[发明专利]一种双曲调频扩频水声通信方法

说明书

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及移动水声通信中一种扩频通信方法。

背景技术

水下无人航行器(UUV)作为海洋探测的重要工具，已成为各国海洋工程领域的研究热点，其中，应用于UUV运动过程中的移动水声通信，是涵盖海洋技术与信息技术的世界各国急需的高新技术之一。

水声信道一般可以表征为带宽有限、多径干扰严重的时、频、空变信道。水声信道的复杂多径传播、高背景噪声、强衰落等特征严重限制了水声通信性能。特别地，对于移动水声通信，由于声波在海水中的传播速度仅为1500m/s，而航行器在水下的运动速度通常为1.5-15m/s。相对来说，航行器间较高的相对运动速度和声波在水中较低的传播速度导致了通信信号的时间展宽或压缩。

近年来，扩频水声通信技术受到较大关注，其原因：①.在远程(＞10km)水声通信中，接收信噪比比较低，往往在0dB以下，而扩频信号的相关增益较大、可以使得其在0dB以下的条件下进行信号的正确解调；②.它抗多径干扰和信道衰落能力强，被截获和检测概率低，保密性好；③.扩频技术是水声通信网络中的多用户水声通信的技术基础，水声信道的有限带宽限制了频分复用(FDMA)技术在水声网络中的应用，而时分复用(TDMA)需要严格的同步技术。目前普遍认为扩频及码分多址技术(CDMA)是浅海水声通信网络最有应用前景的多址接入方案。现已提出多种用于水声通信网络的DS-CDMA方案及相应的信号处理技术。可见，扩频水声通信技术具有重要的应用前景。

目前扩频水声通信方法主要以伪随机序列，如m序列、Gold序列作为扩频码的通信方式，概括如下：

(1).直接序列扩频技术

直接序列扩频(DSSS)水声通信系统，其发射端仅分配一个扩频序列，若扩频序列长度为L，每个码片持续时间为T。其信息通过调制在扩频序列的相位上进行传输，在接收端则根据扩频序列的相位进行解调。

(2).M元扩频方法

为了提高扩频通信数据率，可以采用M元扩频通信方法。其基本原理为：根据要传输的n比特的二进制信息，在一组包含M＝2n个伪随机码的集合中选取某一个伪随机码进行相位调制后发射。接收端包括一组匹配滤波器，每个滤波器匹配于伪随机序列组中的一个序列。根据伪随机序列的正交性，只有匹配于发射信号的滤波器的输出才能超过判决门限，依此进行译码，数据率提高log2M倍。

(3).M元并行组合扩频技术

由于M元伪随机码之间的准正交性，可以在发射端同时选取k个伪随机码，分别进行相位调制后同时发射，以进一步提高数据率，称为并行组合M元扩频通信。实际中，通常把M个伪随机码分成N组，根据传输的信息，从每组中选择一个伪随机码，共有N个伪随机码，分别进行相位调制，叠加后，形成发射信号。可以把M元扩频通信技术看作是并行组合M元扩频通信的一种特例，即N＝1时的传输方式。

但是，由于UUV运动时将会出现多普勒效应，导致常规的水声通信，特别是上述基于伪随机序列的水声扩频通信系统性能将急剧下降。其原因在于：①.多普勒效应导致通信信号的相位发生严重的变化，基于直接序列扩频的水声通信系统无法实现相位的正确解调，误码率高；②.M元扩频水声通信系统通常采用一组匹配滤波器的输出峰值的大小进行解调，而伪随机序列调相信号具有尖锐的模糊度函数图，即较小的多普勒频移就导致匹配滤波器的输出信号幅度极具下降，UUV运动导致了接收机的匹配滤波器失配，无法进行正确解调；③.水声信道复杂的多径传播导致严重的码间干扰，利用相干方法解调需要精确地估计水声信道，系统复杂度高。

发明内容

为了克服现有技术由于多普勒效应导致水声通信系统性能将急剧下降的不足，本发明提供一种双曲调频扩频水声通信方法，利用双曲调频信号对多普勒效应不敏感以及优良的相关特性，可获得较高速率、低复杂度的移动扩频水声通信方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1).由2个分别为正负调制率的双曲调频信号组成基本波形，其中，正调频双曲调频信号用作载波信号f(t)，负调频双曲调频信号用作导频信号p(t)，这两个信号近似正交，其互相关函数可表示为： 其中τ表示延迟，T 表示载波信号和导频信号的长度；

(2).在通信发送端，根据待发送的信息及预先设定的移位步长确定载波信号f(t)移位大小，并对载波信号进行循环移位，实现多元调制；

(3).叠加导频信号至循环移位后的载波信号上，形成复合信号，并将复合信号通过发射换能器发送入水声信道；