M元仿海豚叫聲隱蔽水聲通信

劉凇佐，劉冰潔，尹艷玲，喬鋼

(1.哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱150001)

近年來，越來越多的海洋環境監測、資源開發以及水下軍事項目的遙控、調度的實施嚴重依賴于水聲通信技術，這種依賴性暴露了很多安全隱患，給敵方帶來了可乘之機，因此新形式下對水聲通信技術除穩健可靠外提出了隱蔽性的要求。

傳統的隱蔽水聲通信方法多從低信噪比角度出發，將信號隱藏在海洋背景噪聲中實現LPI/LPD(low probability of interception/detection)的效果。文獻［1-2］提出了一種應用于低信噪比的多頻帶OFDM調制技術，利用頻率分集技術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。當通信距離達到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，信噪比可以達到-16 dB。但是，如果信噪比過低，這種通信體制將因為無法探測到通信信號而崩潰。文獻［3］基于擴頻技術提出了一種對相位跳變不敏感的能量檢測器，利用海試數據，在信噪比最低-10 dB條件下可以實現對數據的正確解調。文獻［4］在擴頻信號解調中采用匹配濾波器技術估計時變信道沖激響應，在信噪比-12 dB條件下誤碼率小于10-2。文獻［5-6］采用非相干水聲通信技術，提出了雙正交調制和雙差分相移鍵控，2種體制均應用了DSSS技術和RAKE接收機。

然而，傳統低信噪比隱蔽水聲通信方法盡管降低了發射信號的平均功率，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，進而可以測量出目標方位或距離，這對軍事水下通信來講是無法容忍的;另一方面，降低通信信號發射功率實現隱蔽通信，限制了通信距離，同時即便在接收端實現低信噪比隱蔽通信，但如果在信號的發射點和接收點之間有一個探測設備，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［7-8］，提出一種可以在全距離范圍內實現隱蔽水聲通信的方法。借鑒脈位調制技術［9］，改進其信息碼元形式，利用海豚嘀嗒聲作為脈沖信號進行通信，信息調制在相鄰嘀嗒聲的時間間隔上，調制后的信號與原始海豚叫聲信號在聲音上沒有明顯區別，具有更高的隱蔽性。通信過程中，采用高聲源級真實或模擬本地海洋生物的叫聲信號作為信息碼元進行通信。即使信號被聲吶在探測階段發現，也會在其識別階段被當作海洋生物噪聲排除，達到遠程隱蔽通信的目的。采用M元技術提高通信速率，匹配追蹤算法估計信道沖激響應，RAKE接收機抑制水聲信道多途影響，并進行了仿真和湖試。

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、應急和模擬信號。通訊信號一般持續時間從十分之幾秒到幾秒，其主要能量集中在聲頻范圍內，是一種調幅和調頻脈沖信號，具有良好的自相關特性。定位信號持續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。通常，海豚會在一段時間內發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。應急和模擬信號研究的較少，一般是生物學家感興趣的領域［10-11］。

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

在實際工作中，對click信號進行搜集和分析，針對不同的應用需求，選擇不同的click信號進行編碼。例如在不同的海域，不同的季節海豚的叫聲也會發生相應改變，應選擇相應的叫聲信號。基于此，針對不同的工作環境和技術要求，應建立可供信號調制使用的信號碼樣本庫，并對樣本庫中的叫聲信號進行靈活調整。

1.1 信息調制

本文采用一些相關性良好的的click信號進行DPIM(digital pulse intervalmodulation)調制，以信號碼之間的時延差長度代表不同的信息。該調制技術成熟簡單、傳輸穩定、功耗低、在速率要求不高的情況下，對信道隨機不均勻性有較強的抗干擾能力，適合在水聲信道下工作［12］。在此基礎上，將DPIM調制與M元技術結合，采用不同的click信號碼作為碼元，在不破壞海豚叫聲特點的前提下，僅通過改變不同click信號在不同碼元窗上的位置進行信息調制，實現對M元click信號的DPIM調制。M元技術的應用可以更加有效抑制水聲信道中多途擴展引起的碼間干擾，攜帶更多地信息，提高系統通信速率。

圖1 M元click編碼Fig.1 M-ary click DPIM

圖1給出了一組碼元結構，L個不同的click碼的相互獨立。圖中，ti表示第i個click碼對應的時延差值;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信號碼的總數目，n為每個碼元窗內click碼所攜帶的信息比特數。從式(1)中可以看出，將M元技術與DPIM技術相結合可提高通信速率。

為了實現信號的同步識別和多普勒估計，設計了相應的幀結構，在一幀仿生通信信號的開始和結尾處分別加入2個不同的海豚哨聲信號。哨聲信號持續時間長，帶寬大。將接收信號與本地的哨聲信號相關，可以得到明顯的相關峰，據此，實現信號的同步與識別。結合前面介紹的信息編碼部分，得到基于海豚叫聲信號的M元仿生信號幀結構，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間隔，防止由多徑引起的同步信號與數據符號之間的串擾。

圖2 仿生信號幀結構Fig.2 Frame structure of bionic signal

1.2 解調原理

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

式中:h(t)為信道沖激響應函數;n(t)為加性環境噪聲。

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

由于水聲信道的特點，發射出的聲線將經過海面和海底的多次反射匯聚于接收端，復雜的多途結構［13］將嚴重影響水聲通信系統的解碼性能。為此，在接收端應采用適當的信道均衡方法，改善通信系統的接收性能。本通信體制中具體的信道估計與均衡方法將在下一節詳細介紹。

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行相關處理，其中任意接收信號碼元窗ri(t)與信號碼樣本庫中第j個信號拷貝相關的輸出結果為:

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，為了避免相關最大值判決可能產生的誤碼，這里定義相關處理之后的信噪比為相關信噪比，采用最大相關信噪比判決器進行判決，由產生最大相關信噪比的樣本庫信號確定該碼元中信號碼的編號，由其相關峰的位置確定時延差，進而可由譯碼器解調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

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。當聲波沿不同路徑到達接收端時，由于路徑的差異，將造成到達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，影響水聲通信系統的解碼性能［14］。如果在接收端能夠將多條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，并進行同相相加，從而克服衰落現象，這種技術稱為多徑分離合并技術。在本文提出的仿生通信體制中，碼元為不規則的脈沖信號，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接收機實現信號多徑分量的合并。

2.1 信道估計技術

本文采用壓縮感知理論［15］中的 MP 算法［16］實現以海洋生物叫聲為探測序列的信道估計，以確定RAKE接收機的加權系數值。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建信號的稀疏逼近，然后求出逼近后的殘差。繼續從過完備原子庫中選擇與殘差最匹配的原子，并更新殘差。經過多次迭代，直到滿足標準為止。這個標準通常是殘差小于某個很小的值，或者迭代次數滿足一定值，當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。本文中發射信號為詞典，接收信號為觀測向量，信道沖激響應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k=0

條件判斷:當 ‖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

RAKE接收機充分利用碼元的相關特性，聚焦多途信號分量，以達到增加有用信號能量，改善通信系統的接收性能的目的。RAKE接收機包括多個相關器，每個相關器接收一路多徑信號，然后根據每個相關器輸出的相對強度進行加權求和，合成一個輸出，以提供優于單路相關器的信號檢測，在此基礎上進行解調和判決，加權系數的選擇是使輸出信噪比最大。

圖4 RAKE接收機工作原理Fig.4 RAKE receiver schematic

圖4為RAKE接收機工作原理圖。實際工作中，經過調制后的仿生信號s(t)經過水聲多途信道傳輸，接收信號r(t)到達接收端。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，對應的衰減因子則為α1、α2、α3。在RAKE接收機中，利用上一節技術中估計出的信道沖激響應，進行相應的延時、加權求和。圖中，3個相關器的輸出zi(t)分別與加權系數hi(其中，i=1，2，3)相乘，則總的輸出信號為

3 仿真研究及湖試結果

為驗證本文提出的基于仿生學隱蔽通信系統的可行性和系統性能，進行了仿真研究和湖上實驗。

3.1 仿真研究

根據海豚叫聲信號特點，選取8個自相關性和互相關性良好的叫聲信號作為信息碼元，構成仿生信號碼樣本庫，則每個click碼信號攜帶3 bit數字信息。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攜帶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，根據調制信息按照第1節中方法進行調制，同時插入同步信號，合成如圖2所示幀結構，仿真得到的發射信號如圖5所示。

圖5 發射信號Fig.5 Transm itted signal

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

圖6是一個實測的水聲信道沖激響應，從該圖可以看出，該信道多途結構復雜，信號經過這樣的多途信道將對接收端的解碼性能造成嚴重影響。所以將接收到的仿生信號經過RAKE接收機進行多徑分量合并是必要的，以保證后續解碼的正常進行。首先通過海豚的哨聲信號實現信號的同步與識別，以區分是海洋中真實的叫聲信號還是仿生信號。通過系統同步提取出海豚的哨聲信號，使用2.1節介紹的MP方法對其進行處理，歸一化殘差值0.1。得到的水聲信道沖激響應如圖7所示。

圖7 M P信道估計結果Fig.7 Channel response estimated by MP

利用估計出的信道沖激響應，仿生信號經過RAKE接收機后進行解碼。根據設定的碼元長度，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，通過相關信噪比進行碼元判別。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信號相關得到的結果如圖8。

圖8 仿真相關結果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信號相關后，可以得到明顯的相關峰，經計算相關信噪比最大，由此可以判斷在發送端進行信號編碼時，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，進而解碼出相應碼元調制的數字信息。同時，根據4號click信號與接收碼元窗相關得到的相關峰位置，可得出該碼元窗的時延差值，并進一步解碼出相應時延編碼數字信息。對7個碼元窗分別進行這樣的處理，就可以得到完整的發送數字信息，實現接收端解碼。在仿真實驗中，由于信道的復雜多途結構，使得接收端的RAKE均衡變得尤為重要。仿真實驗所得的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，這主要是因為低信噪比下信道估計存在的誤差影響了RAKE均衡的效果。當信噪比升高時，均衡后的信號誤碼率迅速降低，當信噪比大于-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，產生了誤碼平層。此外，信號誤碼率對click信號的選擇有很強的依賴性。選擇長度、帶寬較大的click信號，可以有效降低系統誤碼率。

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

3.2 湖試結果

為驗證M元仿海豚叫聲隱蔽水聲通信方法在外場真實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行了湖試實驗。蓮花湖呈狹長型，平均水深約40 m左右，其中發射節點(信源)和接收節點(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，發動機均關閉，在風力與水流的作用下具有緩慢的相對運動。

圖10 實驗相關結果Fig.10 Correlation results of the lake trial

實驗中，發射信號與仿真環境下信號參數相同，在信號接收端，經過RAKE接收機處理后，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信號進行相關處理，結果如圖10所示。

從圖中可以看出，截取的該段碼元窗只有與6號click信號相關時，可以得到明顯的相關峰，由此可以判斷，在發送端編碼時，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，根據接收碼元窗與6號click信號相關后相關峰的位置，可以獲取時延差。對其進行碼元解調和時延編碼解調后，即可獲得該碼元窗的解調結果。其余碼元窗采用同樣的解調處理方法，可以進一步得到該幀信號完整的解碼結果。實驗結果表明，在外場湖試條件下，信道均衡前，誤碼率達20%左右，均衡后可以達到無誤碼。

4 結束語

本文基于仿生學原理，從仿生偽裝角度出發，提出利用海洋中固有的生物叫聲作為碼元實現隱蔽水聲通信，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實現隱蔽通信的問題。通信過程中，信息調制在海豚嘀嗒叫聲時間間隔上，采用M元技術提高通信速率，改進傳統方法中以相關峰作為判決門限的方法，以相關信噪比作為判決準則實現碼元判別，應用匹配追蹤算法實現了以海豚叫聲信號為探測序列的信道估計，采用RAKE接收機技術實現多徑分量的合并，抵抗水聲多途信道的影響。仿真和湖試結果均驗證了該方法的可行性，黑龍江省蓮花湖實驗中，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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