基于頻移鍵控的仿海豚哨聲水聲通信技術

馬天龍 劉凇佐 喬 鋼 浦王軼

(哈爾濱工程大學水聲技術重點實驗室 哈爾濱 150001)

(工業和信息化部海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學) 哈爾濱 150001)

(哈爾濱工程大學水聲工程學院 哈爾濱 150001)

1 引言

隨著水聲通信技術的發展，除了可靠性、通信速率和網絡化外，水聲通信的安全性與隱蔽性也逐漸受到重視[1-3]。傳統方法大多采用低檢測概率(Low Probability of Detection， LPD)技術實現隱蔽水聲通信，該技術通過擴頻等方式降低通信信號的功率，將通信信號隱藏在海洋環境噪聲中，使其難以被發現[4,5]。但是信噪比的降低會降低通信系統的性能，并且在信源附近通信信號信噪比較大，通信信號和聲源易暴露，難以有效保證通信的隱蔽性[6]。與傳統的LPD隱蔽通信技術不同，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，令敵方在檢測到這些信號后，誤將其識別為海洋生物叫聲而排除，從而達到隱蔽通信的目的[7]。該方法不需要限制通信信號信噪比，即使通信信號被檢測到，大概率也會被排除，可有效保證通信的隱蔽性和通信平臺的安全性。綜合分析聲源時空特點和信號頻率特征后，發現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受到廣泛關注，根據調制方式可以將其分為兩大類：一種是基于原始的海豚叫聲，利用時延編碼技術[7]、脈沖位置調制技術[10,11]、M元技術[12]或者這些技術的組合[13]將信息調制到叫聲類別與時間位置上，以實現仿生通信。例如這類方法需要從采集樣本中提取原始的海豚叫聲，因此叫聲樣本的數量和質量嚴重影響這類方法的通信性能。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，基于叫聲的參數模型[14-17]或者數字水印嵌入技術[18,19]，將信息調制到模擬叫聲的時頻參數上以實現仿生通信。這類方法不受海豚叫聲樣本數量限制，信息調制更加靈活，應用潛力更大。

文獻[17]提出一種基于海豚哨聲時頻譜輪廓的仿海豚哨聲跳頻(Frequency Hopping, FH)水聲通信算法，該方法將信息調制生成的連續相位頻率調制信號以一定的比例系數與海豚哨聲信號時頻譜輪廓相加，基于哨聲信號模型產生合成哨聲實現仿生通信。但是該方法需要在接收端產生每個碼元所有可能的信號用于和接收碼元進行相關，通過相關峰的大小進行判決解調，所需的運算量較大，調制解調算法較為復雜。針對這一問題，本文提出一種基于頻移鍵控(Frequency Shift Keying，FSK)的仿海豚哨聲信號水聲通信算法。該方法以海豚哨聲作為頻移鍵控的載波，將經過處理后不存在跳變點的基帶信號以一定比例與哨聲信號時頻譜相加，產生合成哨聲用于信息發送。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，再經過低通濾波獲得FSK信號用于解調信息，實現仿生水聲通信。通過仿真與海試試驗初步驗證該方法的可行性，從時頻相關系數和Mel倒譜系數評價通信信號的仿生效果，并結合誤碼率、通信速率對通信性能進行綜合分析。

相較于文獻[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，或簡稱為仿哨聲FSK水聲通信，調制解調過程得到簡化，系統資源消耗顯著降低，為仿生水聲通信算法的實際應用提供技術支撐。

2 仿海豚哨聲水聲通信算法

2.1 海豚哨聲信號模型

2.2 調制算法

仿海豚哨聲水聲通信信號需模擬海豚哨聲時頻變化特性，因此需基于海豚哨聲時頻譜輪廓曲線進行調制。考慮到哨聲信號的諧波可通過基波倍頻獲得，因此基波更具有代表性，故本文選取哨聲信號基波時頻譜輪廓曲線fw,1(t)用于介紹仿生通信調制解調算法，對于其它諧波的調制解調只需將所用哨聲時頻譜輪廓換成對應階次諧波的時頻譜輪廓fw,r(t)即 可。基于海豚哨聲時頻譜輪廓fw,1(t)的調制過程主要包括兩個步驟：第1步對信源信息進行基帶調制，產生基帶信號；第2步則是將基帶信號與海豚哨聲信號時頻譜輪廓曲線進行組合，再基于海豚哨聲信號模型產生合成哨聲，實現仿生調制，具體過程如下：

2.3 解調算法

接收端，利用海豚哨聲信號sw(t)對接收信號進行同步，提取接收到的合成哨聲rs(t)，然后將接收到的合成哨聲rs(t)與本地產生的存在固定頻差哨聲信號sl(t)相干相乘，經過低通濾波后即獲得頻移鍵控信號rFSK(t) ， 最后解調頻移鍵控信號rFSK(t)獲得解調信息a*，具體過程如下。

圖1 仿海豚哨聲FSK通信頻譜調制示意圖

圖2 仿海豚哨聲FSK通信信號幀結構

海豚哨聲信號頻率隨時間連續變化，相鄰兩個碼元所在的合成哨聲時頻譜輪廓并不相同，由水聲信道的多途效應導致的前一碼元的干擾與當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通信方法在不進行信道均衡的條件下也可有效降低多途信道帶來的碼間干擾。

文獻[17]的仿哨聲FH水聲通信算法與仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法運算量的差異主要體現在接收端產生本地信號中。仿哨聲FH水聲通信算法在接收端需將接收到的每個碼元波形與本地產生的該碼元的所有波形進行相關運算，通過對比相關峰大小以實現解調。由于每個碼元所對應的哨聲信號時頻譜輪廓不同，故在解調時每個碼元的每種可能的波形都需要單獨生成或存儲，系統資源消耗較大。而仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法不需要針對每個碼元產生不同的本地信號，接收端只需要產生或存儲固定的信號：存在頻偏的本地哨聲sl(t)和對應FSK調制頻率的單頻信號，通過相干相乘和能量判決進行解調，系統資源消耗量顯著降低。若采樣頻率為Fs，離散后的每個碼元采樣點數為Nc=T×Fs，每種碼元包括M種可能性波形，每個合成哨聲包含的碼元個數為N，N×Nc≈Tω×Fs。則根據文獻[17]，仿哨聲FH水聲通信算法完成一個合成哨聲解調需要MN×4Nc次乘法、MN×(3Nc-2) 次加法和2MN次余弦運算，需要MN×Nc個存儲單元存儲所有可能的波形。而仿海豚哨聲FSK調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次正弦運算，需要Tw×Fs+2MNc個存儲單元用于存儲本地哨聲sl(t)和 FSK調制對應的M個單頻信號。所以總體來看，仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法計算復雜度更低，對系統資源消耗更少。

本文主要考慮固定收發節點通信情境，對于存在多普勒的情況，假定一幀通信信號的多普勒因子不變，可利用原始的海豚哨聲信號sw(t)在時延和頻移2維平面上對接收通信幀中的海豚哨聲信號進行搜索，獲得該幀接收通信信號多普勒因子，再基于多普勒因子對接收通信信號進行重采樣以降低多普勒效應對通信系統的影響。

3 仿真實驗

3.1 海豚哨聲信號

實驗采用一段真海豚(Common Dolphin)的哨聲信號作為仿哨聲通信模擬對象，該哨聲信號公布在Watkins Marine Mammal Sound Database數據庫[21]，其波形和時頻譜如圖3所示。該哨聲信號長度約為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頻譜輪廓，最低頻率約為9 kHz，最高頻率約為16 kHz，頻率隨時間連續變化。基于文獻[17]所述的時頻譜輪廓提取方法提取該哨聲基波時頻譜輪廓，并略微調整其頻率范圍至8～16 kHz，用于后續仿海豚哨聲水聲通信實驗。

3.2 仿真實驗分析

仿真實驗所用哨聲時頻譜為3.1節獲得的真海豚哨聲基波時頻譜輪廓。仿真信道采用文獻[22]的隨機信道模型，該模型假定：水聲多途信道可用一定數量的多徑來表示，相鄰的兩條多徑之間的時延差值服從均值為一定值的指數分布，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延的增加呈指數衰減。基于該仿真信道，仿真了不同碼元寬度為T和調制頻差Δf情況下仿哨聲通信算法的性能，具體的仿真實驗參數如表1所示。當碼元寬度為0.1 s時，產生的合成哨聲時頻譜如圖4所示。

表1 仿真實驗參數

圖4中，第1個為基于圖3所示哨聲基波時頻譜輪廓產生的原始哨聲時頻譜，后續為不同調制頻差Δf所對應的合成哨聲時頻譜。當Δf<50時，從時頻譜上基本看不出合成哨聲和原始哨聲的區別。隨著調制頻差 Δf的增大，合成哨聲時頻譜變化越明顯，與原始哨聲的差異性越大，相應的通信信號仿生效果下降。當Δf=200時，可明顯看出合成哨聲時頻譜輪廓存在突然變化。若增加過渡信號時長L，可令時頻譜變化更為平緩，但是會減少每個碼元在相應頻率上的時長，影響FSK解調。

圖3 真海豚(Common Dolphin)哨聲

圖5和圖6為仿真實驗的誤碼率曲線。圖5和圖6中藍色曲線為仿哨聲FSK通信算法誤碼率曲線，黃色、褐色和紅色曲線為仿哨聲FH水聲通信算法的仿真結果[17]。從圖5和圖6可以看出，當碼元寬度T一定時，增加調制頻差Δf可以有效降低誤碼率，提高系統的可靠性。對比圖5和圖6，在其他條件相同時，相同誤碼率情況下碼元寬度T為0.1 s時所需的信噪比比碼元寬度T為0.05 s時要低4～5 dB。增加調制頻差 Δf可增加FSK信號兩個載波頻率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解調性能。但是，增加 Δf會增大合成哨聲時頻譜輪廓變化，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相位多載波頻移鍵控(Continuous Phase based MulticarrierFrequency Shift Keying, CPMFSK)信號以一定比例系數k與哨聲時頻譜相加產生合成哨聲時頻譜，該合成哨聲時頻譜在每個碼元時間內會在一定的頻率范圍內不停變化，其變化范圍由調制系數k決定。而仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法采用2FSK調制信息，合成哨聲頻譜在每個碼元時間內與原始哨聲時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的誤碼率曲線可知，當頻譜最大差異一定時，即調制系數k與調制頻差Δf相等時，仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法的誤碼率表現更好。當調制頻差Δf=200時，仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法的誤碼率曲線與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調制水聲通信算法頻差更小，因此仿海豚哨聲FSK調制水聲通信算法仿生效果更強。

圖4 碼元寬度為0.1 s時合成哨聲時頻譜

圖5 碼元寬度為0.1 s時誤碼率曲線

圖6 碼元寬度為0.05 s時誤碼率曲線

3.3 仿生效果分析

參考文獻[17]，本文亦選用時頻相關系數(TFCC)r和Mel倒譜距離(MelD)dMFCC對仿哨聲FSK水聲通信信號的仿生效果進行分析。基于表1的參數，每種參數分別產生了1000個合成哨聲，計算其與原始哨聲的時頻相關系數和Mel倒譜距離，結果如表2所示。其中，計算Mel倒譜距離dMFCC時，選取的三角窗函數窗長為0.1 s，相鄰幀的重疊長度窗長的一半，Mel濾波器個數為24個。

時頻相關系數均值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，通信信號仿生效果和隱蔽性越高。結合圖4和表2不難發現，當碼元寬度T一定時，增加調制頻差 Δf會降低時頻相關系數并增大Mel倒譜距離，即增加調制頻差 Δf會降低通信信號的仿生效果；而當調制頻差Δf一定時，增大碼元寬度T可提高通信信號的仿生效果。總體來看，本文提出的仿海豚哨聲FSK水聲通信信號的仿生效果較好，各參數平均時頻相關系數都在0.99以上，平均Mel倒譜距離不超過3.2。

表2 仿哨聲FSK通信信號相似度

表3為通信速率基本相同條件下，仿哨聲FH水聲通信信號[17]、分段LFM仿哨聲通信信號[15]和基于數字音頻水印技術的仿哨聲通信信號[18]的仿生效果，其中，前兩種仿生通信技術均基于哨聲信號時頻譜輪廓進行調制，與本文仿哨聲FSK水聲通信原理相同或相近。基于數字音頻水印技術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，因此選用時域波形相關系數(WCC)代替TFCC描述通信信號波形相關性，所用哨聲為文獻[21]公布的一段長鰭領航鯨叫聲，并選取其中部能量較高的0.6s時長叫聲片段用于信息水印。對比表2和表3，相較于仿哨聲FH通信信號，仿哨聲FSK通信信號的時頻相關系數更趨近于1，Mel倒譜距離更小，但是隨著調制頻差 Δf增大，兩者Mel倒譜距離趨于相同。相較于分段LFM仿哨聲通信信號，仿哨聲FSK通信信號的仿生效果明顯更好，根據文獻[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，結合3.2節的仿真分析，可推斷本文提出的仿哨聲FSK水聲通信技術的通信效果，當調制頻差Δf ＞50時，與分段LFM仿哨聲通信效果也基本相同，但是仿哨聲FSK水聲通信信號的仿生效果更好。相較于基于數字水印的仿哨聲通信，仿哨聲FSK水聲通信信號的TFCC和Mel倒譜距離與基于數字水印的仿哨聲通信的WCC和Mel倒譜距離數值接近，結合文獻[18]公布的誤碼率與3.2節的仿真分析，兩者通信效果相近，當調制頻差 Δf ＞50時，仿哨聲FSK水聲通信技術通信效果略好。綜上，可初步論證本文提出的仿哨聲FSK水聲通信技術，在通信效果相近的前提下，通信信號仿生效果良好。

表3 基于仿哨聲FH通信信號相似度

3.4 仿真結果綜合分析

結合3.2節的誤碼率分析和3.3節的仿生效果分析，對本文所述的仿海豚哨聲FSK水聲通信算法性能進行綜合分析。在該方法中，碼元寬度為T和調制頻差Δf是兩個重要的參數。當碼元寬度T一定時，增加調制頻差 Δf可以有效降低誤碼率，提高系統的可靠性，但是通信信號的仿生效果會下降。當調制頻差Δf一定時，增加碼元寬度T可以在幾乎不影響通信信號仿生效果的情況下有效降低誤碼率，提高系統的魯棒性，但是系統通信速率會下降。因此，在進行參數選擇時，需要綜合預期的仿生效果、通信系統的速率和可靠性進行合理選擇，優先滿足預期的仿生效果，通過增加碼元寬度T以犧牲通信速率為代價來提高通信系統可靠性。

對比本文所述的仿哨聲FSK水聲通信和文獻[17]所述的仿哨聲FH水聲通信技術可以看出，在通信信號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優于仿哨聲FH水聲通信算法，而仿哨聲FSK水聲通信算法的調制解調過程更為簡單，系統資源消耗更少，因此仿哨聲FSK水聲通信算法更具有實際應用前景。

4 海試試驗驗證

為驗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月在中國山東威海楮島附近海域進行了驗證性試驗。試驗時，發射端位于碼頭，采用一個8～16 kHz寬帶換能器發射信號，其吊放深度約為2 m。接收端位于發射端西北方向，距離發射端大約2 km，接收水聽器深度約為4 m。試驗海域平均水深約為10 m，周圍有航行傳播和水產養殖區。海試試驗所用的信號參數如表4所示，每種參數發射一幀通信信號，每幀通信信號包含6幀合成哨聲。當碼元寬度為0.1 s時，海試接收到的哨聲信號時頻譜如圖7所示。

從圖7可以看出，試驗海域噪聲較強，存在許多脈沖噪聲干擾，影響通信系統頻帶。海試接收信號信噪比并不高，且在8～10 kHz范圍內有較強的能量衰減，該頻段的信號基本淹沒在噪聲中。帶通濾波后，接收信號總體信噪比在1～2 dB。海試試驗的解調結果如表4所示。圖5、圖6顯示，仿真實驗中當信噪比不低于0 dB時，碼元寬度T為0.1 s，調制頻差 Δf不低于50 Hz可以實現誤碼率低于10-5的可靠通信，這一點在表4的海試結果中也得到了驗證。當碼元寬度T為0.05 s時，實現正確解調所需的信噪比較高，海試接收信號的信噪比較低，故而產生些許誤碼。盡管數據量較少，但是海試試驗結果可初步驗證仿海豚哨聲FSK水聲通信算法在真實海洋環境下具有可行性。

圖7 碼元寬度為0.1s時海試接收合成哨聲時頻譜

表4 海試驗證試驗處理結果

綜合仿真實驗和海試試驗不難發現，仿海豚哨聲FSK水聲通信方法實現可靠通信所需信噪比不能低于0 dB，且當信噪比一定時，碼元寬度T對系統的通信性能影響最大。減小碼元寬度T會降低頻率分辨力和信號能量，從而降低通信系統解調性能，此外減小碼元寬度T還會降低通信信號的仿生效果，因此在實際應用時，應在滿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。若需進一步提高系統通信速率，可以考慮利用多載波頻移鍵控等方式提高每個碼元所調制的信息量，或利用哨聲的各次諧波進行信息調制。

5 結束語

針對水下隱蔽聲通信的需求，不同于傳統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，通過模擬海豚哨聲以降低通信信號被截獲識別的概率，以實現隱蔽水聲通信。該仿生通信算法基于海豚哨聲時頻譜輪廓曲線，將信息調制生成的基帶信號以一定比例與哨聲信號時頻譜輪廓曲線相加獲得合成哨聲時頻譜，再基于哨聲信號模型生成合成哨聲，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，經低通濾波獲得FSK信號進行解調以實現仿生通信。最后基于時頻相關系數和Mel倒譜距離分析了通信信號仿生效果。仿真與海試試驗驗證了該方法的可行性，試驗結果表明碼元寬度T和調制頻差Δf為影響系統性能的重要參數，當碼元寬度T為0.1 s，調制頻差Δf ＞50 Hz，信噪比不低于2 dB情況下，該方法可實現可靠通信，且此時通信信號的時頻相關系數超過0.99，仿生效果較好。與仿哨聲FH水聲通信算法對比，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，調制解調過程得到簡化，復雜度與運算量顯著降低，更易于工程實現，為未來仿生通信的實際應用提供技術支撐。

接下來將繼續進行外場試驗，以綜合分析驗證該方法的性能，并進一步研究多元頻移鍵控調制技術在仿生通信中的應用，以提高系統的通信效率。此外，嘗試分析多普勒效應對仿生水聲通信系統的影響，為仿哨聲水聲通信技術在移動通信中的應用做準備。