[发明专利]一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法

摘要

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法。本发明包括：选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；将步骤(2)产生的扩频信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号等。本发明所述的基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，简单易行，可靠性高，既能保证通信信息的隐蔽性与安全性，又能很好的满足于水下隐蔽声通信系统需求。

主权项

1.一种基于自适应干扰抵消的仿鲸鱼叫声隐蔽水声通信方法，其特征在于：发送端(1)选取合适的鲸鱼叫声信号，分析其时频特性，选择合适的时频区间用于扩频信号隐藏；选取频率低、声源级高的鲸鱼叫声信号作为掩蔽声音，选取在同一频带内的直接序列扩频信号作为被掩蔽声音，归一化鲸鱼叫声信号用w(n)表示，其短时傅立叶谱为Fw(t,f)，其中t表示时间，f表示频率，Amax＝max(Fw(t,f))Amax为短时傅立叶变换后的最大幅度，令α为掩蔽门限系数，求出当Fw(t,f)＞α×Amax时，对应的w(n)信号的时间范围[t1,t2]和频率范围[fL,fH]，其中t1为时间范围的起始时刻，t2为时间范围的结束时刻，fL为频率范围的最低频率，fH为频率范围的最高频率，得到作为被掩蔽声音的直接序列扩频信号带宽B＝fH-fL，载波频率fc＝(fL+fH)/2；(2)将数字信源信息调制为直接序列扩频信号，扩频信号的频率范围需要在鲸鱼叫声信号的频带范围内；首先通过扩频码序列产生器产生一组伪码c(t)，将信源信号a(t)与扩频码c(t)作模2加运算形成调制码，然后采用BPSK调制方式，控制载波cos(2πfct)，其中fc为扩频信号的载波频率，即可得到扩频信号s1(t)：s1(t)＝Aa(t)c(t)cos(2πfct)其中，A是信源信号的幅度，并且保证a(t)的码元宽度Tb是扩频码 c(t)码元宽度Tc的整数倍；使扩频信号信号的频带宽度小于调整后的鲸鱼叫声信号的频带宽度；(3)将步骤(2)产生的扩频信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号相加，形成仿生通信信号，鲸鱼叫声信号既作为同步信号，又作为扩频信号的掩蔽信号；掩蔽强度MS为归一化鲸鱼叫声功率与归一化扩频信号功率之比的对数，单位为分贝，即MS＝10log(Pwhale/PDSSS)其中，Pwhale为鲸鱼叫声信号的功率，PDSSS为扩频信号的功率，在给定掩蔽强度与鲸鱼叫声时，推算出扩频信号幅度衰减系数β，归一化扩频信号用s(n)表示，其长度应在时间范围[t1,t2]，合成后的含扩频信号的鲸鱼叫声信号，即仿生通信信号m(n)为：(4)将步骤(3)产生的通信信号发送到水声信道中，并在接收端接收信号；接收端：(5)利用步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号对接收信号进行同步；同步时，将接受信号与步骤(1)中选取的鲸鱼叫声信号作拷贝相关处理，找到最大峰值的位置，即可确定通信信号的起始时间；(6)基于步骤(1)选取的鲸鱼叫声信号，采用基于递推最小二乘法RLS的自适应干扰抵消法，在时域实现鲸鱼叫声信号和扩频信号的分离；把原始扩频信号提取出来，提取得到的扩频信号sextract(t)；输入的参考信号为原始的鲸鱼叫声信号w(n)，滤波器的权系数矢量为l(n)，接收到的含有鲸鱼叫声的扩频信号x(n)＝w(n)+s(n)，期望得到的纯净的扩频信号为sextract(n)，自适应相干抵消的处理过程如下：首先，设置初始的l(n)＝0，定义中间量P(0)＝δ-1L，L是N×N单位阵，δ为正值；对于n＝0,1,2,3...，计算：滤波：y(n)＝wT(n)l(n)；做差：sextract(n)＝x(n)-y(n)；求中间量：系数更新：l(n)＝l(n-1)+P(n)w(n)wT(n)sextract(n)重复上述过程，进行迭代运算，得到不含有鲸鱼叫声的离散扩频信号sextract(n)，若将其表示为连续信号，则可以表示为sextract(t)；(7)对步骤(6)中得到的扩频信号进行解扩、解调，恢复信源信息；直接序列扩频信号的解扩采用外差式解扩法，在接收机中，实现扩频信号的解扩是由混频器和中频滤波器组成的相关器完成的；参与混频的两个信号，一个是分离出的扩频信号sextract(t)，另一个接收本地参考振荡信号cos[2π(fc+fIF)t]受本地参考扩频码cr(t)调制形成的本地参考信号cr(t)cos[2π(fc+fIF)t]，其中，fIF是中频频率；混频的过程就是这两个已调信号在时域上相乘的过程，即sextract(t)cr(t)cos[2π(fc+fIF)t]当发射端扩频码c(t)与本地参考扩频码cr(t)完全同步时，c(t)cr(t)＝1则输出信号就是被解扩且含有信息的中频带通信号a(t)cos(2πfIFt)；解调时采用相干解调法，通过本地振荡器产生一个与中频载波同频同相的本地相干载波参考信号cos(2πfIFt)，将上述获得的已调信号通过乘法器，再通过低通滤波器，经过抽样判决后，得到解调信号，即得到原始信源信号a(t)。