一种稳健的水声差分跳频通信体制

一种稳健的水声差分跳频通信体制 压 电 与 声 光 Vol . 31 No . 3 第3 1 卷第3 期 2 0 0 9 年6 月 J un. 2009 P IEZO EL EC T EC T R ICS & A COU S TOO P T ICS () 文章编号 :100422474 20090320337204 一种稳健的水声差分跳频通信体制 刘友永 ,梁国龙 ,张光普 ,殷敬伟 ( )哈尔滨工程大学 水声工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001 摘 要 :基于水下目标的通信保密 、安全可靠性要求 ,提出一种新的水声差分跳频通信体制 ,与传统跳频通信 不同 ,它是利用相邻跳频调制信息 。通过分析其频率转移函数的构造方法和差分跳频信号的多途特征 ,提出一种 基于自相关的短时傅里叶变换的跳频检测方法 ,并利用 Viter bi 算法纠正部分错码 。仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,该文提出的通 信体制和检测方法能有效的克服水下干扰 、多途和多普勒频偏 ,在较低信噪比下 ,仍有较好的误码性能 ,适用于水 下安全保密通信场合 。 关键词 :水声差分跳频通信 ;频率转移函数 ;短时傅里叶变换 ; Vit er bi 算法 中图分类号 : TB567文献标识码 : A A Robust Under water Acoust ic Diff erent ial Frequency 2hopping Commun icat ion System L IU You2yong ,L IA NG Guo2long , ZHANG Guang2pu ,Y IN Jing2we i ( )College of U nder wat er Aco u stic Engi neeri ng , Ha r bi n Engi neeri ng U niver sit y , Ha r bi n 150001 , Chi na Abstract : A new underwater aco ustic diff erential f requency2hopping co mmunicatio n system wa s p ropo sed ba sed o n t he saf et y and relia bilit y of co mmunicatio n of t he underwater tar get . Co mpa ring wit h t he co nventio nal f requency2 hopping co mmunicatio n , t hi s f requency2hopping co mmunicatio n system t ra nsmit s dat a bet ween t wo adjacent f re2 quency2hopping mo dulatio ns. By a nalyzing algo rit hms of G f unctio n and multi2p at h of received diff erential f requency2 hopping signal , a met ho d of hop2detecting ba sed o n t he autoco r relatio n and S T F T t ra nsfo r m wa s p ropo sed. The vit2 er bi algo rit hm wa s used to co r rect t he w ro ng p art of t he co de. The simulatio n re sult s sho wed t hat t he p ropo sed co m2 municatio ns system a nd t he detectio n met ho d have t he advantage of co nqueri ng t he interf erence a nd multi2p at h , a nd have a goo d B ER perfo r ma nce fo r underwater aco ustic co mmunicatio ns rega r di ng t he saf et y a nd relia bilit y under lo w SN R. Key words : underwater aco ustic D F H co mmunicatio n ; G f unctio n ; S T F T ; Viter bi algo rit hm 水声信道是个缓慢时变的相干多途信道 ,有限,然后用 Vit e r bi 算法进行最大似然序频信号的检测 的信道带宽、严重的多途效应和多普勒是影响水声 列检测纠正部分误码 ,再根据频率转移函数的逆函 通信性能的主要障碍 。跳频通信具有良好的抗干 数解调出数据信息。仿真表明该体制和解跳方法能 扰、抗多径性能 ,有一定处理增益、易于窄带系统兼 有效克服水下多途及多普勒频偏 ,有很强的稳健性 , 容等优点 ,近些年多用于水下某些对通信保密、可靠 在低信噪比下仍有较好的检测性能 。[ 125 ] 性要求较高的场合。传统的短波跳频通信由于1 D F H2G 函数 器件条件 、同步等条件限制 ,跳频速率一般不会超过( ) 频率转移函数 G 函数主要用于跳频图案的产 200 跳/ s ,数据传输速率较低 , 抗跟踪干扰性能差 。 生 , 完成数据信息的调制和解调与传统跳频中利用 而差分跳频 ———D F H 技术是美国 C H ESS 电台的 伪随机序列控制频率跳变的方式不同 , 差分跳频通 [ 6 ] 核 心 技 术, 该 系 统 全 面 基 于 D SP , 跳 速 可 达信利用相邻两跳或多跳频率携带欲传输的数据信 5 000 跳/ s ,数据传输率为 2 . 4,19 . 2 k bit s/ s 可选 ,息 , 因此跳频图案无法预知 , 这是其抗跟踪干扰的一 具有良好的抗干扰、抗衰落和抗多径的性能 ,国内学 个重要原因 。一般 G 函数可表示为 者在差分跳频的体制性能上也做了大量的研究工 [ 729 ] 作。本文提出将差分跳频技术用于水声通信 ,通 ( )( ) 1 f j = Gf j - 1 , X j 过分析接收端水声差分跳频信号的特点 ,利用基于 式中 G 为频率转移函数 ; f 为当前跳频率号 ; f j j - 1( ) 自相关的短时傅里叶变换 S T F T方法完成差分跳为上跳频率号; X 为当前传输数据。为了好的抗多j 收稿日期 :2008210207 ( ) ( ) 基金项目 :国家自然科学基金资助项目60802060; 国防重点实验室基金资助项目51445030205 ZS2301( ) 作者简介 :刘友永19802,男 ,山东人 ,博士生 ,主要研究方向为水声通信、通信信号与信息处理等。 径和抗干扰性能 , 就要求 G 函数产生的跳频序列尽M 为单频脉冲的个数; A 为脉冲的幅度; f 、式中i 可能随机 、均匀地使用频率集中的所有频点 。鉴于 θ( ) 分别为第 i 跳持续时间 码元宽度T 内脉冲的载i 波频率和初始相位; 跳频率集中所有频点均两两正 水声信道多途效应会导致严重的码间干扰 , 适当增 [ 11 ]交。相干多途信道的冲击响应函数可近似为 大相邻频点间隔 , 降低邻道串扰 , 将利于跳频信号检 P [ 8 ] 测。故本文所用的 G 函数为(ττ)δ( )τ) ai ×- i (5 h = ?) ( ) ( N = f = Gf , X = a ×f + b + X mo dj j - 1 j j - 1 n i = 1 B P H - 1 B P H - 2 τ P 为通过接收点的本征声线的数目 ; a、分 ( 式中i i f + 4 + 2×x + 2 x +j - 1 n n - 1 0 ( )) 别为第 i 途径到达接收点的信号幅度和时延 。i = 1 2 + 2×x mo dN n - B P H + 1 时为直达声线 , 其他项为经海底、海面多次反射而引 式中a = 1 ; b = 4 ; B P H 为每跳传输的信息比特 ( ) 起的多途扩展。因此差分跳频信号经水声信道后 , 数; N 为频率集中用到的频点个数; x mo d N 表示 对 x 作以 N 为模的求余运算 。, 包括码间干扰和码内干扰 。会产生严重的多途干扰 已知起始频率号 f 和传输的信息比特流 , 可得 为简化分析 , 选择接收跳频信号的一跳为研究0 对象; 仅考虑码间干扰时 , 即多途扩展与直达声的时 跳频图案 。设 f = 10 k Hz , B P H = 2 , N = 32 时 ,根0 延差大于 T 时 , 当前跳脉冲多途扩展会对后续跳的 () 据式 2可得传输的数据比特流与跳频图案的对应码元造成干扰 , 导致波形畸变 , 设多途扩展的时间长 关系如表 1 所示。度为 q ×T , 那么在 i 跳持续时间 T 内 , 接收的信号 f = 10 k Hz , B P H = 2 , N = 32 时表 10 为 数据流与跳频图案的对应关系i - 1 kn X 01 10 11 01 00 01 00 j ( ) ( τ) ( τ) r t= ast - +as t - +i i1 i i1 mn mn mn ??f 15 21 28 1 5 10 14 jm = i - q n = 1 X 10 01 11 11 00 01 01 j( ) ( )( ( ) )) ( nt+ J t i i t ?[ i - 1T , i T ]6 20 25 0 7 11 16 21 f j 式中 第一项为第 i 跳的直达声脉冲; 第二项为前 q 由表可看出 ,跳频序列的频点比较随机 ,即使有跳脉冲的多途扩展 , 其中每跳脉冲在第 i 跳持续时 连续相同的数据输入 ,只要起始频率不同 ,对应的频 ( ) 间内存在的多途个数为 k n 个 ; nt为环境噪声 ;i 率也就不同 ,说明了其跳频图案的随机性。 ( ) J t为人为干扰或部分频带干扰。由 G 函数构造 i 2 水声差分跳频信号的接收跳频序列的法则可知 , 频率集中的每个频点被均匀 由于携带信息的体制不同 ,差分跳频通信信号 随机使用 , 从统计的角度考虑 , 相同频点被使用平均的接收不可能像传统跳频那样 ,利用预知的跳频图 间隔为 N ×T , 故码内远多途干扰的存在几率很低 ; 案进行信息解调 ,而是需要逐跳检测出信号的载波 而人为干扰频率对准该跳频率的概率为 1/ N , 故在 频率 ,再利用 G 函数的逆变换解调数据信息 ,因此 , 该跳持续时间 T 内的主要干扰为异频干扰和环境 需分析水声差分跳频信号的特征 ,寻找有效的解跳 干扰。 方法。整个系统结构如图 1 所示 。 若存在码内近多途干扰 , 即多途扩展与直达声 时延差小于 T 时 , 码元的多途叠加在自身码元上 , 此时接收信号为 k ( ) ( τ) ( τ)rt= ast - + as t - i i1 i i1 ij j ij + ?j = 2 i - 1 kn ( τ) ( ) ( )as t - + nt+ J tmn mn mn i i ?? m = i - q n = 1 图 1 水声差分跳频通信的系统结构 ( ( ) )( ) 7 t ?[ i - 1T , i T ] 2 . 1 接收信号的特征分析 式中 第一 、三和四项表达含义同上; 第二项为码内 差分跳频发射信号是一系列的等幅单频脉冲 ,近多途干扰 ; k 为多途个数 ; 若近多途与本码元波形 即同相叠加 , 则信号增强利于码元检测 , 反相波形相消 M 则造成码元变窄对码元检测不利 。 ( ) ( )( )S t= si t3 ?i = 1 综上可知 , 在每跳时间内接收信号的频率不唯 ( ) πθ) (( ) st= A co s 2f t +{ u t -i T- i i i 一 , 主要干扰为异频干扰和环境干扰 , 部分频点可能 ( ) u[ t - i - 1T ]} 出现码内波形相消。因此只要正确得到该跳信号的 ( ) )( ( ) 4 t ?[ i - 1T , i T ] 339 第 3 期刘友永等 :一种稳健的水声差分跳频通信体制 () 载波频率 , 就能恢复信息 。2计算路径度量。由第一级开始计算路径度 2 . 2 基于自相关的 STFT 解跳方法量 ,所有状态初始度量均为 0 ,如果解跳器输出的频 S T F T 作为一种时频分析方法 , 其基本 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 是 率与该时刻可能与 2 B P H 个转移频率中的某一频 将信号划分为许多小的时间间隔 ,利用傅里叶变换 率相同 ,则该频率所在状态的度量加 0 ,剩下其他频 [ 9 ] 分析每个时间间隔内存在的信号频率。一般采用 点的度量加 1 ; 若与其中任何一个可能的转移频率 λ( ) 与窗函数t相乘加强某个时间的信号 ,而压缩其 均不相同 ,则该时刻所有状态的度量都加 1 ,同时比 他时间的信号 ,做傅里叶变换就反映该时间间隔的 较每个状态的所有可能转入路径的度量 ,令度量最 频率分布 ,本文就是利用 S T F T 的这一特点来分析 小的支路为留存路径 ,其余支路舍掉 ; 依此类推 ,可 每跳时间的频率分布 ,即 得 L 级的各个状态的路径度量及每个状态的留存 πτ路径。 - j2f( ) (τ)λ(τ( )S T F T t , f = s -) τ 8 te d ?() 3路径判决。对第 L 级的所有状态的留存 Δ 与其他时频分析方法一样 , S T F T 的时间分辨率t路径的度量比较 ,判定具有最小度量的那条路径为 [ 5 ] Δω和频率分辨率受测不准原理的限制, 即发送的跳频频率序列路径 ,若累加度量不为 0 ,说明 ( )ΔΔω 9 t ??1/ 2有部分错误解跳 ,通过最大似然序列检测后可纠正 本文采用信号的时2带宽积为 1 , 为提高估计载 错误。 波频率的频率分辨率 , 提出在 S T F T 前信号做一次 3 仿真结果及分析( ) 自相关得到 R t, 提高时间宽度 1 倍的同时 , 有效 仿 真 条 件 : 采 用 D F H24 F S K 调 制 , B P H = ( ) 的抑制噪声提高了信噪比 , 式 8可变为 2 bit ;系统带宽为 7 . 15 ,15 . 00 k Hz , 分成 N = 322 T - 1 πτ - j2 f 个信道 , 信道带宽 B = 250 Hz ; 跳频码元长度为(τ)λ(τ( ) ( )R-τ) S T F T t , f = 10 s te d ?0 4 m s ;每帧信号采用脉宽为 10 m s 线性调频信号做 跳检测步骤如下 :同步 ,之后有 6 s 的跳频信号 ,即每帧 1 500 个信息 ( ) 1实现帧同步后 , 按照预知的帧结构 , 利用时 码元 ,数据传输率为 498 bit s/ s ; 宽带滤波器为带宽间长度为 T 的矩形窗将接收信号取出 , 视为当前跳 6 . 5,16 . 5 k Hz 的 23 阶 B ut t er wo rt h 带通滤波器 。信号。 信噪比( ) 2信号自相关后做 S T F T , 得到该跳时间内( )S N R = E/ N 11 s 0的频率分布 , 通过对第一跳已知 f 的估计校正其他 0 E为信号能量; N 为加性高斯白噪声的单式中s 0 跳频率的多普勒频偏 。 边功率谱密度。( ) 3取出频率分布中校正后所有频点的最大幅 3 . 1 水声多途信道的仿真 度值和次大幅度值 , 用 G 函数的构造法则删除当前 利用信道仿真软件模拟水声信道环境 ,得到声 跳不可能出现的频点 , 剩下的频点视为当前跳频点 。速为负梯度分布时某一信道冲击响应函数如图 2 所 ( ) 4将矩形窗后移 T , 重复上述步骤 , 可得接收 示。其中 ,幅度最大的第 4 根为直达声信道冲击响 信号的频率序列。 应 ,其后的 3 根为码内干扰 ,剩下的均为码间干扰 ; 2 . 3 Viterbi 算法的应用可知该信道含有严重的码间干扰和码内近干扰 : 干 差分跳频 G 函数在数据调制时使相邻两跳频 扰幅度大 ,扩展时间长达 140 m s ; 将对本码元和后 率具有一定的相关性 ,具有潜在卷积编码的功能 ,故 续码元产生干扰。 可利用 Vit er bi 算法对 S T F T 得到的频率序列进行 最大似然序列检测 ,可纠正部分错码 ,降低误码率 。 Vit e r bi 算法包括硬判决和软判决法 ,二者的区别是 硬判决法采用汉明距离来计算路径度量 ,而软判决 法采用的是欧氏距离 ,仅对本文采用 Vit e r bi 硬判决 [ 12 ] 法作简要说明。 () 1画出网格图。将并联 no t c h 滤波器组输出 的频率序列分为 L 段 , 画出深度为 L 的网格图 , 图 ( ) 图 2 信道冲击响应 h t中各状态为用到的所有频点 , 输入为由 G 函数根据 3 . 2 处理结果及性能分析 前一跳频率得到的所有可能当前跳频率。 宽带水声换能器接收的差分跳频信号 ,经前置 放大器和带通滤波器后先与线性调频同步信号做拷,具有潜在的纠错编函数产生不可预知的跳频图案 贝相关建立同步 ,根据预知的帧结构信息利用长度 码功能 ;提出利用基于自相关的 S T F T 法结合 G 函 为 T 的滑动矩形窗依次取出每跳信号 ,自相关后与 数实现跳频检测 , 通过 Vit er bi 算法纠正部分错码 长度为 2 T - 1 的 Ga u ss 窗相乘做 S T F T 处理 ,得到 后 ,利用 G 函数的逆变换解调出数据信息。仿真表某跳时间内的频率分布如图 3 所示。由图可看出 , 明 ,该方法稳健可靠 ,在较低的信噪比时仍有较好的 因多途效应该跳时间内存在多个频率 ,利用上述跳 检测方法结合 G 函数构造法则 ,可有效克服码内干 误码性能 ,能有效抗多途和多普勒频移 ,实现水下的 扰 ,提高误码性能。本文发送了 10 帧信号共 15 000 安全保密通信。 个数据码元 ,得到系统的性能曲线如图 4 所示。 参考文献 : L E E F , MA T T H EW G , SA ND IPA S. 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