[发明专利]一种差分循环移位扩频水声通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及水声通信领域，更确切地说，涉及中远程水声通信中的一种低复杂度、低功耗扩频通信方法。

背景技术

随着人类对海洋资源开发事业的迅速发展，世界各国对水下信息传输技术的要求越来越迫切。水声通信是实现水下信息远程传输的主要形式，是涵盖海洋技术与信息技术的国家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。水声信道的复杂性及多变性严重限制了水声通信性能。由于水声信道的复杂多变性，各种调制和解调技术均有一定的实用性，为此，美国海军空间与海洋作战系统研究中心(Spaceand Naval Warfare Systems Center)进行了多次SignalEx海上实验。SignalEx实验目的是为了比较各种水声通信调制技术在不同水声信道环境下的统计性能，以优化系统参数，其调制方式主要分为近程高速水声通信和远程低速水声通信技术。高速水声通信主要采用相位相干(MPSK)技术或正交多载波(OFDM)技术；低速水声通信主要采用频移键控(MFSK)，脉冲位置调制(PPM)和扩频技术。近年来，扩频水声通信技术受到较大关注，其原因：一方面，在远程(＞10km)水声通信中，扩频通信具有重要的应用价值，它保密性好，抗多径干扰和信道衰落能力强，可在低信噪比条件下工作；另一方面，当前水声通信已经发展到开始建立水声通信网络的阶段，如美国的Seaweb网络，它可用于自主式分布传感器系统，欧盟的用于近海环境监测的声通信网等。其中，多用户水声通信是实现水声通信网络的关键技术之一。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研究意义。然而，在水声通信可用频率范围内，声波在水中的衰减与频率的平方成正比，导致水声通信的带宽十分有限。远程水声通信的带宽往往只有几kHz，甚至几百Hz，以至常规直接序列扩频水声通信数据率极低，仅几到几十比特，严重影响了通信系统的实用性。

通常情况下，水声信道多径传播复杂，产生严重的码间干扰，对水声通信产生严重影响。通过提高发射功率对抑制多径干扰、提高接收端信噪比，其作用不大。利用扩频信号固有特性，在接收端联合利用多径信息，是一种能够提高远程扩频水声通信系统性能的有效方法。

目前扩频水声通信方法概括如下：

(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，则通信速率为：

Rs=1TL---(1)]]>

水声通信带宽有限，使得DSSS数据率低，一般仅为几比特。

(2).M元扩频技术

为了提高扩频通信数据率，可以采用M元扩频通信技术。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，其数据率为：

Rs=1LTlog2M---(2)]]>

称为M元扩频通信。与DSSS相比，M元扩频通信的数据率提高log2M倍。

(3).M元并行组合扩频技术