一种多通道混沌调相扩频方式及其在水声通信中的应用

直接序列扩频通信是一种低检测概率通信方式,在保密通信中得到了广泛的应用。但该通信方式仍存在缺陷,其采用伪随机序列作为扩频码,而伪随机序列具有周期性和二值性等较为明显的特征,在敌对环境下这些特征可能被利用,使得直扩信号重要的特征参数被估计出来,进而引发信息泄露。针对这个问题,本文提出采用混沌调相序列代替伪随机序列,混沌调相序列是恒包络的复数值序列,可用数量多,相关特性好,而且克服了伪随机序列周期性和二值性的不足,具有更高的保密性。为了提高通信速率,将混沌调相序列与多通道技术相结合,数值仿真结果显示了该通信方式优异的误码率性能,表明该通信方式在水声通信中应用的可行性。     

Chaotic modulations and performance analysis for digital underwater acoustic communications

Two modulation schemes, M-ary phase shift keying (MPSK) and M-ary frequency shift keying (MFSK), are commonly used for coherent and incoherent digital communications, respectively. Despite wide applications in underwater acoustic (UWA) communications, they are not suitable for confidential applications for their well-known generating processes and signal features. In this paper, two corresponding chaotic modulation methods are proposed to improve their security, namely chaotic MPSK (CMPSK) and chaotic MFSK (CMFSK). By application of chaotic sequences into the modulation procedures, they can prevent the unauthorized receivers from extracting information from the intercepted signals even with high SNR. The confidential performance of chaotic modulations is evaluated by a designed automatic modulation classification (AMC) system. Simulation results indicate a success identification rate of more than 90% for the MPSK and MFSK signal at the SNR from −10 dB to 40 dB, but only an identification rate of nearly zero for the CMPSK and CMFSK signal. Therefore, chaotic modulations have lower available probability and can achieve higher confidential performance. Also, an experiment was conducted to verify the performance of chaotic modulations in actual UWA communications. The experimental results show that chaotic modulations can achieve similar bit error ratio (BER) compared with conventional digital modulations, which verifies potential applications of chaotic modulations in confidential UWA communications.     

猝发混合扩频水声隐蔽通信技术

针对常规的连续载波调制扩频通信方式容易通过能量检测的方法被截获的问题,提出了一种猝发的混合扩频水声隐蔽通信方式,该方法通过在时间上随机的发送脉冲混合调制扩频信号来降低截获概率,而且可以比较灵活的通过调整平均占空比来满足不同隐蔽性的要求,但是该隐蔽性是以牺牲通信速率为代价的。猝发信号中混合了二进制相位键控(BPSK)、循环移位键控(CSK)和多进制频移键控(MFSK)扩频调制方式,采用自同步和时频二维搜索算法实现码元和载波同步。通过仿真分析了猝发通信系统的隐蔽性能和多途信道下的误码性能,并且通过了南海海试验证了算法的性能,在5 km的通信距离上,4 kHz的带宽内,单个脉冲信号的通信速率可以达到317 bps,误码率达到10^-3以下。     

循环移位扩频水声通信

针对常规直接序列扩频水声通信数据传输速率低及M元扩频水声通信接收机复杂度高的问题,基于扩频序列优良的相关特性,提出循环移位扩频水声通信方法.在发射端,根据输入信息对基本波形进行循环移位编码;在接收端,利用快速相关技术进行时延估计及译码.进行了中远程湖上实验研究,在15 km距离,2 kHz带宽内,总数据传输速率可达438 bit/s, 误码率为10^-2—10^-5.实验结果表明该方法具有带宽利用率高、复杂度低的特点,适用于中远程及多用户水声通信. 关键词： 水声通信 扩频 循环移位 时延估计     

An efficient spread spectrum pulse position modulation scheme for point-to-point underwater acoustic communication

The underwater acoustic channel is a complicated and time-varying multipath channel, and many equalization algorithms have been researched and developed to overcome the difficulties for underwater acoustic communication. Unfortunately, many algorithms are computational intensive and prone to lose convergence due to their sensitiveness to different channel configurations. In this paper, a pulse position modulation (PPM) scheme is proposed, and it uses two M-sequences of low cross-correlation to transfer information, which are modulated on two orthogonal carriers. One is used as a reference sequence, and the other is shifted relative to the reference. Information is carried by the starting time difference between the two sequences in each symbol. Comparing with conventional direct-sequence spread spectrum technique, the proposed scheme is more spectral efficient. Two receiver designs are given, one takes advantages of M-sequences’ auto-correlation properties, and the other is motivated by passive phase conjugation (PPC) to take advantages of the channel. Combined with M-sequence, PPC performance is augmented without a receiving array to cover the water column, and it is far less complex than adaptive equalizers for receivers. Results from lake field trials are analyzed, and they verify potential applications of this PPM scheme.     

正交码元移位键控扩频水声通信

码元移位键控(CSK)作为一种广义的M元扩频技术被广泛应用于水声通信领域来克服扩频增益对通信速率的限制.为了获得更高的通信速率, 减少通道间干扰, 并充分利用 CSK的冗余信息, 本文提出联合利用码元相位信息的正交双通道CSK扩频水声通信技术.首先, 推导了正交CSK每符号积分输出的表达式; 然后, 研究了正交CSK的性能及与传统CSK和双通道CSK对比仿真的误码率; 最后, 通过实验验证了仿真对比的正确性. 实现了正交CSK在10⁴ bits, 4 kHz带宽下580.6 bps通信速率的有效传输. 通过公式推导、 仿真分析和实验研究, 得到正交CSK提供了优良的性能的结论. 关键词： 水声通信 扩频 正交 CSK     

M元码元移位键控扩频水声通信

针对传统直接序列扩频、M元扩频和码元移位键控扩频水声通信速率低的问题,基于小Kasami序列优良的自相关和互相关特性,提出了M元扩频和码元移位键控扩频两者相结合的水声扩频通信新方法.不仅利用了不同的序列信息,还利用了相同序列的扩频码相位信息.对于自相关和互相关函数在加性高斯白噪声和衰落信道下对M元码元移位键控扩频这种水声通信方法的影响进行了分析,并分别在两种信道下对其性能进行仿真,仿真结果表明在同等通信速率下M元码元移位键控扩频的抗噪声能力要高于直接序列扩频、M元扩频和码元移位键控扩频.在水池对M元扩频、码元移位键控扩频和M元码元移位键控这三种情况进行了比较性实验.在10~4比特的数据量下,实现了253.6 bps通信速率的M元码元移位键控无误码传输.     

一种线性调频扩频水声通信的新同步方法

针对高速运动过程中的水声通信,提出一种新型稳健的同步方法。该方法充分利用线性调频（LFM）信号的自相关特性及LFM扩频水声通信解调原理。湖试结果表明该方法简单有效,能够消除同步误差累积。利用湖试数据进行的仿真结果表明:该方法在常速及变速运动情况下均有效;在水下24m/s高速运动、时变多途干扰、带内接收信噪比低于0dB时,数据率可达为100bit/s,误码率保持在10^-4左右。     

基于时间反转扩频的隐蔽水声通信方法

针对低信噪比条件下水下小尺度平台与通信浮标间进行隐蔽水声通信时,强多径干扰导致通信困难的问题,提出了一种基于时间反转技术的直接序列扩频隐蔽通信方法。该方法利用多通道主/被动时间反转的空时聚焦效应,提高了低信噪比条件下直接序列扩频通信的抗多径干扰能力,并且具有良好的低检测概率通信能力。仿真和水池实验结果表明:该方法满足水下小尺度平台处理结构简单、低功耗的要求,实现了水下单阵元平台与通信浮标之间的双向隐蔽通信。     

水声通信实验信道仿真研究

水声信道的时变多途特性对其中通信信号传输构成严重影响，为了分析评估现实实验信道条件下水声通信系统的性能，给出了一种基于实验测量的水声信道仿真方法。此方法通过发射线性调频脉冲以检测信道多径结构，同时分别采用自回归模型与多普勒时间压扩来仿真信道中各路径的时变幅度与时变延迟。通过一个具体的直接序列扩频水声通信系统，表明在仿真与实验信道条件下系统性能具有较好的一致性。     

M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信

Pattern时延差编码水声通信体制利用信息码元的时延值调制信息，他的抗多途扩展干扰能力与码型种类及码型脉宽有关. 扩频通信可获得扩频增益，可胜任远程水声通信，但其通信速率低是使用受限的重要原因. 提出将扩频通信与Pattern时延差编码水声通信体制相结合，并采用M元扩频、多通道工作方式，构成一种新的适用于水声环境的通信方案，既可获得扩频通信的优良性能，又可提高通信速率. 湖试结果验证了本文提出的M元混沌扩频多通道Pattern时延差编码水声通信方案的鲁棒性及可行性.     

Orthogonal M-ary code shift keying spread spectrum underwater acoustic communication

M-ary and code shift keying（CSK）spread spectrum is generally applied to overcoming the spreading gain versus data rate limitation in underwater acoustic（UWA）communications.In addition,the concept of orthogonal M-ary CSK is introduced to UWA communication to gain higher rates.We propose a scheme employing dual-orthogonal-channel M-ary and CSK spread spectrum UWA communication based on Gold sequences owing large code set and good self and cross correlation.The modulation and demodulation scheme of the orthogonal M-ary CSK is derived algebraically and the factors critical to its performance are discussed.Furthermore,its bit error rate（BER）curve is evaluated via simulations and compared with the dual-channel M-ary CSK.Finally,the validity of the simulations is verified in tank experiments.1096.8 bps data rate of the proposed communication scheme is realized for 10 kbits data volume with no error.Overall through deduction,numerical simulation,and experiment,it is shown that the proposed method offers significantly improved performance.     

基于水声传感器网络的多路径协同多跳通信研究

针对水声网络高误码、大时延的特点,借鉴提出了一种多路径协同多跳通信协议,该协议通过多路径、多节点的协同多跳中继通信以及冗余判决,来完成网络中端对端的远程数据传输。通过数值仿真试验分析表明:与普通的点对点直接通信和单路径多跳中继通信方式相比,此协议具有低误码、高能效的特点(距离与能量相同时,误码率低一至两数量级;限定误码率时,每比特能耗降低一个数量级),能够减少数据重发几率,提高网络的通信效率和工作寿命,特别适于水声传感器网络应用。     

正交频分复用在水声通信中频率同步的研究

正交频分复用（OFDM）通信系统对频率偏移比较敏感，容易导致系统性能急剧下降。水声通信中存在着严重的多普勒频率偏移，限制了OFDM技术在水下的应用。本文仿真分析了频率偏移对OFDM系统的性能影响，提出了一种适用于水声通信的频率同步方法。本方法不仅可以对固定的频率偏移进行估计，也可以对连续变化的频率偏移进行估计。仿真表明，本方法具有较高的频偏估计精度和大的频偏估计范围。湖试结果也表明，采用这种方法可有效地进行频偏估计。     

基于时反镜能量检测法的循环移位扩频水声通信

海面的起伏和多普勒效应使得接收信号的载波相位发生跳变以及水声信道的多途扩展使得接收信号波形发生畸变,这严重影响循环移位扩频系统的性能.本文提出循环移位能量检测器算法,通过检测循环移位匹配滤波器的输出能量对系统进行解码,可有效解决载波相位跳变对循环移位扩频系统的影响;将时间反转镜技术与循环移位能量检测器相结合,进一步提出时反镜能量检测器算法,利用已检测到的符号对信道进行实时估计并进行时反处理,抑制了水声信道多途扩展的影响,保证了循环移位扩频系统可在低信噪比条件下工作.通过大连海上试验以及莲花湖湖上试验验证,在复杂水声信道多途扩展、载波相位跳变和低信噪比条件下实现了低误码水声通信.     

多径衰落信道下混沌直扩通信的可破解性

本文在文献[1]的基础上,研究多径衰落信道条件下采用无先导卡尔曼滤波混沌拟合对混沌直扩通信的可破解性.由针对混沌直扩信号的无先导卡尔曼滤波混沌拟合的状态空间方程出发,分析了多径衰落信道对于无先导卡尔曼滤波混沌拟合过程中的跟踪误差的影响,得到了信息码状态估计的值域范围,从而提出了多径衰落信道下混沌直扩信号可被破解的充分条件定理.仿真结果表明,在满足充分条件下,混沌直扩信号无论是通过时不变信道还是时变信道,都可以被成功破解,并且具有良好的误码率性能. 关键词： 混沌通信 破解 多径衰落信道 无先导卡尔曼滤波     

正交多载波M元循环移位键控扩频水声通信

针对水声扩频通信中频带利用率低的问题, 提出了一种M元扩频技术和循环移位键控(CSK)技术相结合的多载波调制方式, 将M元扩频后选择的扩频码同时采用CSK调制, 并调制在多个正交的载波上, 显著提高了频带利用率. 在水声多途信道下, 采用相同的通信速率和带宽, m序列、Kasami小集合序列和Gold序列为扩频码时, 比较了系统的误码性能. 仿真结果和实验结果均表明, m序列为扩频码时性能最优, Gold序列性能最差. 由于m序列数量有限, 为了进一步提高通信速率, 并使其他序列的性能接近m序列性能, 提出了一种复合序列抑制载波间干扰的算法, 该算法能够很好抑制多途干扰, 使复合序列性能接近m序列的性能. 关键词： M元扩频')" href="#">M元扩频 循环移位键控 正交多载波 载波间干扰     

用于扩频通信的声光循环平稳信号处理技术

传统的基于声光技术的信号处理模型被建模为平稳随机过程,而在扩频通信中,信号是被伪码调制的循环(周期)平稳信号。因此,扩频信号应被建模为循环平稳随机过程。基于声光信号处理技术和循环平稳随机过程理论,建立了声光循环平稳信号处理模型,并应用于扩频通信中,理论分析和仿真表明,声光循环平稳信号处理技术在扩频通信领域的信号分析中是十分有用的。     

深海远程正交频分复用水声通信块间迭代稀疏信道估计方法

在深海远程正交频分复用(OFDM)水声通信中,信道时延长、频率选择性衰落严重,传统的块独立压缩感知稀疏估计需要较高导频插入密度才能保证一定的估计性能,通信频谱利用率较低。提出了一种基于信道稀疏时变建模的块间迭代信道估计方法,利用深海信道在两个相邻OFDM数据块之间的时间相关性建立块间信道稀疏多途结构的时变关系,在此基础上,对传统稀疏信道估计算法中的候选字典矩阵的字典原子进行删减并改进优化方程,实现了对前一数据块所估信道信息的有效利用,显著降低了信道估计所需的导频插入密度。在深海不同接收深度、不同距离条件下开展了海试验证,实验结果表明,与传统稀疏信道估计方法相比,本方法在导频插入密度减半的条件下可达到优于传统方法的估计性能。     

稀疏信道条件下正交多载波扩频水声通信无导频信道估计算法

提出了一种无导频信道估计算法,该算法首先利用水声信道的稀疏特性对扩频信号进行识别,再利用扩频信号识别结果对水声信道响应进行判决反馈估计,从而实现对稀疏水声信道响应的可靠重建。仿真和湖上试验结果证实:无导频信道估计算法可以在不降低通信质量的前提下,实现对水声通信信号的稳健均衡,提升水声通信速率。