本发明涉及水声通信领域，具体涉及一种基于子带选择激活的多带双曲调频扩频水声通信方法。
背景技术：
水声信道具有其特殊性和复杂性，表现在其严重的多途效应、时变特性以及带限特性等方面。近年来持续发展的水声相干通信在提高频带利用率和信息传输速率上，较非相干通信有着较明显的优势。然而严重的多径与时变性，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(spreadspectrum,ss)技术是一种能有效对抗干扰的技术，在信道多径严重的环境中，要求通信系统要具备较强的鲁棒性，此时采用扩频通信方式是一种较好的选择。传统的扩频方式有直接序列扩频，跳变频率扩频，跳变时间扩频以及混合扩频等。后续，又有人提出了线性调频扩频以及双曲调频扩频。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
这是一个关于时间t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，接收信号经过匹配滤波能够形成主瓣尖锐、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，由于相对运动会造成多普勒效应，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。
对于一个hfm信号而言，假如经历一个尺度为α的多普勒扩展或者压缩。接收hfm信号可以表达为
此时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'(t-δt)＝f(t)，即
由此可见时延δt是一个由尺度因子决定并与时间无关的常数，如此一来，hfm信号在经历了多普勒效应之后，只是产生了一个时间上的平移，这样在接收端进行匹配滤波，依旧可以形成良好的脉冲，只是脉冲的位置会平移δt，因此hfm信号具备多普勒宽容性。
使用hfm进行扩频通信虽然能增强抗干扰能力和抗多普勒效应，但是面临的一个比较严重的问题是频带利用率比较低，因此如何提高hfm扩频通信的频带利用率是值得研究的问题。
本发明所述的一种结合多带传输与载波组合的双曲调频扩频通信方案，正是基于如上所述的信号模型和背景所提出的。
技术实现要素：
本发明的目的在于基于hfm信号提出了一种基于子带选择激活的多带双曲调频扩频水声通信方法，通过将单带传输扩展到多带传输，同时在一个调频周期内，将多个子带进行分组处理，每个子带组选择激活不同的子带用于传输，以形成不同的子带组合方案用于携带信息，以此提高频带利用率。
对一般的hfm扩频通信方案而言，把系统可用带宽用于单个hfm调频信号，每个调频周期内，利用该调频信号进行扩频调制携带信息，这样系统的频带利用率比较低。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种基于子带选择激活的多带双曲调频扩频水声通信方法，主要包括以下步骤：
s1、将通信系统带宽分为多个子带，分别进行双曲调频；
s2、数据、子带进行分组，确定子带激活方案，并进行信号调制；
s3、对完成调制的信号添加帧头；
s4、接收端对接收信号进行预处理，同步，信道估计；
s5、计算子带检测与解调所需要的相关值；
s6、激活子带检测；
s7、激活子带解调。
上述方法中，具体包括如下步骤：
s1、首先将系统可用带宽b＝f1-f0(最高频率-最低频率)分为k个子带，每个子带带宽为
其中
s2、确定子带激活方案，并进行信号调制。将发送数据中每k个比特调制一个多带双曲调频扩频符号上。每k个比特分成q组，与q个子带组相对应，每组2个比特。每组的2个比特用于控制该组子带载波的激活以及每个激活子带载波的调制，激活方案如下。
每组2个比特中的第1个比特为0时，激活每组的第1个子带进行传输，当该比特为1时激活该组第2个子带进行传输。
每组2个比特中的第2个比特则采用bpsk符号映射，对该激活的子带载波信号进行调制。
记第j(j＝1,…,q)组的2个比特为bj1bj2，则当前多带双曲调频扩频符号帧的发送信号表示为
其中kj＝2j+bj1-1为第j组激活的子带编号，上式中2bj2-1表示对第j组的第2个比特则采用bpsk符号映射。
s3、添加帧头。对完成扩频调制的信号进行添加帧头。帧头采用lfm信号，整个信号帧由帧头，保护间隔，以及数据组成，其中每部分的长度均可以根据实际需要做出调整。然后经过da转换和模拟发送前端功率放大后在水声信道中发射。
s4、接收端，对接收信号进行预处理。首先进行带通滤波，然后利用帧头进行同步和信道估计，本发明不对同步和信道估计做专门探讨，可以采用通常的同步与信道估计算法。
假设完成同步的信号表达式为r[n]，信道估计后的结果为：多径数为l条，每条路径对应的参数为幅度
s5、子带激活检测与解调所需要的相关量计算。
s51、计算相关峰值偏移量。根据s4的信道估计参数，分别
计算每条路径的峰值偏移量。对于一个数据帧当中的第m(1,....,m)个符号，其第l(1,..,l)条路径的峰值偏移量δnk,m,l
其中
s52、进行相关运算，获取峰值。根据δnk,m,l，分别用每个子带xk[n]与r[n]对应位置进行相关运算获得峰值。对于每个数据帧，第k个子带，第m个符号，第l条路径的峰值ik,m,l可以表示为
s6、激活子带的检测。。根据s5中相关所获得的峰值ik,m,l进行激活子带的判决，对数据帧中的任意第m个符号，激活子带的判决准则如下(这里以第一个子带组为例)
若
若
s7、激活子带的解调。根据s6的检测结果确定激活的子带序号k，对该子带进行符号解调。这里利用最大合并比准则，对l条路径的峰值进行合并处理并进行符号判决
而后进行bpsk符号解映射
自此，完成一个子带组的解扩，获得该子带组传输的2个符号b11b12的解调。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、将系统可用带宽划分为多个子带，进行数据传输，提高了整个系统的频带利用率。
2、通过选择激活子带的方式，在传输同样多数据的前提下，节省了系统能量消耗。
附图说明
图1为本发明一种结合多带传输与载波组合的水声双曲调频扩频通信方案结构示意图。
图2为子带组扩频调制流程图，以第1子带组为例。
图3为子带组解扩处理流程图，以第1子带组为例。
图4为信号帧结构图。
图5为具体实施方案的误比特率仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1，图1是本发明的系统结构示意图。
各标号的含义如下：
b：带宽，本实例取b＝6khz。
f0：带宽的起始频率，本实例取f0＝9khz。
f1：带宽的终止频率，本实例取f1＝15khz。
th：双曲调频信号的符号周期，本实例取th＝20ms。
tg：零符号保护间隔周期，本实例取tg＝20ms。
tl：lfm帧头持续时间，本实例取tl＝20ms。
fs：双曲调频信号的采样率，本实例取fs＝100khz。
n：双曲调频信号一个周期的样点数，n＝th*fs本实例中n＝2000。
αk：双曲调频信号的调频率。
fk0：表示第k个子带的起始频率
k：子带的个数，本实例取k＝8。
q：子带分成q个组，本实例取q＝4。
m：每一帧信号中包含的多带双曲调频符号个数，本实例取m＝10
本实施例中一种结合多带传输与载波组合的水声双曲调频扩频通信方案包括以下步骤：
s1、生成双曲调频扩频子带载波信号并分组。将b＝f1-f0分为k＝8个子带，每个子带带宽为
其中
同时，将k个子带分成q＝4组，每组2个子带。
s2、信号调制。用发送数据中每k个比特调制一个多带双曲调频扩频符号。每k个比特分成q组，与q个子带组相对应，每组2个比特。每组的2个比特用于控制该组子带载波的激活以及每个激活子带载波的调制，具体实现方式如下。
每组2个比特中的第1个比特为0时，激活每组的第1个子带进行传输，当该比特为1时激活该组第2个子带进行传输。
每组2个比特中的第2个比特则采用bpsk符号映射，对该激活的子带载波信号进行调制。
记第j(j＝1,…,q)组的2个比特为bj1bj2，则当前多带双曲调频扩频符号帧的发送信号表示为
其中kj＝2j+bj1-1为第j组激活的子带编号，上式中2bj2-1表示对第j组的第2个比特则采用bpsk符号映射。
采用上述信号调制方式调制m个多带双曲调频符号构成1帧信号。
s3、添加帧头。对完成扩频调制的信号进行添加帧头。帧头采用lfm信号，lfm信号可以表示为
其中nl＝tl*fs。
信号帧结构如图4所示，tl，tg，th均可以根据实际需要做出调整。上述数据帧经过da转换和模拟发送前端功率放大后在水声信道中发射。
s4、接收预处理。信号经历水声信道中的多径和多普勒影响之后，在接收端，首先进行带通滤波，然后利用帧头进行同步和信道估计，本发明不对同步和信道估计做专门探讨，可以采用通常的同步与信道估计算法。将完成同步的接收信号记为r[n]，假设信道估计后的结果为，多径数为l条，每条路径对应的参数为幅度
s5、子带检测与解调的相关量计算。这里以第一个子带组为例。
s51、计算相关峰值偏移量。根据s4的信道估计参数，分别计算每条路径的峰值偏移量。对于一个数据帧当中的第m(1,…,m)个符号，其第l(1,…,l)条路径的峰值偏移量应为
其中
s52、进行相关运算，获取峰值。根据δnk,m,l，分别用每个子带的双曲调频载波信号xk[n]与接收信号r[n]对应位置进行相关运算获得峰值。对于每个数据帧，第k个子带，第m个符号，第l条路径的峰值ik,m,l可以表示为
s6、激活子带检测。根据s5中相关所获得的峰值ik,m,l进行激活子带的判决，对数据帧中的任意第m个符号，激活子带的判决准则如下(这里以第一个子带组为例)
若
若
s7、激活子带解调。根据s6的检测结果确定激活的子带序号k，对该子带进行符号解调。这里利用最大合并比准则，对l条路径的峰值进行合并处理并进行符号判决
而后进行bpsk符号解映射
自此，完成一个子带组的解扩，获得该子带组传输的2个符号b11b12的解调。其余子带组依此处理。本发明将系统可用带宽划分为多个子带，进行数据传输，提高了整个系统的频带利用率。通过选择激活子带的方式，在传输同样多数据的前提下，节省了系统能量消耗。由图5的误比特率仿真图也可知，本实施方案在信号发生多普勒扩展之后，依旧可以在较低信噪比snr下，保持较好的误码率ber性能，并且通过选择激活子载波的方式，降低能量损耗以及相邻载波间的干扰。