045] 式中，"<·>"为相关运算；I · I为取模运算；P为扩频序列的自相关函数。对 于定点水声通信，水声扩频系统载波相位跳变较为缓慢，可认为相邻扩频符号间的载波残 留的随机相位变化不大，即乾《 因此可得：
[0047] 因此由式（3)可知，若 maxEjt) > maxE2(t)，则 dndn+1= 1，an= 0 ;反之，dndn+1 = _l，an= 1，过比较相关器输出能量匹配结果的大小即可完成解码。此时输出结果均为实 数，因此差分能量检测器将不受载波相位跳变影响。同时，由于差分能量检测器算法是比较 两个相关器能量输出结果，可知当水声信道多途扩展小于扩频符号周期时，水声信道的多 途扩展分量将成为能量的有益贡献，差分能量检测器将不受多途扩展的影响。
[0048] 另外，若采用COS(C^t)信号解调，低通滤波输出信号的残留载波相位的存在形式 为C〇s(%)而非e-Λ ,因此当％ n/2时差分能量检测器的两个相关器输出能量差将受到 严重影响，进而产生误码。因此可以看到采用信号进行解调是差分能量检测器的关键 一步，它有效抑制了残留载波相位在η/2附近处跳变时对直扩系统的影响。
[0049] 图2给出了本发明提出的单矢量差分能量检测器原理框图。在直扩系统接收端， 单矢量水听器声压振速输出信号首先进入有源平均声强器对当前目标方位进行估计。利用 估计得到的方位进行矢量组合，从而完成对矢量水听器指向性的电子旋转，实现定向通信。 差分能量检测器在进行相关运算时将相关峰的位置信息反馈给有源平均声强器从而保证 有源平均声强器的方位估计增益最大化。
[0050] 在单矢量差分能量检测器中，有源平均声强器是以扩频符号周期为单位对接收信 号进行处理的。假设有源平均声强器对第k个扩频符号周期信号进行方位估计，在满足声 学