劉凇佐，劉冰潔，尹艷玲，喬鋼

(1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

近年來，越來越多的海洋環(huán)境監(jiān)測、資源開發(fā)以及水下軍事項目的遙控、調(diào)度的實(shí)施嚴(yán)重依賴于水聲通信技術(shù)，這種依賴性暴露了很多安全隱患，給敵方帶來了可乘之機(jī)，因此新形式下對水聲通信技術(shù)除穩(wěn)健可靠外提出了隱蔽性的要求。

傳統(tǒng)的隱蔽水聲通信方法多從低信噪比角度出發(fā)，將信號隱藏在海洋背景噪聲中實(shí)現(xiàn)LPI/LPD(low probability of interception/detection)的效果。文獻(xiàn)［1-2］提出了一種應(yīng)用于低信噪比的多頻帶OFDM調(diào)制技術(shù)，利用頻率分集技術(shù)提高低信噪比條件下的通信效果，該體制中帶寬為3.6 kHz，并被劃分成16個子帶。當(dāng)通信距離達(dá)到52 km時，通信速率為78 bit/s，信噪比可以降低至-8 dB，在低通信速率的條件下，信噪比可以達(dá)到-16 dB。但是，如果信噪比過低，這種通信體制將因?yàn)闊o法探測到通信信號而崩潰。文獻(xiàn)［3］基于擴(kuò)頻技術(shù)提出了一種對相位跳變不敏感的能量檢測器，利用海試數(shù)據(jù)，在信噪比最低-10 dB條件下可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。文獻(xiàn)［4］在擴(kuò)頻信號解調(diào)中采用匹配濾波器技術(shù)估計時變信道沖激響應(yīng)，在信噪比-12 dB條件下誤碼率小于10-2。文獻(xiàn)［5-6］采用非相干水聲通信技術(shù)，提出了雙正交調(diào)制和雙差分相移鍵控，2種體制均應(yīng)用了DSSS技術(shù)和RAKE接收機(jī)。

然而，傳統(tǒng)低信噪比隱蔽水聲通信方法盡管降低了發(fā)射信號的平均功率，但相對探測聲吶來講，一方面，長時間積分還是可以探測出通信信號存在，進(jìn)而可以測量出目標(biāo)方位或距離，這對軍事水下通信來講是無法容忍的;另一方面，降低通信信號發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)隱蔽通信，限制了通信距離，同時即便在接收端實(shí)現(xiàn)低信噪比隱蔽通信，但如果在信號的發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間有一個探測設(shè)備，也很容易探測到通信信號。

基于這種問題，本文從仿生偽裝角度出發(fā)［7-8］，提出一種可以在全距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信的方法。借鑒脈位調(diào)制技術(shù)［9］，改進(jìn)其信息碼元形式，利用海豚嘀嗒聲作為脈沖信號進(jìn)行通信，信息調(diào)制在相鄰嘀嗒聲的時間間隔上，調(diào)制后的信號與原始海豚叫聲信號在聲音上沒有明顯區(qū)別，具有更高的隱蔽性。通信過程中，采用高聲源級真實(shí)或模擬本地海洋生物的叫聲信號作為信息碼元進(jìn)行通信。即使信號被聲吶在探測階段發(fā)現(xiàn)，也會在其識別階段被當(dāng)作海洋生物噪聲排除，達(dá)到遠(yuǎn)程隱蔽通信的目的。采用M元技術(shù)提高通信速率，匹配追蹤算法估計信道沖激響應(yīng)，RAKE接收機(jī)抑制水聲信道多途影響，并進(jìn)行了仿真和湖試。

1 M元仿生通信原理

海豚信號大體可以分為3類:通訊信號(哨聲信號)、被稱為click(嘀嗒聲)的定位信號、應(yīng)急和模擬信號。通訊信號一般持續(xù)時間從十分之幾秒到幾秒，其主要能量集中在聲頻范圍內(nèi)，是一種調(diào)幅和調(diào)頻脈沖信號，具有良好的自相關(guān)特性。定位信號持續(xù)時間從千分之幾秒到百分之幾秒，信號能量集中在較寬的超聲頻范圍內(nèi)。通常，海豚會在一段時間內(nèi)發(fā)出具有不同時間間隔的一連串嘀嗒聲信號，每個信號具有各自不同的時、頻域特性。應(yīng)急和模擬信號研究的較少，一般是生物學(xué)家感興趣的領(lǐng)域［10-11］。

根據(jù)海豚click信號的聲音特性，本文將信息以時延差的形式調(diào)制在相鄰的click信號之間，以不破壞原海豚叫聲信號特點(diǎn)為前提，通過改變不同嘀嗒聲在時域上的位置，實(shí)現(xiàn)信息調(diào)制，隱蔽傳輸信息。

在實(shí)際工作中，對click信號進(jìn)行搜集和分析，針對不同的應(yīng)用需求，選擇不同的click信號進(jìn)行編碼。例如在不同的海域，不同的季節(jié)海豚的叫聲也會發(fā)生相應(yīng)改變，應(yīng)選擇相應(yīng)的叫聲信號?；诖?，針對不同的工作環(huán)境和技術(shù)要求，應(yīng)建立可供信號調(diào)制使用的信號碼樣本庫，并對樣本庫中的叫聲信號進(jìn)行靈活調(diào)整。

1.1 信息調(diào)制

本文采用一些相關(guān)性良好的的click信號進(jìn)行DPIM(digital pulse intervalmodulation)調(diào)制，以信號碼之間的時延差長度代表不同的信息。該調(diào)制技術(shù)成熟簡單、傳輸穩(wěn)定、功耗低、在速率要求不高的情況下，對信道隨機(jī)不均勻性有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合在水聲信道下工作［12］。在此基礎(chǔ)上，將DPIM調(diào)制與M元技術(shù)結(jié)合，采用不同的click信號碼作為碼元，在不破壞海豚叫聲特點(diǎn)的前提下，僅通過改變不同click信號在不同碼元窗上的位置進(jìn)行信息調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對M元click信號的DPIM調(diào)制。M元技術(shù)的應(yīng)用可以更加有效抑制水聲信道中多途擴(kuò)展引起的碼間干擾，攜帶更多地信息，提高系統(tǒng)通信速率。

圖1 M元click編碼Fig.1 M-ary click DPIM

圖1給出了一組碼元結(jié)構(gòu)，L個不同的click碼的相互獨(dú)立。圖中，ti表示第i個click碼對應(yīng)的時延差值;Tpi表示第i個click信號的脈寬;To為碼元窗寬度;編碼時間Tci=To-Tpi。設(shè)每個碼元攜帶n bit信息，則碼元窗寬度必須滿足不小于最大click碼脈寬與2n*Δδ之和，其中Δδ為量化間隔。每個碼元不同的click碼及不同的時延差ti=k*Δδ，k=0，1，...，2n-1 代表不同的信息。click 碼種類越多，時延估計的精度越高，每個碼元所攜帶的信息量越大。此時系統(tǒng)的通信速率如下:

式中:N為信號碼樣本庫中click信號碼的總數(shù)目，n為每個碼元窗內(nèi)click碼所攜帶的信息比特數(shù)。從式(1)中可以看出，將M元技術(shù)與DPIM技術(shù)相結(jié)合可提高通信速率。

為了實(shí)現(xiàn)信號的同步識別和多普勒估計，設(shè)計了相應(yīng)的幀結(jié)構(gòu)，在一幀仿生通信信號的開始和結(jié)尾處分別加入2個不同的海豚哨聲信號。哨聲信號持續(xù)時間長，帶寬大。將接收信號與本地的哨聲信號相關(guān)，可以得到明顯的相關(guān)峰，據(jù)此，實(shí)現(xiàn)信號的同步與識別。結(jié)合前面介紹的信息編碼部分，得到基于海豚叫聲信號的M元仿生信號幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，同步信號與信息編碼信號之間插入零序列作為保護(hù)間隔，防止由多徑引起的同步信號與數(shù)據(jù)符號之間的串?dāng)_。

圖2 仿生信號幀結(jié)構(gòu)Fig.2 Frame structure of bionic signal

1.2 解調(diào)原理

發(fā)射信號時，首先將調(diào)制信息進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，分別進(jìn)行m元碼元調(diào)制和每個click碼元的DPIM調(diào)制。click信號樣本庫中可用的click碼型越多，發(fā)送端信號碼的選擇范圍越大，可組合成的發(fā)射信號種類越多，信息量越大。其工作原理如圖3所示，a(t)為信源數(shù)字信息，由碼選擇器根據(jù)數(shù)字信息依次從click碼樣本庫中選取對應(yīng)編號的m個信號碼，DPIM信息調(diào)制器則根據(jù)數(shù)字信息余下內(nèi)容對選取的信號碼按照上節(jié)所述方法進(jìn)行編碼，生成的發(fā)射信號s(t)由發(fā)射機(jī)功放送入水聲信道中。經(jīng)過水聲信道，在接收端由信號采集器得到的信號為

式中:h(t)為信道沖激響應(yīng)函數(shù);n(t)為加性環(huán)境噪聲。

圖3 仿生通信系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of bionic communication system

由于水聲信道的特點(diǎn)，發(fā)射出的聲線將經(jīng)過海面和海底的多次反射匯聚于接收端，復(fù)雜的多途結(jié)構(gòu)［13］將嚴(yán)重影響水聲通信系統(tǒng)的解碼性能。為此，在接收端應(yīng)采用適當(dāng)?shù)男诺谰夥椒?，改善通信系統(tǒng)的接收性能。本通信體制中具體的信道估計與均衡方法將在下一節(jié)詳細(xì)介紹。

為了確定每個碼元中click信號碼的編號，由信號分割器將接收信號的每個碼元窗分割開，M個click碼分別與信號碼樣本庫中的每一個樣本進(jìn)行相關(guān)處理，其中任意接收信號碼元窗ri(t)與信號碼樣本庫中第j個信號拷貝相關(guān)的輸出結(jié)果為:

式中:To為碼元寬度，cj(t)為接收端從信號碼樣本庫中抽取的編號為j的click信號碼。

樣本庫中的click信號碼往往具有不同的能量，為了避免相關(guān)最大值判決可能產(chǎn)生的誤碼，這里定義相關(guān)處理之后的信噪比為相關(guān)信噪比，采用最大相關(guān)信噪比判決器進(jìn)行判決，由產(chǎn)生最大相關(guān)信噪比的樣本庫信號確定該碼元中信號碼的編號，由其相關(guān)峰的位置確定時延差，進(jìn)而可由譯碼器解調(diào)出信號所攜帶的信息。

2 M元仿生通信信道估計與均衡技術(shù)

水聲信道是由一系列不同時延、不同幅度的脈沖串疊加而成的。當(dāng)聲波沿不同路徑到達(dá)接收端時，由于路徑的差異，將造成到達(dá)接收端各路徑信號能量、時間以及相位的不同，最終引起信號的衰落，造成波形畸變，影響水聲通信系統(tǒng)的解碼性能［14］。如果在接收端能夠?qū)⒍鄺l路徑傳來的信號分離開，就有可能分別校正各條路徑接收信號的相位，并進(jìn)行同相相加，從而克服衰落現(xiàn)象，這種技術(shù)稱為多徑分離合并技術(shù)。在本文提出的仿生通信體制中，碼元為不規(guī)則的脈沖信號，為克服信道多徑帶來的影響，本文采用 MP算法估計信道多徑分量，采用RAKE接收機(jī)實(shí)現(xiàn)信號多徑分量的合并。

2.1 信道估計技術(shù)

本文采用壓縮感知理論［15］中的 MP 算法［16］實(shí)現(xiàn)以海洋生物叫聲為探測序列的信道估計，以確定RAKE接收機(jī)的加權(quán)系數(shù)值。MP算法的基本思想是在每一次的迭代過程中，從過完備原子庫S中(字典)選擇與信號最匹配的原子來構(gòu)建信號的稀疏逼近，然后求出逼近后的殘差。繼續(xù)從過完備原子庫中選擇與殘差最匹配的原子，并更新殘差。經(jīng)過多次迭代，直到滿足標(biāo)準(zhǔn)為止。這個標(biāo)準(zhǔn)通常是殘差小于某個很小的值，或者迭代次數(shù)滿足一定值，當(dāng)殘差值與噪聲值可比擬時，停止迭代即可。接收信號可以表示為:

式中:h∈RR為待估計的稀疏信號，r∈RN為觀測向量，S∈RN×M，且N ＜M，S可表示為其中，si∈ RN，i=1，2，...，M ，通常稱 S 為詞典或原子庫，si為詞典中的原子。本文中發(fā)射信號為詞典，接收信號為觀測向量，信道沖激響應(yīng)為待估計的稀疏信號，MP算法流程為:

初始化:殘差d0=r，信號估計h0=0和迭代次數(shù)k=0

條件判斷:當(dāng) ‖S hk-r‖2＞γ時，k=k+1

選擇:λk+1=argmaxj＜ dk，sj＞ ，φj∈ Φ

更新:hk=hk-1+〈dk-1，sλκ+1〉sλk+1，dk=r-S hk

如果:‖S hk-r‖2＜γ迭代終止。

其中，λk是被選中的原子在字典S中的標(biāo)號，例如第k步選出的原子是字典中的sλk原子。γ是一個很小的常量，代表給定的殘差門限。

2.2 RAKE接收機(jī)

RAKE接收機(jī)充分利用碼元的相關(guān)特性，聚焦多途信號分量，以達(dá)到增加有用信號能量，改善通信系統(tǒng)的接收性能的目的。RAKE接收機(jī)包括多個相關(guān)器，每個相關(guān)器接收一路多徑信號，然后根據(jù)每個相關(guān)器輸出的相對強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)求和，合成一個輸出，以提供優(yōu)于單路相關(guān)器的信號檢測，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解調(diào)和判決，加權(quán)系數(shù)的選擇是使輸出信噪比最大。

圖4 RAKE接收機(jī)工作原理Fig.4 RAKE receiver schematic

圖4為RAKE接收機(jī)工作原理圖。實(shí)際工作中，經(jīng)過調(diào)制后的仿生信號s(t)經(jīng)過水聲多途信道傳輸，接收信號r(t)到達(dá)接收端。在該圖中，以3條路徑情況為例，它們的時延分別為τ1、τ2和τ3，對應(yīng)的衰減因子則為α1、α2、α3。在RAKE接收機(jī)中，利用上一節(jié)技術(shù)中估計出的信道沖激響應(yīng)，進(jìn)行相應(yīng)的延時、加權(quán)求和。圖中，3個相關(guān)器的輸出zi(t)分別與加權(quán)系數(shù)hi(其中，i=1，2，3)相乘，則總的輸出信號為

3 仿真研究及湖試結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的基于仿生學(xué)隱蔽通信系統(tǒng)的可行性和系統(tǒng)性能，進(jìn)行了仿真研究和湖上實(shí)驗(yàn)。

3.1 仿真研究

根據(jù)海豚叫聲信號特點(diǎn)，選取8個自相關(guān)性和互相關(guān)性良好的叫聲信號作為信息碼元，構(gòu)成仿生信號碼樣本庫，則每個click碼信號攜帶3 bit數(shù)字信息。樣本庫中click信號長度從83 ms到180 ms不等。每個碼元窗長主為樣本庫中最長click信號長度與時延編碼長度之和，每個碼元的時延編碼部分?jǐn)y帶6 bit信息，量化間隔Δδ為1 ms，則最大時延長度為64 ms.仿真中以每幀信號中7個click信號為例，根據(jù)調(diào)制信息按照第1節(jié)中方法進(jìn)行調(diào)制，同時插入同步信號，合成如圖2所示幀結(jié)構(gòu)，仿真得到的發(fā)射信號如圖5所示。

圖5 發(fā)射信號Fig.5 Transm itted signal

圖6 水聲信道沖激響應(yīng)Fig.6 Underwater acoustic channel impulse response

圖6是一個實(shí)測的水聲信道沖激響應(yīng)，從該圖可以看出，該信道多途結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信號經(jīng)過這樣的多途信道將對接收端的解碼性能造成嚴(yán)重影響。所以將接收到的仿生信號經(jīng)過RAKE接收機(jī)進(jìn)行多徑分量合并是必要的，以保證后續(xù)解碼的正常進(jìn)行。首先通過海豚的哨聲信號實(shí)現(xiàn)信號的同步與識別，以區(qū)分是海洋中真實(shí)的叫聲信號還是仿生信號。通過系統(tǒng)同步提取出海豚的哨聲信號，使用2.1節(jié)介紹的MP方法對其進(jìn)行處理，歸一化殘差值0.1。得到的水聲信道沖激響應(yīng)如圖7所示。

圖7 M P信道估計結(jié)果Fig.7 Channel response estimated by MP

利用估計出的信道沖激響應(yīng)，仿生信號經(jīng)過RAKE接收機(jī)后進(jìn)行解碼。根據(jù)設(shè)定的碼元長度，可將每一個碼元窗分別截取并與信號碼樣本庫中的嘀嗒聲信號依次相關(guān)，通過相關(guān)信噪比進(jìn)行碼元判別。對截取的其中一段碼元窗分別與仿生信號碼樣本庫中的所有click信號相關(guān)得到的結(jié)果如圖8。

圖8 仿真相關(guān)結(jié)果Fig.8 Correlation results of simulation

從圖中可以看出，接收碼元窗與信號碼樣本庫中的4號click信號相關(guān)后，可以得到明顯的相關(guān)峰，經(jīng)計算相關(guān)信噪比最大，由此可以判斷在發(fā)送端進(jìn)行信號編碼時，此碼元窗中的信號碼選取的是信號碼樣本庫中的4號click信號，進(jìn)而解碼出相應(yīng)碼元調(diào)制的數(shù)字信息。同時，根據(jù)4號click信號與接收碼元窗相關(guān)得到的相關(guān)峰位置，可得出該碼元窗的時延差值，并進(jìn)一步解碼出相應(yīng)時延編碼數(shù)字信息。對7個碼元窗分別進(jìn)行這樣的處理，就可以得到完整的發(fā)送數(shù)字信息，實(shí)現(xiàn)接收端解碼。在仿真實(shí)驗(yàn)中，由于信道的復(fù)雜多途結(jié)構(gòu)，使得接收端的RAKE均衡變得尤為重要。仿真實(shí)驗(yàn)所得的RAKE均衡誤碼率圖和無RAKE均衡如圖9所示。

從圖中的曲線分布可以看出，當(dāng)信噪比較小的時候，均衡后的誤碼率大于未均衡的誤碼率，這主要是因?yàn)榈托旁氡认滦诺拦烙嫶嬖诘恼`差影響了RAKE均衡的效果。當(dāng)信噪比升高時，均衡后的信號誤碼率迅速降低，當(dāng)信噪比大于-3 dB時，誤碼率為0，而未均衡的信號誤碼率降低較慢，當(dāng)信噪比大于-3 dB后，由于信道多途影響，誤碼率沒有明顯變化，產(chǎn)生了誤碼平層。此外，信號誤碼率對click信號的選擇有很強(qiáng)的依賴性。選擇長度、帶寬較大的click信號，可以有效降低系統(tǒng)誤碼率。

圖9 RAKE均衡前后的誤碼率Fig.9 BER results before and after RAKE receiver

3.2 湖試結(jié)果

為驗(yàn)證M元仿海豚叫聲隱蔽水聲通信方法在外場真實(shí)水聲信道條件下性能，于2012年10月在黑龍江省牡丹江市蓮花湖進(jìn)行了湖試實(shí)驗(yàn)。蓮花湖呈狹長型，平均水深約40 m左右，其中發(fā)射節(jié)點(diǎn)(信源)和接收節(jié)點(diǎn)(信宿)分別位于2條自由漂泊的船上，布放深度5 m，兩船相距3 km，發(fā)動機(jī)均關(guān)閉，在風(fēng)力與水流的作用下具有緩慢的相對運(yùn)動。

圖10 實(shí)驗(yàn)相關(guān)結(jié)果Fig.10 Correlation results of the lake trial

實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射信號與仿真環(huán)境下信號參數(shù)相同，在信號接收端，經(jīng)過RAKE接收機(jī)處理后，對截取的其中一段碼元窗分別與仿生信號碼樣本庫中的所有click信號進(jìn)行相關(guān)處理，結(jié)果如圖10所示。

從圖中可以看出，截取的該段碼元窗只有與6號click信號相關(guān)時，可以得到明顯的相關(guān)峰，由此可以判斷，在發(fā)送端編碼時，該碼元窗中的click信號選取的是信號碼樣本庫中的6號click信號。同時，根據(jù)接收碼元窗與6號click信號相關(guān)后相關(guān)峰的位置，可以獲取時延差。對其進(jìn)行碼元解調(diào)和時延編碼解調(diào)后，即可獲得該碼元窗的解調(diào)結(jié)果。其余碼元窗采用同樣的解調(diào)處理方法，可以進(jìn)一步得到該幀信號完整的解碼結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外場湖試條件下，信道均衡前，誤碼率達(dá)20%左右，均衡后可以達(dá)到無誤碼。

4 結(jié)束語

本文基于仿生學(xué)原理，從仿生偽裝角度出發(fā)，提出利用海洋中固有的生物叫聲作為碼元實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信，避免了低信噪比隱蔽水聲通信造成通信距離受限以及不能在全通信距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱蔽通信的問題。通信過程中，信息調(diào)制在海豚嘀嗒叫聲時間間隔上，采用M元技術(shù)提高通信速率，改進(jìn)傳統(tǒng)方法中以相關(guān)峰作為判決門限的方法，以相關(guān)信噪比作為判決準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)碼元判別，應(yīng)用匹配追蹤算法實(shí)現(xiàn)了以海豚叫聲信號為探測序列的信道估計，采用RAKE接收機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多徑分量的合并，抵抗水聲多途信道的影響。仿真和湖試結(jié)果均驗(yàn)證了該方法的可行性，黑龍江省蓮花湖實(shí)驗(yàn)中，水平通信距離3 km，通信速率69 bit/s，誤碼率小于10-4。

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