[发明专利]一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法

说明书

本发明公开了一种基于交叉子带划分的多带双曲调频扩频通信方法。本方案提出将水声系统可用带宽按照当前扩频周期序号的奇偶性进行不同子带数量的多带划分，以达到交叉子带划分的目的。在此基础上，将划分的多个子带两两分组，每个分组采用子带选择激活的方式根据传输数据的不同进行子带的选择，实现多带并行传输。同时，每个扩频周期内，被激活子带分别采用升、降双曲调频信号对调制后的信号进行调频。相对于其他水声双曲扩频调频方案，本发明采用交叉子带划分的方案，提高了对信道最大时延的容忍度；利用升、降双曲调频信号的弱相关性，承载传输不同的信息；采取基于QPSK调制的多带并行传输方案，进一步提高了系统的频带利用率与传输速率。

技术领域

本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种双曲调频信号，结合交叉子带与升降HFM信号的扩频通信方法。

背景技术

由于海洋环境的复杂性，水声信道存在严重的多径效应和时变特性。而海水介质对高频衰减非常严重，导致水声通信可用带宽非常小。水声通信经历了从非相干技术到相干技术的发展，相较于非相干技术而言，相干技术的频谱利用率高，可以大大提高通信系统的效率。然而严重的多径效应与时变性，是水声相干通信主要的制约因素，与此同时在信噪比较低的环境下，较难确保通信的可靠性。

扩展频谱(spread spectrum，SS)技术是一种能有效对抗干扰的技术，它以其自身的优势，在低信噪比以及存在多径扩展的复杂信道情况下，仍可以在保证一定通信速率的前提下，实现可靠信息的传输。常见的扩频方式主要有三种，分别是直接序列扩频(DSSS)，跳频扩频(FHSS)以及调频扩频(CSS)等。本发明中选取双曲调频信号作为扩频信号。双曲调频作为一种适用于水声通信的扩频通信方式，具备其独特的优势。

为了便于对后续算法的理解，双曲调频信号模型如下所示：

双曲调频(HFM)信号，可以定义为

其中，f_b表示HFM信号起始点的频率，f_e表示HFM信号截止点的频率，B＝|f_e-f_b|表示带宽(调频区间)，T表示HFM信号持续周期，表示调频率。特别地，若f_e＞f_b，则称为升频，此时调频率β＜0；若f_e＜f_b，则称为降频，此时调频率β＞0。HFM信号的瞬时频率为，

瞬时频率是一个随时间t变化的双曲函数，因此该信号被称为双曲调频信号。双曲调频信号具有良好的脉冲压缩性和多普勒宽容性。其脉冲压缩性体现在，在接收信号与本地HFM信号进行相关后能够呈现主瓣尖锐、旁瓣迅速衰弱的脉冲，因此具备良好的抗噪性能。与此同时，在信号传输过程中，由于收发端的高速相对运动会造成严重的多普勒尺度效应，信号会产生时间上的压缩或者扩展。在信号经历了多普勒尺度效应之后，接收端经过匹配滤波依旧可以较好的形成脉冲，则认为该信号具有多普勒宽容性。

假设一个HFM信号发生了大小为α的尺度变换。对应接收到的HFM信号可以表达为

发生尺度变化后，信号的瞬时频率变为

这里我们可以找到一个合适的Δt，使得f_α(t-Δt)＝f(t)，即

由此可见，该时延Δt是一个由尺度因子决定且与时间无关的常数，即HFM信号在经历了多普勒效应之后，其瞬时频率相较于未发生尺度变化之前，只是在时间轴上发生了一个平移，这样在接收端进行匹配滤波后，依旧可以形成较好的脉冲，只是脉冲的位置会平移Δt，因此HFM信号具备多普勒宽容性。