專利名稱：一種移動(dòng)水聲通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是水聲通信領(lǐng)域，更確切地說，涉及一種實(shí)現(xiàn)移動(dòng)水聲通信的方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今水聲通信的前景就是由活動(dòng)節(jié)點(diǎn)和靜止節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成的水聲數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，隨著各種艦船、潛器航行速度的提升及對(duì)其水聲通信無線遙控的迫切需求，研究移動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)水聲通信將是十分有意義的。
線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)在水聲領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在無多普勒頻偏時(shí)，拷貝相關(guān)器是LFM信號(hào)的最佳檢測(cè)器，但當(dāng)存在頻偏時(shí)將發(fā)生失配而影響性能。分?jǐn)?shù)階Fourier變換具有LFM基分解特性，一個(gè)LFM信號(hào)當(dāng)在分?jǐn)?shù)階Fourier變換域中選取適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)?shù)階數(shù)時(shí)，將表現(xiàn)為一個(gè)沖激函數(shù)，即分?jǐn)?shù)階Fourier變換在某個(gè)分?jǐn)?shù)階Fourier域中對(duì)給定的LFM信號(hào)(調(diào)頻斜率一定)具有很好的能量聚集性。因此，可通過在分?jǐn)?shù)階Fourier變換域進(jìn)行二維搜索來檢測(cè)存在多普勒頻偏的LFM信號(hào)。
Pattern時(shí)延差編碼體制屬于脈位編碼，可選取LFM信號(hào)作為Pattern碼型，所以可以引入分?jǐn)?shù)階Fourier變換。因此若將分?jǐn)?shù)階Fourier變換應(yīng)用于PDS通信體制解碼，可勝任存在多普勒頻偏的移動(dòng)水聲通信。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可克服拷貝相關(guān)器在對(duì)存有多普勒頻偏時(shí)失去其最佳檢測(cè)性能的缺點(diǎn)和不足，能夠勝任移動(dòng)水聲通信的移動(dòng)水聲通信方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 (1)選取LFM信號(hào)作為Pattern時(shí)延差編碼體制(PDS)的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調(diào)頻斜率LFM信號(hào)，通信信道2的pattern2(t)為負(fù)調(diào)頻斜率LFM信號(hào)； (2)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行Pattern時(shí)延差編碼； (3)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行正交載波調(diào)制，然后兩通道信號(hào)疊加發(fā)射； (4)接收信號(hào)分別與載頻的正、余弦信號(hào)相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量； (5)構(gòu)造兩路復(fù)信號(hào)，進(jìn)行最佳階數(shù)分?jǐn)?shù)階Fourier變換； (6)在FRFT的u正半軸與u負(fù)半軸分別測(cè)量FRFT峰值時(shí)延值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路通信信道解碼。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，克服移動(dòng)水聲通信中的多普勒頻偏，本發(fā)明利用LFM信號(hào)在與其調(diào)頻斜率一致的分?jǐn)?shù)階Fourier變換域呈現(xiàn)沖激信號(hào)的特征，提出一種基于分?jǐn)?shù)階Fourier變換的PDS編、解碼方案，構(gòu)成FRFT-PDS通信系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以在存有多普勒頻偏時(shí)高性能的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)水聲通信，且可實(shí)現(xiàn)兩路通信信道同時(shí)通信，提高通信速率。


圖1是FRFT-PDS通信流程圖； 圖2是無噪聲干擾下一組碼元的FRFT輸出； 圖3是噪聲干擾下一組碼元的FRFT輸出； 圖4是FRFT解碼器輸出； 圖5是通信信道1拷貝相關(guān)解碼器輸出； 圖6是通信信道2拷貝相關(guān)解碼器輸出。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 在本發(fā)明中，通信頻帶內(nèi)選取兩種Pattern碼型，對(duì)應(yīng)于兩路通信信道同時(shí)工作。通信信道1的編碼波形可表示為 式中τ1di＝k1i·Δτ為通信信道1的第i號(hào)碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)延差值；pattern1(t)為脈寬為Tp的Pattern碼型。選取LFM信號(hào)做為Pattern碼型，Pattern1的碼型以復(fù)信號(hào)表示如下
式中fL為通信頻帶的起始頻率，β＝B/Tp為Pattern的調(diào)頻斜率，B為系統(tǒng)帶寬。
以Pattern1碼型的時(shí)間反轉(zhuǎn)作為Pattern2(負(fù)調(diào)頻斜率LFM信號(hào))，即 pattern2(t)＝pattern1(-t)(3) 由于選取的Pattern是線性調(diào)頻信號(hào)，所以可以引入分?jǐn)?shù)階Fourier變換。
下面簡(jiǎn)要介紹分?jǐn)?shù)階Fourier變換的原理及特性。
時(shí)間信號(hào)x(t)的分?jǐn)?shù)階Fourier變換定義如下 其中，p為FRFT的階數(shù)，可以為任意實(shí)數(shù)，旋轉(zhuǎn)角度α＝pπ/2；Fp為FRFT的算子符號(hào)，Kp(t，u)為FRFT的變換核。
具有角度α＝pπ/2的分?jǐn)?shù)階Fourier逆變換就是具有角度-α＝-pπ/2的分?jǐn)?shù)階Fourier變換，即 從逆變換中可以看出，分?jǐn)?shù)階Fourier變換將x(t)表示成由具有線性頻率調(diào)制的復(fù)指數(shù)函數(shù)集合K-p(t，u)組成的一組基函數(shù)，這組基函數(shù)是正交基。因此對(duì)于給定的LFM信號(hào)，存在一個(gè)分?jǐn)?shù)階數(shù)使線性調(diào)頻信號(hào)的能量聚集于一最大值，我們稱之為與此調(diào)頻斜率相匹配的“最佳”分?jǐn)?shù)階數(shù)。LFM調(diào)頻斜率β與“最佳”分?jǐn)?shù)階數(shù)p0有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系β＝-cot(p0π/2)。當(dāng)調(diào)頻斜率β很大時(shí)，p0將趨于2，旋轉(zhuǎn)角度α趨于π。
分?jǐn)?shù)階Fourier變換還具有很多重要性質(zhì)，現(xiàn)給出接下來要用到的幾條性質(zhì) ①線性變換特性 {Fp[ax(t)+by(t)]}(u)＝aXp(u)+bYp(u)(6) ②時(shí)移特性 {Fp[x(t-τ)]}(u)＝Xp(u-τcosα)exp(jπτ2sinαcosα-j2πuτsinα)(7) ③頻移特性 {Fp[x(t)ej2πξt]}(u)＝Xp(u-ξsinα)exp(-jπξ2sinαcosα-j2πuξcosα) (8) 式中a、b為任意常系數(shù)，τ為時(shí)延量，ξ為多普勒頻偏。
另外，分?jǐn)?shù)階Fourier變換還具有奇偶對(duì)稱特性，即 若則 由式(9)可知，互為時(shí)間反轉(zhuǎn)的Pattern1、Pattern2在分?jǐn)?shù)階Fourier變換域內(nèi)具有相同的最佳分?jǐn)?shù)階數(shù)，且兩者對(duì)應(yīng)的FRFT峰值將出現(xiàn)在無重疊的兩個(gè)區(qū)間u正半軸與u負(fù)半軸。因此若將分?jǐn)?shù)階Fourier變換應(yīng)用于PDS通信體制解碼，則可通過一次FRFT運(yùn)算同時(shí)檢測(cè)到Pattern1、Pattern2；并且FRFT具有時(shí)延特性，每個(gè)Pattern在碼元對(duì)應(yīng)的時(shí)延差值可通過FRFT模值的峰值檢測(cè)測(cè)量。因此FRFT可應(yīng)用于該雙通信信道的PDS體制解碼。
復(fù)信號(hào)需要進(jìn)行正交調(diào)制以便發(fā)射。下面以一組碼元來介紹正交調(diào)制與解調(diào)的過程。由于每個(gè)碼元在時(shí)間τdi＜t≤τdi+Tp內(nèi)為Pattern波形，其余時(shí)刻為0值，所以只需要分析Pattern波形的調(diào)制過程。為便于分析，將Pattern1、Pattern2寫為如下形式 式中fH為系統(tǒng)通信頻帶的截止頻率。
設(shè)p1R(t)、p1I(t)分別表示pattern1(t)的實(shí)部、虛部信號(hào)，p2R(t)、p2I(t)分別表示pattern2(t)的實(shí)部、虛部信號(hào)。為保留高頻分量，pattern1(t)正交調(diào)制可表示為 p1c(t)＝p1R(t)cos(2πfct)-p11(t)sin(2πfct)＝cos(2πfLt+πβt2+2πfct) (11) 為與p1c(t)占用相同的頻帶，pattern2(t)的正交調(diào)制可表示為 p2c(t)＝p2R(t)cos(2πfct)+p2I(t)sin(2πfct)＝cos(2πfHt-πβt2+2πfct) (12) 按上述調(diào)制過程對(duì)如式(1)所示的兩路通信信道的編碼信號(hào)m1(t)、m2(t)進(jìn)行載波調(diào)制，其調(diào)制后的波形可表示為 最終發(fā)射信號(hào)為此兩路調(diào)制信號(hào)的疊加s(t)＝m1c(t)+m2c(t)，如圖1所示。
現(xiàn)在介紹接收端解調(diào)過程，即去載頻恢復(fù)原基帶復(fù)信號(hào)的過程。為方便闡述，只考慮第一組碼元，且暫不考慮水聲信道及噪聲干擾，此時(shí)接收信號(hào)可表示為r(t)＝p1c(t-k11·Δτ)+p2c(t-k21·Δτ)。將接收信號(hào)分別與載頻的正、余弦信號(hào)相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量 式中{·}BP表示帶通濾波輸出。式(14)、式(15)含有原Pattern1、Pattern2的實(shí)部、虛部信號(hào)，雖然均被解調(diào)出來，但他們的實(shí)部疊加在一起、虛部也疊加在一起。
用式(14)、式(15)構(gòu)造兩路復(fù)信號(hào) 式中d1(t)、d2(t)是復(fù)干擾信號(hào)，與pattern1(t)、pattern2(t)的相關(guān)系數(shù)均很小。
將信號(hào)r1(t)、r2(t)疊加后進(jìn)行最佳階數(shù)分?jǐn)?shù)階Fourier變換，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路通信信道解碼。FRFT-PDS系統(tǒng)通信流程如圖1所示。
移動(dòng)水聲通信具體計(jì)算實(shí)例 系統(tǒng)參數(shù)選取系統(tǒng)基帶2～5kHz，載頻4kHz，采樣頻率40kHz；碼元寬度T0＝20ms，Pattern脈寬Tp＝10ms，編碼時(shí)間Tc＝T0-Tp＝10ms，每個(gè)碼元攜帶3bit數(shù)字信息。在2kHz頻帶內(nèi)兩路通信信道同時(shí)工作，通信速率為300bit/s。
圖2給出在無噪聲干擾、理想情況下的一組碼元的FRFT輸出模值；圖3為有白噪聲干擾時(shí)的一組碼元的FRFT模值輸出(SNR＝0dB)。
從圖1、圖2中可見，F(xiàn)RFT輸出的峰值出現(xiàn)在u坐標(biāo)無重疊的正、負(fù)半軸，在正、負(fù)區(qū)間分別峰值檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)兩路通信信道同時(shí)解碼。另外，白噪聲的能量均勻分布在整個(gè)時(shí)頻平面內(nèi)，在任何的分?jǐn)?shù)階Fourier域上均不會(huì)出現(xiàn)能量聚焦，因而FRFT處理具有較強(qiáng)地抑制噪聲能力。
在深海條件下進(jìn)行仿真研究，通信節(jié)點(diǎn)位于深海聲道軸；多普勒頻偏為30Hz；接收端信噪比為5dB。FRFT解碼器輸出如圖4所示。若采用拷貝相關(guān)解碼，則需以Pattern1、Pattern2分別作為參考信號(hào)進(jìn)行拷貝相關(guān)處理，其對(duì)應(yīng)的拷貝相關(guān)輸出如圖5和圖6所示。
由于存在多普勒頻偏，拷貝相關(guān)峰幅值降低且偏離真值位置，當(dāng)多普勒頻偏超出LFM信號(hào)容限范圍后將產(chǎn)生較大誤碼。而FRFT只需通過對(duì)第一組碼元進(jìn)行最佳階數(shù)搜索，確定最佳階數(shù)后以此階數(shù)進(jìn)行接下來的FRFT解碼，即可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量解碼。
下面對(duì)所提出的方案進(jìn)行仿真研究。收、發(fā)節(jié)點(diǎn)均置于深海聲道軸附近，改變其相對(duì)水平距離，多普勒頻偏為30Hz，采用FRFT解碼方式，表1給出了在不同信噪比(SNR)下相應(yīng)各通信信道的誤碼率(BER)。
表1通信誤碼率統(tǒng)計(jì)

注I、II分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)通信信道的誤碼率；Mean為平均誤碼率. 通過大量仿真統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，將通信節(jié)點(diǎn)置于聲道軸附近，當(dāng)多普勒頻偏為30Hz、信噪比不低于6dB時(shí)，作用幾十千米下的通信誤碼率可控制在10-3或以下。
權(quán)利要求
1.一種移動(dòng)水聲通信方法，其特征是
(1)選取LFM信號(hào)作為Pattem時(shí)延差編碼體制的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調(diào)頻斜率LFM信號(hào)，通信信道2的pattern2(t)為負(fù)調(diào)頻斜率LFM信號(hào)；
(2)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行Pattern時(shí)延差編碼；
(3)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行正交載波調(diào)制，然后兩通道信號(hào)疊加發(fā)射；
(4)接收信號(hào)分別與載頻的正、余弦信號(hào)相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量；
(5)構(gòu)造兩路復(fù)信號(hào)，進(jìn)行最佳階數(shù)分?jǐn)?shù)階Fourier變換；
(6)在FRFT的u正半軸與u負(fù)半軸分別測(cè)量FRFT峰值時(shí)延值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路通信信道解碼。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種移動(dòng)水聲通信方法。(1)選取LFM信號(hào)作為Pattern時(shí)延差編碼體制的Pattern碼形，其中通信信道1的pattern1(t)為正調(diào)頻斜率LFM信號(hào)，通信信道2的pattern2(t)為負(fù)調(diào)頻斜率LFM信號(hào)；(2)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行Pattern時(shí)延差編碼；(3)通信信道1、通信信道2分別進(jìn)行正交載波調(diào)制，然后兩通道信號(hào)疊加發(fā)射；(4)接收信號(hào)分別與載頻的正、余弦信號(hào)相乘并通過帶通濾波器濾除高頻分量；(5)構(gòu)造兩路復(fù)信號(hào)，進(jìn)行最佳階數(shù)分?jǐn)?shù)階Fourier變換；(6)在FRFT的u正半軸與u負(fù)半軸分別測(cè)量FRFT峰值時(shí)延值，同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路通信信道解碼。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可以在存有多普勒頻偏時(shí)高性能的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)水聲通信，且可實(shí)現(xiàn)兩路通信信道同時(shí)通信，提高通信速率。
文檔編號(hào)H04B13/02GK101166066SQ20071007256
公開日2008年4月23日 申請(qǐng)日期2007年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月24日
發(fā)明者殷敬偉, 惠俊英 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)