基于PATTERN时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法.pdf

本发明提供的是基于Pattern时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法。本发明涉及水声通信技术领域。具体地说是一种利用差分解码来抵抗水声通信中由于通信节点的移动所产生的多普勒效应的方法，特别是Pattern时延差编码体制中的通信节点大的运动速度所导致的多普勒效应以及时间压缩扩展效应。本发明通过对基于Pattern时延差编码的差分解码研究，仿真试验证明采用差分的时延估计能有效地抵抗多普勒频移的影响，从而证实了差分解码方案的可行性和鲁棒性。本发明旨在完善Pattern时延差编码(PTDS)通信体制，对移动水声通信技术的研究打下了良好的基础，实际工程应用有待于进一步深入研究和完善。

1、  基于Pattern时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法，其特征是：采用Pattern时延差编码通信体制，在发射端利用Pattern码的时延差值进行时延编码，在接受端采用时延估计技术进行时延测量译码，所述的时延估计技术是基于拷贝相关时延估计的，即用发射信号与经信道传输后接收信号求相关。

2、  根据权利要求1所述的基于Pattern时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法，其特征是：它包括如下步骤：
第一步，确定同步码的位置提供时间基准，
接收机利用拷贝相关器通过峰选测得同步码的到达时刻，相关峰对应的时刻作为译码窗同步基准，该时刻亦为最强的多途到达时刻；
第二步，确定Pattern码的位置，为差分解码做准备工作，
同步时刻确定后，拷贝相关器通过和本地Pattern信号作相关得到Pattern相关峰，通过测量每个Pattern相关峰与同步码相关峰的时间差确定其对应的时延差值；
第三步，进行差分解码，
在差分解码的过程中，每个Pattern相关峰的时间是通过前一个相关峰确定的，得出第i个Pattern由于多普勒造成的时延偏差量为Δτ_i，这种偏差量不会随着解码的进行累加，只要Δτ_i小于时延估计精度，就可以实现无误码通信。

基于Pattern时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法
(一)技术领域
本发明涉及水声通信技术领域。具体地说是一种利用差分解码来抵抗水声通信中由于通信节点的移动所产生的多普勒效应的方法，特别是Pattern时延差编码体制中的通信节点大的运动速度所导致的多普勒效应以及时间压缩扩展效应。
(二)背景技术
水声通信一直是水声研究中的一个重要领域，它的工程应用不仅仅局限于军事，而且也在向商业领域延伸。无线水声通信具有灵活、方便、经济、不存在电缆缠绕等特点，可实现导航、定位、信息交换、通信联络和安全保障所需的信息传输，是实现水下综合信息感知与信息交互的主要手段。在信息化海洋数据采集、海洋资源开发、海洋环境监测等关系到国家可持续发展的战略领域中，水声通信扮演着重要角色。
水声信道是随机时变、空变的，其界面反射和声线弯曲导致多途扩展，由多途扩展产生的码间干扰是水声通信的主要障碍之一。为了获得高速率、低误码通信，必须抑制码间干扰。Pattern时延差编码(Pattern Time Delay Shift Coding，PTDS)通信体制是由哈尔滨工程大学在上世纪90年代提出的，该体制属于脉位编码(Pulse Position Modulation，PPM)。Pattern时延差编码(PTDS)通信体制，利用Pattern码片出现在码元窗的时延差值进行时延编码，占空比小，可节省功耗；并且采用码元分割，使得每个携带信息的基本码元均具有抗码间干扰的能力，有效地降低了水声信道的码间干扰，并且可克服多途衰落及噪声干扰。当今水声通信的前景就是由移动节点和静止节点共同构成的水声数据通信网，随着各种舰船、潜器航行速度的提升及对其水声通信无线遥控的迫切需求，研究低速移动及高速移动点对点水声通信都将是十分有意义的。
对于Pattern时延差编码水声通信体制来讲，通信节点的运动导致两个问题：一是相关峰将会降低从而测时不准，二是导致时间压缩或者扩展。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决由于运动而产生多普勒而导致时间压缩或者扩展问题，简单易行而又性能优良的基于Pattern时延差编码水声通信抵抗多普勒的差分解码方法。
本发明的目的是这样实现的：
采用Pattern时延差编码通信体制，在发射端利用Pattern码的时延差值进行时延编码，在接受端采用时延估计技术进行时延测量译码，所述的时延估计技术是基于拷贝相关时延估计的，即用发射信号与经信道传输后接收信号求相关。
第一步，确定同步码的位置以提供时间基准，这一点与普通的Pattern时延差编码的解码体制是相同的。接收机利用拷贝相关器通过峰选测得同步码的到达时刻，相关峰对应的时刻作为译码窗同步基准，该时刻亦为最强的多途到达时刻。
第二步，确定Pattern码的位置，为差分解码做准备工作。同步时刻确定后，拷贝相关器通过和本地Pattern信号作相关得到Pattern相关峰。通过测量每个Pattern相关峰与同步码相关峰的时间差可以确定其对应的时延差值。
第三步，进行差分解码。在差分解码的过程中，每个Pattern相关峰的时间是通过前一个相关峰确定的，从而可以得出第i个Pattern由于多普勒造成的时延偏差量为Δτi，这种偏差量不会随着解码的进行累加。只要Δτi小于时延估计精度，那么就可以实现无误码通信。
在水声通信中，Pattern时延差编码(PTDS)通信体制，将信息编码技术和信道编码技术融于信号码元的设计中，使得每个携带信息的基本码元均具有抗水声多途干扰的能力，在水声通信中具有重要的地位。
随着水声通信的发展，移动水声通信技术已受到广泛的关注，研究这项技术具有重要的意义。在移动水声通信中，一个不可避免的问题是通信节点的相对运动会产生多普勒频移，使接收信号产生时间的压缩或展宽，对解码造成影响。
本发明通过对基于Pattern时延差编码的差分解码研究，仿真试验证明采用差分的时延估计能有效地抵抗多普勒频移的影响，从而证实了差分解码方案的可行性和鲁棒性。本发明旨在完善Pattern时延差编码(PTDS)通信体制，对移动水声通信技术的研究打下了良好的基础，实际工程应用有待于进一步深入研究和完善。
表1给出了两种方案的误码率。通过观察表1的误码率统计结果，可以看到当帧长度较小或者相对速度较小时，正常解码不会产生误码，但当帧长度较大或相对速度较大时正常解码就会出现误码，这表明系统的时延估计精度已经不能满足解码的需要了。比较相同情况下正常解码和差分解码的误码率，可以发现差分解码方案抵抗多普勒频移的优越性能。
表1 多普勒情况下两种解码方案的误码率(SNR＝5dB)


(四)附图说明
图1Pattern时延差编码示意图；
图2多普勒频偏产生的数据帧长度变化；
图3Pattern通信帧示意图；
图4正常译码示意图；
图5差分解码示意图；
图6Pattern时延差编码仿真。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
Pattern时延差编码通信
Pattern时延差编码水声通信体制将信息编码技术和信道编码技术融于信号码元的设计中，使得每个携带信息的基本码元均具有抗水声多途干扰的能力，能可靠地传输信息，而且码元占空比(Duty Cycle)小，从而具有节省系统功耗的特性。这些特性使得PTDS体制在水声通信领域具有应用优势。
Pattern时延差编码(Pattern Time Delay Shift Coding，PTDS)通信体制的信息并非调制在码元波形中，而是调制于Pattern码出现在码元窗的时延差信息中，不同的时延差值代表不同的信息。图1为Pattern时延差编码示意图，给出了一组码元结构，包含L个相关性优良的Pattern码。
图中τ_di(i＝1，2，3)表示时延差值，为Pattern码出现在码元窗的位置；T_p为Pattern码脉宽；T_c为编码时间；码元宽度T₀＝T_p+T_c。PDS体制的每个码元占空比为η＝T_p/T₀，其数值小于1。
若每个码元携带nbit信息，则将编码时间均匀分为(2ⁿ-1)份，编码量化间隔Δτ＝T_c/(2ⁿ-1)，时延差τ_d为：
τ_d＝k·Δτ，k＝0，1，...，2ⁿ-1              (1)
不同的时延差值τ_d代表不同的信息，例如每个码元携带n＝4bit信息，则将编码时间均匀分为15份，若k＝0，则代表数字信息“0 0 0 0”，若k＝11，则代表数字信息为“1 0 1 1”。
系统通信速率为：
v = log 2 ( T c Δτ + 1 ) / T 0 = n / T 0 - - - ( 2 ) ]]>
从上式可以看出，编码时间T_c和Pattern脉宽T_p一定即码元宽度T₀一定时，通信速率与每个码元携带的bit信息数有关，每个码元所携带的信息量n越大，则通信速率越高，而此时编码量化间隔Δτ就越小，这就对系统的时延估计精度要求越高。由此可见，时延估计的精度越高，则编码量化层Δτ可分得越细，每个码元所携带的信息量也就越大，通信速率越高。
单频道Pattern时延差编码波形信号可以表示成如下形式：
s ( t ) = Σ i = 0 + ∞ Σ j = 0 L - 1 P j [ t - ( j + L · i ) · T 0 - k ij · Δτ ] , k ij = 0,1 , . . . , 2 n - 1 - - - ( 3 ) ]]>
式中P_j(t)表示第j号Pattern码波形，其脉宽为T_p；(k_ij·Δτ)为第(L·i+j+1)号信息码元的时延差值。
Pattern时延差编码需要准确测量时延差值才可解码。当节点间存在相对运动时，多普勒频偏及其对数据帧在时域上产生展宽或压缩可通过时间反转镜补偿，但由于信源、信宿相对距离变化而造成时延变化，则必须另行给以修正。
“Pattern——时延差编码水声通信研究”(声学学报，1999，24(6)：561-572页)的文献中分析了通信节点运动对PTDS的影响。匀速运动状态下，在LFM多普勒容限范围内，可通过测量相邻两帧数据同步码的拷贝相关输出的两次峰值的时间间隔来测定接收数据帧的长度。如图2所示。
信源径向运动速度为v，其在一帧数据长度T_Frame内的移动距离，等于多普勒频偏产生的时间压缩量内的声程，即：
vT_Frame＝C(T_Frame-T′)               (4)
其中C为声速。
设PTDS通信系统的某个码元的时延差真值为τ_d，时延测量值为则时延偏差量如式(4)分析，应为：
Δτ = τ d - τ d ′ = v τ d / C - - - ( 5 ) ]]>
当相对运动速度缓慢时由于LFM信号具有较好的多普勒容限，正常解码可满足测时精度。但当相对速度较大时，接收信号会产生较大的时间压缩或扩展，原始的解码方案就不太合适了。
Pattern时延差编码的差分解码方案
Pattern时延差编码通信体制，在发射端利用Pattern码的时延差值进行时延编码，在接受端采用时延估计技术进行时延测量译码。本发明所研究的时延估计方法是基于拷贝相关时延估计的。拷贝相关又称副本相关，就是用发射信号与经信道传输后接收信号求相关。通信帧数据结构如图3所示。
图中同步码与信息码及帧与帧之间均需留有一段时隙T_ISI(大于多途扩展时间)，以抑制多途对信号的影响。帧的长度取决于信道的时变性，应短于信道的相对稳定时间，若收发节点间存在相对运动或风浪较大，则要求帧的长度短一些。
同步码(Synchronous-code)可以给出译码窗的时基并确定最强的途径到达时刻。接收机利用拷贝相关器通过峰选测得同步码的到达时刻，相关峰对应的时刻作为译码窗同步基准，该时刻亦为最强的多途到达时刻。
同步时刻确定后，拷贝相关器通过和本地Pattern信号作相关得到Pattern相关峰。原始译码方案图4所示。
从图中可以看出，第i个Pattern相关峰与同步相关峰的时间差为
T_i＝T_syn+T_ISI+(i-1)T₀+τ_i          (6)
式中T_i表示第i个Pattern相关峰与同步相关峰的时间差，T_syn表示同步码时间，T_ISI表示时隙，T₀表示脉冲周期，τ_i表示第i个Pattern码的时延差值，则
τ_i＝T_i-T_syn-T_ISI-(i-1)T₀        (7)
通过测量每个Pattern相关峰与同步码相关峰的时间差可以确定其对应的时延差值，继而进行解码。由于运动产生的多普勒频移会对信号在时间域上进行展宽或压缩，设每个Pattern码由于多普勒造成的时延偏差量为Δτ_i，因为每个Pattern相关峰的时间位置是通过同步峰确定的，所以第i个Pattern的时延偏差量为这种偏差量会随着解码的进行累加下去，当时延估计精度小于时就会产生误码。本发明提出的差分解码方案如图5所示。
从图中可以看出，第i个Pattern相关峰与第i-1个相关峰的时间差为
T_i-T_i-1＝(T_syn+T_ISI+(i-1)T₀+τ_i)-(T_syn+T_ISI+(i-2)T₀+τ_i-1)＝T₀+τ_i-τ_i-1      (8)
则τ_i＝(T_i-T_i-1)-T₀+τ_i-1，而第一个Pattern相关峰的时间位置是通过同步相关峰确定的。我们可以发现每个Pattern相关峰的时间是通过前一个相关峰确定的，从而可以得出第i个Pattern由于多普勒造成的时延偏差量为Δτ_i，这种偏差量不会随着解码的进行累加。只要Δτ_i小于时延估计精度，那么就可以实现无误码通信。
通过比较两种解码方案可以看出基于Pattern时延差编码的差分解码方案不会将多普勒造成的时延偏差量累加，具有更强的抗多普勒性能，可以提高水声通信的稳健性。
仿真试验结果
为了验证差分解码方案的可行性，进行了计算机仿真研究。为了使得问题更为清晰且不妨碍说明问题，我们只对无多途的情况进行解码仿真。参数设置如下：
采用LFM信号，带宽：6～9kHz
采样频率：40kHz
Pattern码脉宽：T_p＝8ms；
编码时间：T_c＝12ms，4bit量化；
码元宽度：T₀＝T_p+T_c＝20ms；
占空比：η＝0.4；
同步码宽度：T_syn＝40ms；
时隙：T_ISI＝50ms。
图6是Pattern时延差编码及有多普勒存在时的仿真结果(有噪声)。图中(a)表示的是正常的结果，(b)表示的是有多普勒存在时的结果(相向运动)。从图中可以明显看出由于多普勒的存在，使信号发生了明显的时间压缩。