馬天龍 劉凇佐 喬 鋼 浦王軼

(哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

(工業(yè)和信息化部海洋信息獲取與安全工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工程大學(xué)) 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

1 引言

隨著水聲通信技術(shù)的發(fā)展，除了可靠性、通信速率和網(wǎng)絡(luò)化外，水聲通信的安全性與隱蔽性也逐漸受到重視[1-3]。傳統(tǒng)方法大多采用低檢測(cè)概率(Low Probability of Detection， LPD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信，該技術(shù)通過(guò)擴(kuò)頻等方式降低通信信號(hào)的功率，將通信信號(hào)隱藏在海洋環(huán)境噪聲中，使其難以被發(fā)現(xiàn)[4,5]。但是信噪比的降低會(huì)降低通信系統(tǒng)的性能，并且在信源附近通信信號(hào)信噪比較大，通信信號(hào)和聲源易暴露，難以有效保證通信的隱蔽性[6]。與傳統(tǒng)的LPD隱蔽通信技術(shù)不同，仿生水聲通信利用海洋中固有的海洋生物叫聲或者人工合成的模擬叫聲作為通信信號(hào)，令敵方在檢測(cè)到這些信號(hào)后，誤將其識(shí)別為海洋生物叫聲而排除，從而達(dá)到隱蔽通信的目的[7]。該方法不需要限制通信信號(hào)信噪比，即使通信信號(hào)被檢測(cè)到，大概率也會(huì)被排除，可有效保證通信的隱蔽性和通信平臺(tái)的安全性。綜合分析聲源時(shí)空特點(diǎn)和信號(hào)頻率特征后，發(fā)現(xiàn)海豚叫聲是一種適合模仿的海洋生物叫聲[8,9]。

基于海豚叫聲的仿生通信算法近年來(lái)受到廣泛關(guān)注，根據(jù)調(diào)制方式可以將其分為兩大類(lèi)：一種是基于原始的海豚叫聲，利用時(shí)延編碼技術(shù)[7]、脈沖位置調(diào)制技術(shù)[10,11]、M元技術(shù)[12]或者這些技術(shù)的組合[13]將信息調(diào)制到叫聲類(lèi)別與時(shí)間位置上，以實(shí)現(xiàn)仿生通信。例如這類(lèi)方法需要從采集樣本中提取原始的海豚叫聲，因此叫聲樣本的數(shù)量和質(zhì)量嚴(yán)重影響這類(lèi)方法的通信性能。另一種方法是利用與原始叫聲(大多是海豚哨聲)高度相似的人工合成模擬叫聲作為通信載波，基于叫聲的參數(shù)模型[14-17]或者數(shù)字水印嵌入技術(shù)[18,19]，將信息調(diào)制到模擬叫聲的時(shí)頻參數(shù)上以實(shí)現(xiàn)仿生通信。這類(lèi)方法不受海豚叫聲樣本數(shù)量限制，信息調(diào)制更加靈活，應(yīng)用潛力更大。

文獻(xiàn)[17]提出一種基于海豚哨聲時(shí)頻譜輪廓的仿海豚哨聲跳頻(Frequency Hopping, FH)水聲通信算法，該方法將信息調(diào)制生成的連續(xù)相位頻率調(diào)制信號(hào)以一定的比例系數(shù)與海豚哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓相加，基于哨聲信號(hào)模型產(chǎn)生合成哨聲實(shí)現(xiàn)仿生通信。但是該方法需要在接收端產(chǎn)生每個(gè)碼元所有可能的信號(hào)用于和接收碼元進(jìn)行相關(guān)，通過(guò)相關(guān)峰的大小進(jìn)行判決解調(diào)，所需的運(yùn)算量較大，調(diào)制解調(diào)算法較為復(fù)雜。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種基于頻移鍵控(Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK)的仿海豚哨聲信號(hào)水聲通信算法。該方法以海豚哨聲作為頻移鍵控的載波，將經(jīng)過(guò)處理后不存在跳變點(diǎn)的基帶信號(hào)以一定比例與哨聲信號(hào)時(shí)頻譜相加，產(chǎn)生合成哨聲用于信息發(fā)送。接收端同步后提取合成哨聲，然后將其與本地存在頻差哨聲載波相干相乘，再經(jīng)過(guò)低通濾波獲得FSK信號(hào)用于解調(diào)信息，實(shí)現(xiàn)仿生水聲通信。通過(guò)仿真與海試試驗(yàn)初步驗(yàn)證該方法的可行性，從時(shí)頻相關(guān)系數(shù)和Mel倒譜系數(shù)評(píng)價(jià)通信信號(hào)的仿生效果，并結(jié)合誤碼率、通信速率對(duì)通信性能進(jìn)行綜合分析。

相較于文獻(xiàn)[17]的仿哨聲FH水聲通信算法，本文所研究基于FSK的仿海豚哨聲水聲通信，或簡(jiǎn)稱(chēng)為仿哨聲FSK水聲通信，調(diào)制解調(diào)過(guò)程得到簡(jiǎn)化，系統(tǒng)資源消耗顯著降低，為仿生水聲通信算法的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 仿海豚哨聲水聲通信算法

2.1 海豚哨聲信號(hào)模型

2.2 調(diào)制算法

仿海豚哨聲水聲通信信號(hào)需模擬海豚哨聲時(shí)頻變化特性，因此需基于海豚哨聲時(shí)頻譜輪廓曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)制?？紤]到哨聲信號(hào)的諧波可通過(guò)基波倍頻獲得，因此基波更具有代表性，故本文選取哨聲信號(hào)基波時(shí)頻譜輪廓曲線(xiàn)fw,1(t)用于介紹仿生通信調(diào)制解調(diào)算法，對(duì)于其它諧波的調(diào)制解調(diào)只需將所用哨聲時(shí)頻譜輪廓換成對(duì)應(yīng)階次諧波的時(shí)頻譜輪廓fw,r(t)即 可?；诤ｋ嗌诼晻r(shí)頻譜輪廓fw,1(t)的調(diào)制過(guò)程主要包括兩個(gè)步驟：第1步對(duì)信源信息進(jìn)行基帶調(diào)制，產(chǎn)生基帶信號(hào)；第2步則是將基帶信號(hào)與海豚哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓曲線(xiàn)進(jìn)行組合，再基于海豚哨聲信號(hào)模型產(chǎn)生合成哨聲，實(shí)現(xiàn)仿生調(diào)制，具體過(guò)程如下：

2.3 解調(diào)算法

接收端，利用海豚哨聲信號(hào)sw(t)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行同步，提取接收到的合成哨聲r(shí)s(t)，然后將接收到的合成哨聲r(shí)s(t)與本地產(chǎn)生的存在固定頻差哨聲信號(hào)sl(t)相干相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波后即獲得頻移鍵控信號(hào)rFSK(t) ， 最后解調(diào)頻移鍵控信號(hào)rFSK(t)獲得解調(diào)信息a*，具體過(guò)程如下。

圖1 仿海豚哨聲FSK通信頻譜調(diào)制示意圖

圖2 仿海豚哨聲FSK通信信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

海豚哨聲信號(hào)頻率隨時(shí)間連續(xù)變化，相鄰兩個(gè)碼元所在的合成哨聲時(shí)頻譜輪廓并不相同，由水聲信道的多途效應(yīng)導(dǎo)致的前一碼元的干擾與當(dāng)前碼元在頻譜上幾乎不重疊或者重疊范圍很小，因此仿海豚哨聲FSK通信方法在不進(jìn)行信道均衡的條件下也可有效降低多途信道帶來(lái)的碼間干擾。

文獻(xiàn)[17]的仿哨聲FH水聲通信算法與仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法運(yùn)算量的差異主要體現(xiàn)在接收端產(chǎn)生本地信號(hào)中。仿哨聲FH水聲通信算法在接收端需將接收到的每個(gè)碼元波形與本地產(chǎn)生的該碼元的所有波形進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)對(duì)比相關(guān)峰大小以實(shí)現(xiàn)解調(diào)。由于每個(gè)碼元所對(duì)應(yīng)的哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓不同，故在解調(diào)時(shí)每個(gè)碼元的每種可能的波形都需要單獨(dú)生成或存儲(chǔ)，系統(tǒng)資源消耗較大。而仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法不需要針對(duì)每個(gè)碼元產(chǎn)生不同的本地信號(hào)，接收端只需要產(chǎn)生或存儲(chǔ)固定的信號(hào)：存在頻偏的本地哨聲sl(t)和對(duì)應(yīng)FSK調(diào)制頻率的單頻信號(hào)，通過(guò)相干相乘和能量判決進(jìn)行解調(diào)，系統(tǒng)資源消耗量顯著降低。若采樣頻率為Fs，離散后的每個(gè)碼元采樣點(diǎn)數(shù)為Nc=T×Fs，每種碼元包括M種可能性波形，每個(gè)合成哨聲包含的碼元個(gè)數(shù)為N，N×Nc≈Tω×Fs。則根據(jù)文獻(xiàn)[17]，仿哨聲FH水聲通信算法完成一個(gè)合成哨聲解調(diào)需要MN×4Nc次乘法、MN×(3Nc-2) 次加法和2MN次余弦運(yùn)算，需要MN×Nc個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)所有可能的波形。而仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法則需要2Tw×Fs+2MNc+MN×2Nc次乘法、Tw×Fs-1+MN×(2Nc-1)次加法和M+1 次余弦、M次正弦運(yùn)算，需要Tw×Fs+2MNc個(gè)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)本地哨聲sl(t)和 FSK調(diào)制對(duì)應(yīng)的M個(gè)單頻信號(hào)。所以總體來(lái)看，仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法計(jì)算復(fù)雜度更低，對(duì)系統(tǒng)資源消耗更少。

本文主要考慮固定收發(fā)節(jié)點(diǎn)通信情境，對(duì)于存在多普勒的情況，假定一幀通信信號(hào)的多普勒因子不變，可利用原始的海豚哨聲信號(hào)sw(t)在時(shí)延和頻移2維平面上對(duì)接收通信幀中的海豚哨聲信號(hào)進(jìn)行搜索，獲得該幀接收通信信號(hào)多普勒因子，再基于多普勒因子對(duì)接收通信信號(hào)進(jìn)行重采樣以降低多普勒效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 海豚哨聲信號(hào)

實(shí)驗(yàn)采用一段真海豚(Common Dolphin)的哨聲信號(hào)作為仿哨聲通信模擬對(duì)象，該哨聲信號(hào)公布在Watkins Marine Mammal Sound Database數(shù)據(jù)庫(kù)[21]，其波形和時(shí)頻譜如圖3所示。該哨聲信號(hào)長(zhǎng)度約為1.3 s，頻譜清晰，可以明顯看到基波和第2、第3次諧波。該哨聲基波具有清晰的時(shí)頻譜輪廓，最低頻率約為9 kHz，最高頻率約為16 kHz，頻率隨時(shí)間連續(xù)變化?；谖墨I(xiàn)[17]所述的時(shí)頻譜輪廓提取方法提取該哨聲基波時(shí)頻譜輪廓，并略微調(diào)整其頻率范圍至8～16 kHz，用于后續(xù)仿海豚哨聲水聲通信實(shí)驗(yàn)。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)分析

仿真實(shí)驗(yàn)所用哨聲時(shí)頻譜為3.1節(jié)獲得的真海豚哨聲基波時(shí)頻譜輪廓。仿真信道采用文獻(xiàn)[22]的隨機(jī)信道模型，該模型假定：水聲多途信道可用一定數(shù)量的多徑來(lái)表示，相鄰的兩條多徑之間的時(shí)延差值服從均值為一定值的指數(shù)分布，每條多徑的幅度服從瑞利分布，并且信道的平均功率隨著多徑時(shí)延的增加呈指數(shù)衰減。基于該仿真信道，仿真了不同碼元寬度為T(mén)和調(diào)制頻差Δf情況下仿哨聲通信算法的性能，具體的仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。當(dāng)碼元寬度為0.1 s時(shí)，產(chǎn)生的合成哨聲時(shí)頻譜如圖4所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4中，第1個(gè)為基于圖3所示哨聲基波時(shí)頻譜輪廓產(chǎn)生的原始哨聲時(shí)頻譜，后續(xù)為不同調(diào)制頻差Δf所對(duì)應(yīng)的合成哨聲時(shí)頻譜。當(dāng)Δf<50時(shí)，從時(shí)頻譜上基本看不出合成哨聲和原始哨聲的區(qū)別。隨著調(diào)制頻差 Δf的增大，合成哨聲時(shí)頻譜變化越明顯，與原始哨聲的差異性越大，相應(yīng)的通信信號(hào)仿生效果下降。當(dāng)Δf=200時(shí)，可明顯看出合成哨聲時(shí)頻譜輪廓存在突然變化。若增加過(guò)渡信號(hào)時(shí)長(zhǎng)L，可令時(shí)頻譜變化更為平緩，但是會(huì)減少每個(gè)碼元在相應(yīng)頻率上的時(shí)長(zhǎng)，影響FSK解調(diào)。

圖3 真海豚(Common Dolphin)哨聲

圖5和圖6為仿真實(shí)驗(yàn)的誤碼率曲線(xiàn)。圖5和圖6中藍(lán)色曲線(xiàn)為仿哨聲FSK通信算法誤碼率曲線(xiàn)，黃色、褐色和紅色曲線(xiàn)為仿哨聲FH水聲通信算法的仿真結(jié)果[17]。從圖5和圖6可以看出，當(dāng)碼元寬度T一定時(shí)，增加調(diào)制頻差Δf可以有效降低誤碼率，提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)比圖5和圖6，在其他條件相同時(shí)，相同誤碼率情況下碼元寬度T為0.1 s時(shí)所需的信噪比比碼元寬度T為0.05 s時(shí)要低4～5 dB。增加調(diào)制頻差 Δf可增加FSK信號(hào)兩個(gè)載波頻率f1和f2上的距離，減少頻譜混疊，而增加碼元寬度T可以有效提高頻率分辨率，兩者都可以提高FSK解調(diào)性能。但是，增加 Δf會(huì)增大合成哨聲時(shí)頻譜輪廓變化，影響到合成哨聲的仿生效果。

仿哨聲FH水聲通信算法將連續(xù)相位多載波頻移鍵控(Continuous Phase based MulticarrierFrequency Shift Keying, CPMFSK)信號(hào)以一定比例系數(shù)k與哨聲時(shí)頻譜相加產(chǎn)生合成哨聲時(shí)頻譜，該合成哨聲時(shí)頻譜在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)會(huì)在一定的頻率范圍內(nèi)不停變化，其變化范圍由調(diào)制系數(shù)k決定。而仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法采用2FSK調(diào)制信息，合成哨聲頻譜在每個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)與原始哨聲時(shí)頻譜的頻差保持不變，為固定值 Δf，如圖4所示。從圖5和圖6的誤碼率曲線(xiàn)可知，當(dāng)頻譜最大差異一定時(shí)，即調(diào)制系數(shù)k與調(diào)制頻差Δf相等時(shí)，仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法的誤碼率表現(xiàn)更好。當(dāng)調(diào)制頻差Δf=200時(shí)，仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法的誤碼率曲線(xiàn)與k=400的仿哨聲FH水聲通信算法基本重合，但是仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法頻差更小，因此仿海豚哨聲FSK調(diào)制水聲通信算法仿生效果更強(qiáng)。

圖4 碼元寬度為0.1 s時(shí)合成哨聲時(shí)頻譜

圖5 碼元寬度為0.1 s時(shí)誤碼率曲線(xiàn)

圖6 碼元寬度為0.05 s時(shí)誤碼率曲線(xiàn)

3.3 仿生效果分析

參考文獻(xiàn)[17]，本文亦選用時(shí)頻相關(guān)系數(shù)(TFCC)r和Mel倒譜距離(MelD)dMFCC對(duì)仿哨聲FSK水聲通信信號(hào)的仿生效果進(jìn)行分析。基于表1的參數(shù)，每種參數(shù)分別產(chǎn)生了1000個(gè)合成哨聲，計(jì)算其與原始哨聲的時(shí)頻相關(guān)系數(shù)和Mel倒譜距離，結(jié)果如表2所示。其中，計(jì)算Mel倒譜距離dMFCC時(shí)，選取的三角窗函數(shù)窗長(zhǎng)為0.1 s，相鄰幀的重疊長(zhǎng)度窗長(zhǎng)的一半，Mel濾波器個(gè)數(shù)為24個(gè)。

時(shí)頻相關(guān)系數(shù)均值rˉ越接近于1，Mel倒譜距離均值dˉMFCC越小，證明合成哨聲和原始哨聲差異性越小，通信信號(hào)仿生效果和隱蔽性越高。結(jié)合圖4和表2不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碼元寬度T一定時(shí)，增加調(diào)制頻差 Δf會(huì)降低時(shí)頻相關(guān)系數(shù)并增大Mel倒譜距離，即增加調(diào)制頻差 Δf會(huì)降低通信信號(hào)的仿生效果；而當(dāng)調(diào)制頻差Δf一定時(shí)，增大碼元寬度T可提高通信信號(hào)的仿生效果。總體來(lái)看，本文提出的仿海豚哨聲FSK水聲通信信號(hào)的仿生效果較好，各參數(shù)平均時(shí)頻相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，平均Mel倒譜距離不超過(guò)3.2。

表2 仿哨聲FSK通信信號(hào)相似度

表3為通信速率基本相同條件下，仿哨聲FH水聲通信信號(hào)[17]、分段LFM仿哨聲通信信號(hào)[15]和基于數(shù)字音頻水印技術(shù)的仿哨聲通信信號(hào)[18]的仿生效果，其中，前兩種仿生通信技術(shù)均基于哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓進(jìn)行調(diào)制，與本文仿哨聲FSK水聲通信原理相同或相近?；跀?shù)字音頻水印技術(shù)的仿哨聲通信則將信息隱藏在寬帶哨聲頻譜中，與仿哨聲FSK水聲通信原理不同，因此選用時(shí)域波形相關(guān)系數(shù)(WCC)代替TFCC描述通信信號(hào)波形相關(guān)性，所用哨聲為文獻(xiàn)[21]公布的一段長(zhǎng)鰭領(lǐng)航鯨叫聲，并選取其中部能量較高的0.6s時(shí)長(zhǎng)叫聲片段用于信息水印。對(duì)比表2和表3，相較于仿哨聲FH通信信號(hào)，仿哨聲FSK通信信號(hào)的時(shí)頻相關(guān)系數(shù)更趨近于1，Mel倒譜距離更小，但是隨著調(diào)制頻差 Δf增大，兩者M(jìn)el倒譜距離趨于相同。相較于分段LFM仿哨聲通信信號(hào)，仿哨聲FSK通信信號(hào)的仿生效果明顯更好，根據(jù)文獻(xiàn)[17]的分析，仿哨聲FH通信效果與分段LFM仿哨聲通信效果基本相同，結(jié)合3.2節(jié)的仿真分析，可推斷本文提出的仿哨聲FSK水聲通信技術(shù)的通信效果，當(dāng)調(diào)制頻差Δf ＞50時(shí)，與分段LFM仿哨聲通信效果也基本相同，但是仿哨聲FSK水聲通信信號(hào)的仿生效果更好。相較于基于數(shù)字水印的仿哨聲通信，仿哨聲FSK水聲通信信號(hào)的TFCC和Mel倒譜距離與基于數(shù)字水印的仿哨聲通信的WCC和Mel倒譜距離數(shù)值接近，結(jié)合文獻(xiàn)[18]公布的誤碼率與3.2節(jié)的仿真分析，兩者通信效果相近，當(dāng)調(diào)制頻差 Δf ＞50時(shí)，仿哨聲FSK水聲通信技術(shù)通信效果略好。綜上，可初步論證本文提出的仿哨聲FSK水聲通信技術(shù)，在通信效果相近的前提下，通信信號(hào)仿生效果良好。

表3 基于仿哨聲FH通信信號(hào)相似度

3.4 仿真結(jié)果綜合分析

結(jié)合3.2節(jié)的誤碼率分析和3.3節(jié)的仿生效果分析，對(duì)本文所述的仿海豚哨聲FSK水聲通信算法性能進(jìn)行綜合分析。在該方法中，碼元寬度為T(mén)和調(diào)制頻差Δf是兩個(gè)重要的參數(shù)。當(dāng)碼元寬度T一定時(shí)，增加調(diào)制頻差 Δf可以有效降低誤碼率，提高系統(tǒng)的可靠性，但是通信信號(hào)的仿生效果會(huì)下降。當(dāng)調(diào)制頻差Δf一定時(shí)，增加碼元寬度T可以在幾乎不影響通信信號(hào)仿生效果的情況下有效降低誤碼率，提高系統(tǒng)的魯棒性，但是系統(tǒng)通信速率會(huì)下降。因此，在進(jìn)行參數(shù)選擇時(shí)，需要綜合預(yù)期的仿生效果、通信系統(tǒng)的速率和可靠性進(jìn)行合理選擇，優(yōu)先滿(mǎn)足預(yù)期的仿生效果，通過(guò)增加碼元寬度T以犧牲通信速率為代價(jià)來(lái)提高通信系統(tǒng)可靠性。

對(duì)比本文所述的仿哨聲FSK水聲通信和文獻(xiàn)[17]所述的仿哨聲FH水聲通信技術(shù)可以看出，在通信信號(hào)仿生效果相近的情況下，本文所述的仿哨聲FSK水聲通信算法的通信性能接近甚至略?xún)?yōu)于仿哨聲FH水聲通信算法，而仿哨聲FSK水聲通信算法的調(diào)制解調(diào)過(guò)程更為簡(jiǎn)單，系統(tǒng)資源消耗更少，因此仿哨聲FSK水聲通信算法更具有實(shí)際應(yīng)用前景。

4 海試試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所述仿海豚哨聲FSK水聲通信方法的可行性，于2021年10月在中國(guó)山東威海楮島附近海域進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，發(fā)射端位于碼頭，采用一個(gè)8～16 kHz寬帶換能器發(fā)射信號(hào)，其吊放深度約為2 m。接收端位于發(fā)射端西北方向，距離發(fā)射端大約2 km，接收水聽(tīng)器深度約為4 m。試驗(yàn)海域平均水深約為10 m，周?chē)泻叫袀鞑ズ退a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)。海試試驗(yàn)所用的信號(hào)參數(shù)如表4所示，每種參數(shù)發(fā)射一幀通信信號(hào)，每幀通信信號(hào)包含6幀合成哨聲。當(dāng)碼元寬度為0.1 s時(shí)，海試接收到的哨聲信號(hào)時(shí)頻譜如圖7所示。

從圖7可以看出，試驗(yàn)海域噪聲較強(qiáng)，存在許多脈沖噪聲干擾，影響通信系統(tǒng)頻帶。海試接收信號(hào)信噪比并不高，且在8～10 kHz范圍內(nèi)有較強(qiáng)的能量衰減，該頻段的信號(hào)基本淹沒(méi)在噪聲中。帶通濾波后，接收信號(hào)總體信噪比在1～2 dB。海試試驗(yàn)的解調(diào)結(jié)果如表4所示。圖5、圖6顯示，仿真實(shí)驗(yàn)中當(dāng)信噪比不低于0 dB時(shí)，碼元寬度T為0.1 s，調(diào)制頻差 Δf不低于50 Hz可以實(shí)現(xiàn)誤碼率低于10-5的可靠通信，這一點(diǎn)在表4的海試結(jié)果中也得到了驗(yàn)證。當(dāng)碼元寬度T為0.05 s時(shí)，實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)所需的信噪比較高，海試接收信號(hào)的信噪比較低，故而產(chǎn)生些許誤碼。盡管數(shù)據(jù)量較少，但是海試試驗(yàn)結(jié)果可初步驗(yàn)證仿海豚哨聲FSK水聲通信算法在真實(shí)海洋環(huán)境下具有可行性。

圖7 碼元寬度為0.1s時(shí)海試接收合成哨聲時(shí)頻譜

表4 海試驗(yàn)證試驗(yàn)處理結(jié)果

綜合仿真實(shí)驗(yàn)和海試試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，仿海豚哨聲FSK水聲通信方法實(shí)現(xiàn)可靠通信所需信噪比不能低于0 dB，且當(dāng)信噪比一定時(shí)，碼元寬度T對(duì)系統(tǒng)的通信性能影響最大。減小碼元寬度T會(huì)降低頻率分辨力和信號(hào)能量，從而降低通信系統(tǒng)解調(diào)性能，此外減小碼元寬度T還會(huì)降低通信信號(hào)的仿生效果，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在滿(mǎn)足通信速率和仿生效果的前提下盡量增大碼元寬度T以提高可靠性。若需進(jìn)一步提高系統(tǒng)通信速率，可以考慮利用多載波頻移鍵控等方式提高每個(gè)碼元所調(diào)制的信息量，或利用哨聲的各次諧波進(jìn)行信息調(diào)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水下隱蔽聲通信的需求，不同于傳統(tǒng)的低信噪比隱蔽水聲通信，本文提出一種基于頻移鍵控的仿海豚哨聲水聲通信算法，通過(guò)模擬海豚哨聲以降低通信信號(hào)被截獲識(shí)別的概率，以實(shí)現(xiàn)隱蔽水聲通信。該仿生通信算法基于海豚哨聲時(shí)頻譜輪廓曲線(xiàn)，將信息調(diào)制生成的基帶信號(hào)以一定比例與哨聲信號(hào)時(shí)頻譜輪廓曲線(xiàn)相加獲得合成哨聲時(shí)頻譜，再基于哨聲信號(hào)模型生成合成哨聲，用于信息傳輸，接收端提取接收到的合成哨聲，與本地基于哨聲時(shí)頻譜輪廓生成的存在固定頻差的海豚合成哨聲相干相乘，經(jīng)低通濾波獲得FSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào)以實(shí)現(xiàn)仿生通信。最后基于時(shí)頻相關(guān)系數(shù)和Mel倒譜距離分析了通信信號(hào)仿生效果。仿真與海試試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明碼元寬度T和調(diào)制頻差Δf為影響系統(tǒng)性能的重要參數(shù)，當(dāng)碼元寬度T為0.1 s，調(diào)制頻差Δf ＞50 Hz，信噪比不低于2 dB情況下，該方法可實(shí)現(xiàn)可靠通信，且此時(shí)通信信號(hào)的時(shí)頻相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.99，仿生效果較好。與仿哨聲FH水聲通信算法對(duì)比，本文所述仿哨聲FSK水聲通信算法在通信性能相近的情況下，調(diào)制解調(diào)過(guò)程得到簡(jiǎn)化，復(fù)雜度與運(yùn)算量顯著降低，更易于工程實(shí)現(xiàn)，為未來(lái)仿生通信的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

接下來(lái)將繼續(xù)進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)，以綜合分析驗(yàn)證該方法的性能，并進(jìn)一步研究多元頻移鍵控調(diào)制技術(shù)在仿生通信中的應(yīng)用，以提高系統(tǒng)的通信效率。此外，嘗試分析多普勒效應(yīng)對(duì)仿生水聲通信系統(tǒng)的影響，為仿哨聲水聲通信技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用做準(zhǔn)備。