王大宇，王志欣，張光普

1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081 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(lái)，水聲通信技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，對(duì)非合作水下通信信號(hào)的偵測(cè)已成為通信偵察領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1?3]。水聲通信信號(hào)檢測(cè)作為水聲通信信號(hào)偵測(cè)的基礎(chǔ)，受水聲信道環(huán)境噪聲影響，信號(hào)接收信噪比往往較低，導(dǎo)致信號(hào)檢測(cè)概率低。如何實(shí)現(xiàn)低信噪比下水聲通信信號(hào)的高概率檢測(cè)，是本文研究的重點(diǎn)。

譜減法[4]以其計(jì)算簡(jiǎn)單、運(yùn)算量小、便于實(shí)時(shí)處理等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域，是最常用的語(yǔ)音減噪方法。該算法利用語(yǔ)音與噪聲不相關(guān)的特性，估計(jì)并消減噪聲頻譜，以增強(qiáng)語(yǔ)音信號(hào)。譜減法技術(shù)應(yīng)用于水聲通信信號(hào)檢測(cè)，可抑制水聲信道強(qiáng)背景噪聲干擾，有效提高信號(hào)接收信噪比。

雙滑窗檢測(cè)法[5?6]是一種建立在時(shí)域上的突發(fā)信號(hào)檢測(cè)算法，其判決門限只與信號(hào)接收信噪比有關(guān)，避免了信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中信道增益的影響。但該算法要實(shí)現(xiàn)較低的檢測(cè)誤差，需要較高的接收信噪比。

本文結(jié)合改進(jìn)的譜減算法和雙滑窗檢測(cè)技術(shù)提出了一種水聲通信信號(hào)檢測(cè)方法。該方法能有效抑制水聲信道強(qiáng)背景噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)水聲通信信號(hào)的高概率檢測(cè)，并且仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。

1 多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法

傳統(tǒng)譜減法采用周期圖法進(jìn)行譜估計(jì)，具有一定估計(jì)誤差，使得消噪后的語(yǔ)音存在一定的“音樂(lè)噪聲”，效果并不理想。1982 年Thomson[7]提出的多窗譜(multitaper spectrum)估計(jì)是一種比周期圖法更準(zhǔn)確的譜估計(jì)方法，該方法通過(guò)多個(gè)正交的數(shù)據(jù)窗分別對(duì)接收信號(hào)求直接譜，然后對(duì)獲得的直接譜求平均以得到較小的估計(jì)方差。其定義如下：

式 中：L為 窗 個(gè) 數(shù)； Xmt為 第 k個(gè) 信 號(hào) 窗 的 譜；(ω)為

式中： x(n)為 信號(hào)序列； N 為信號(hào)長(zhǎng)度； ak(n)為第k個(gè)數(shù)據(jù)窗函數(shù)，數(shù)據(jù)窗(Slepian 窗)是一組相互正交的離散橢球序列：

多窗譜估計(jì)的譜減法是傳統(tǒng)譜減法的一種改進(jìn)算法，在一定程度上解決了傳統(tǒng)譜減算法“音樂(lè)噪聲”大的問(wèn)題[8]。其具體步驟如下：

1)設(shè)信號(hào)的時(shí)間序列為 x(n)，加窗分幀處理后得到第 i幀 信號(hào)為 xi(m)，相鄰幀之間有重疊，幀長(zhǎng)為 N。

2)對(duì)分幀處理后的信號(hào)進(jìn)行 FFT變換，分別求其幅度譜|Xi(k)|和相位譜θi(k)，并在相鄰幀之間做平滑處理，得到平均幅度譜

以i幀為中心，前后各取K幀，共有 2K+1幀進(jìn)行平均。

3)對(duì) xi(m)進(jìn)行多窗譜估計(jì)，得到其功率譜密度 P(k,i)。 其中 i表 示第 i幀 ； k 表 示第 k條譜線。

4)對(duì)獲得的 P(k,i)在相鄰幀之間進(jìn)行平滑處理，得到平滑功率譜密度 Py(k,i)：

以i幀為中心，前后各取K幀，共有 2K+1幀進(jìn)行平均。

5)已知前序噪聲有M幀，可以得到噪聲的平均功率譜密度值 Pn(k)：

式中： α為過(guò)減因子；β為增益補(bǔ)償因子。

圖1 所示為多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法處理流程。

圖1 多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法處理流程

為驗(yàn)證多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法效果，將該算法與傳統(tǒng)譜減法進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。具體的仿真參數(shù)如下：采樣率為96 kHz；所使用水聲通信信號(hào)調(diào)制方式為QPSK；符號(hào)速率為4 000 sps；信號(hào)持續(xù)時(shí)間1 s；噪聲為高斯白噪聲；信噪比為?5 dB。

圖2 改進(jìn)譜減法與傳統(tǒng)譜減法效果對(duì)比

仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)譜減法減噪后信噪比為8.0 dB，信噪比提高了13 dB；改進(jìn)譜減法減噪后信噪比為21.49 dB，信噪比提高了26.49 dB?？梢钥闯?，改進(jìn)譜減法較傳統(tǒng)譜減法具有更好的減噪效果，能獲得更高的信噪比提升。

圖4 雙滑窗檢測(cè)流程

2 雙滑窗檢測(cè)技術(shù)

雙滑窗檢測(cè)算法的基本原理是通過(guò)計(jì)算設(shè)置的2 個(gè)連續(xù)滑動(dòng)窗口中的能量，計(jì)算2 個(gè)窗口的能量比值，得到檢測(cè)的判決門限，進(jìn)而獲得信號(hào)的起止時(shí)刻，完成信號(hào)檢測(cè)[9]。其原理框圖如圖3所示。

圖3 雙滑窗檢測(cè)原理

通過(guò)逐點(diǎn)移位分析前后2 個(gè)窗內(nèi)能量的差異，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)信號(hào)的搜索，記錄檢測(cè)到的每個(gè)信號(hào)的起始時(shí)刻、終止時(shí)刻及信號(hào)個(gè)數(shù)。圖4 所示為雙滑窗檢測(cè)流程圖。

假設(shè)接收信號(hào)的時(shí)間序列為 r(n)， 則窗口 A、B的總能量以及判決變量 Mn分別為

式中 L為 窗口 A、 B的 窗長(zhǎng)。將判決變量 Mn作為檢測(cè)函數(shù)，采用判決門限進(jìn)行 Mn峰值檢測(cè)，以得到信號(hào)的起止時(shí)刻。在 Mn最大值位置處， a(n)等于信號(hào)和噪聲的總能量， b(n)等于噪聲的能量，因此Mn最大值點(diǎn)處的值為

可見(jiàn)，雙滑窗檢測(cè)其判決門限只與信號(hào)接收信噪比有關(guān)，避免了信號(hào)檢測(cè)過(guò)程中信道增益的影響。

3 基于改進(jìn)譜減算法的水聲通信信號(hào)檢測(cè)

針對(duì)傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)需要較高信噪比的需求，而水聲信道環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，信號(hào)接收信噪比往往較低，導(dǎo)致傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)概率低的問(wèn)題，我們將多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法和雙滑窗檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，提出了一種水聲通信信號(hào)檢測(cè)算法。算法克服了傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)在低信噪比情況下檢測(cè)概率低、負(fù)信噪比情況下無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題，在水聲信道強(qiáng)干擾噪聲條件下，仍可實(shí)現(xiàn)高概率、高準(zhǔn)確率檢測(cè)。

基于改進(jìn)譜減算法的水聲通信信號(hào)檢測(cè)方法流程如圖5 所示。其具體步驟如下：

圖5 基于改進(jìn)譜減算法的水聲通信信號(hào)檢測(cè)流程

1)對(duì)采集的水聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括去直流、歸一化、帶通濾波，得到濾波后的時(shí)域信號(hào)；

2)對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行多窗譜估計(jì)的改進(jìn)譜減法處理，得到減噪、增強(qiáng)后的水聲信號(hào)；

3)對(duì)增強(qiáng)后的水聲信號(hào)進(jìn)行雙滑窗檢測(cè)，獲取數(shù)據(jù)中信號(hào)個(gè)數(shù)和對(duì)應(yīng)的信號(hào)起止時(shí)間，完成信號(hào)檢測(cè)。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證算法在水聲背景環(huán)境噪聲下通信信號(hào)檢測(cè)能力，首先對(duì)海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行了模擬仿真；然后在模擬的海洋環(huán)境噪聲條件下，仿真研究了水聲通信信號(hào)分別在接收信噪比為?5、?10 dB情況下信號(hào)的檢測(cè)效果，并與傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)進(jìn)行了對(duì)比。具體仿真參數(shù)如下：采樣率為96 kHz，信號(hào)調(diào)制方式為QPSK、2FSK，符號(hào)速率分別為4 000、500 sps，信號(hào)持續(xù)時(shí)間分別為1、0.5 s，噪聲為模擬的海洋環(huán)境噪聲。

海洋環(huán)境噪聲的特點(diǎn)是在不同的頻率處有不同的譜級(jí)響應(yīng)，是多種源的綜合效應(yīng)，其中潮汐、波浪、海洋湍流、行船等產(chǎn)生的環(huán)境噪聲均集中在低頻部分，因此，海洋環(huán)境噪聲在低頻部分噪聲源級(jí)較高，高頻部分源級(jí)較低[10?11]。圖6 所示為仿真的海洋環(huán)境噪聲及其噪聲譜，其噪聲譜級(jí)相當(dāng)于3 級(jí)海況。

圖6 海洋環(huán)境噪聲及噪聲譜

圖7、8 所示分別為接收信噪比為?5、?10 dB情況下信號(hào)檢測(cè)結(jié)果。其中QPSK 調(diào)制信號(hào)處于0.5～1.5 s，持續(xù)時(shí)間1 s，2FSK 信號(hào)處于2～2.5 s，持續(xù)時(shí)間0.5 s。

由于信號(hào)接收信噪比分別為?5、?10 dB，均為負(fù)信噪比，直接經(jīng)雙滑窗檢測(cè)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)提取。經(jīng)改進(jìn)譜減法降噪后，?5 dB 情況下，QPSK 調(diào)制信號(hào)接收信噪比為23.94 dB，2FSK 調(diào)制信號(hào)接收信噪比為25.31 dB，雙滑窗檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為QPSK 調(diào)制信號(hào)起止時(shí)間分別為0.494、1.501 s，2FSK 調(diào)制信號(hào)起止時(shí)間分別為1.992、2.513 s；?10 dB 情況下，QPSK調(diào)制信號(hào)接收信噪比為15.09 dB，2FSK 調(diào)制信號(hào)接收信噪比為19.85 dB，雙滑窗檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為QPSK 調(diào)制信號(hào)起止時(shí)間分別為0.498 1.501 s，2FSK 調(diào)制信號(hào)起止時(shí)間分別為1.999、2.511 s。

圖7 ?5 dB 情況下信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

圖8 ?10 dB 情況下信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)在保證檢測(cè)概率的需求下，需要較高信噪比支撐，而水聲信號(hào)環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，接收到的水聲通信信號(hào)信噪比往往較低，無(wú)法滿足傳統(tǒng)雙滑窗檢測(cè)的需求。通過(guò)借鑒語(yǔ)音信號(hào)處理中所使用的語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)，將語(yǔ)音信號(hào)減噪中常用的譜減法與雙滑窗檢測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水聲信道強(qiáng)背景噪聲干擾條件下，水聲通信信號(hào)的高概率檢測(cè)，并對(duì)該算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

1)仿真結(jié)果表明，在接收信噪比為?10 dB 的情況下，仍可實(shí)現(xiàn)水聲通信信號(hào)的正確檢測(cè)，驗(yàn)證了算法的有效性。

2)本文所提的水聲通信信號(hào)檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)負(fù)信噪比下水聲通信信號(hào)的檢測(cè)，且算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量少，便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

后續(xù)需經(jīng)過(guò)湖試、海試進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化算法性能，使其能夠應(yīng)用于水聲通信信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。