TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7311  ~ 731 7   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.538 4          7311     Re cei v ed  De cem ber 1 7 , 2013; Re vi sed  Jul y  8, 2014;  Acce pted Jul y  29, 201 4   Underwater Acoustic Communication Based on  Hyperbolic Frequency Modulated M-ary Binary  Orthogonal Keying                                                                                                                                Yuan Fei*, Lin Xiao-Yang,  Wei Qian, Cheng En*   Ke y   Lab orator y of Under w a t e r  Acoustic Com m unic a tion a n d ,     Marine Inform a t ion T e chnol og y ( X iam en U n iv er sit y ), Min i str y  of Educatio n, P.R.C  T e l: + 86-059 2- 258 01 43;   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : cheng en@ xmu.edu.cn                                                                                                                             A b st r a ct  In this paper  w e  propose  the HFM-MB OK (H yperbol i c  Frequency  Modu lated-M- a r y Binary   Orthogon al  Ke ying)  mod u lati on tec h n o lo gy  bas ed  on  fre que ncy b a n d s  all o cati on  w h i c h is  suita b l e   for  und erw a ter ac oustic co mmu n icati on. T h is  soluti on h a ve   character i stic of cons tant en velo pe. Un der  the   gui danc e of th e theory, w e  t e st the  pr actic abil i ty of the s ystem thr oug h  MAT L AB simul a tion. T h is sys te m  uses MF SK-M B OK cascad e d  tech nol ogy  and  red u ce d  calcul atio n a m ount s i gn ifica n t ly. F i nally, th e   und erw a ter acoustic co mmu n icati on syste m  w e  pr opos e d  has be en te sted by poo l exper iments. The   exper imenta l  r e sults sh ow  that the  syste m  i s  abl e to  achi e v e a r obust  an d rel i ab le c o mmu n ic ation  un de r   the cond itio ns of low  signal-to - noi s e  ratio an d strong  multi p ath.    Ke y w ords :  un derw a ter acou stic commu n ic ation, HF M spr ead sp ectru m , Dop p ler Effect    Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Shallow  wat e r a c ou stic  cha nnel i s  a  quite com p lex spa c e - time-fre que ncy  varying   cha nnel, the  inherent ch ara c teri stics,  such a s  extensive multi path,  narro w band width,  low  freque ncy an d high ambie n t noise [1]. Acou stic  si gn als propa gat e unde rwater at a speed of  1500m/ s , it i s  mu ch  slo w e r  than  the  sp e ed of   ele c tro m agneti c   wa ve, minor flu c tuation s   of t h e   sea  waves  and  relative  movement  of re ceive r-tra nsmitter will   cau s e  mu ch  larg er Dopp ler  freque ncy shi ft  than  comm on wirel e ss communi catio n .  Besid e s,  multiple refle c tion, refra c ti on of  see surface,  seabed and step gradient structur e of  acoustic velocity   in ocean will cause  extensive mu ltipath in und erwater a c o u s tic  c han nel  and p r od uce  stron g  amplit ude an d pha se   fluctuation  [2]. Therefore,  how to a c hi e v e a  ro b u st a nd reliabl e co mmuni cation  in  complex   a n d   cha nge able unde rwater aco u sti c  ch annel   is a   key pro b l e m  in und erwater  a c o u stic  comm uni cati on are a  whi c h is ne ce ssary to deal with.  People take  a variety of method s to improv e the q uality of unde rwate r  comm unication,  and spre ad spectrum tech nology is a p p lied to unde rwater a c o u sti c  co mmuni ca tion, beca u se  it  has st rong  a n ti-interfe ren c e ability, hig h  co nceal me nt, and  effective anti - multipa t h ch aracte ristic  and  can  achi eve better  pe rforma nce u n der th e condit i on of lo w  sig nal-to - noi se  ratio. Und e rwater   spread  spect r um communications technologi es  incl ude FHSS and DSSS, the former has poor   perfo rman ce  unde r the co ndition of lon g  distan ce  a nd low  sign al -to-n o ise rati o, it needs e x tra   cha nnel  codi ng te chn o log y  to improve  its  perfo rma n ce; th e latte r i s  very  sen s itive to  Dop p ler  frequency shi ft, i t  needs strict synchronization  and complex phase  real -time tracking technol og y  [3].   Face d  with the sho r tage  of tradition al  spr ead  spe c trum, researchers a d vise  applying   Chirp sp rea d  spe c tru m  (CS S ) techn o logy  to  underwate r comm uni cat i on [4].CSS is different fro m   FHSS and  DSSS, it need not  add  pseudo-random  se quence,  but uses fr equency lin earity  cha r a c teri stic of Chirp sig n a l itself. Compare d  to  tradi tional sp rea d  spe c tru m  sig nal, Chirp sig nal  has high  proce s sing  gai n and  inn e r anti-inte rfer ence char ac ter i s t ic s ;  it  als o  makes some  progress in  anti-Doppl er  frequency shift.  These characteri st ics make  Chirp spread  spectrum   techn o logy a pplicable i n  the a r ea  of u nderwate r a c ousti c comm unication, an d rel a ted  stu d ies  have al so b e gun to  enter t he ap plicatio n stag e. HF M  sign al that  commonly u s e d  in a c tive so nar   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  731 1  – 7317   7312 has  also  beg un to attra c t attention re ce nt years [5],  s o me st u d ie s  sho w  t hat   it is more appli c able  than Chi r p sign al in so lving Doppl e r  freque ncy  shift appea red in und e r wate r acou stic  comm uni cati on. HFM sig n a l not only has better correl ation pro perti es than Chirp  signal, but also  has  Dop p ler invarian ce [6], it can improve  the pe rforma nce of underwate r comm uni cati on   s y s t em in greater extent.  Based  on  th e ide a s  of de signi ng  CSS, this  pape r  choo se s  HFM  sig nal a s   m odulatin g   sign al an d d e s ign s  a  ne w  spread  spe c trum te chnol og y which h a s  anti-noi se,  an ti-multipath a nd  anti-Doppl er frequ en cy shif t chara c te risti cs. Compa r e d  to Chirp si gnal, HFM si gnal ha s better  Dop p ler tole rance.      2. HFM Signal and Its Ch arac teris t ics  Analy s is    2.1. HFM Signal  Hyperboli c  F r equ en cy Mo dulated  (HF M )  sign al i s   a commo n  sonar si gnal  [7], it has  better Do ppl er tolera nce than Chi r p si gnal. Espe ci ally in recent  years, HFM  signal be co mes  central i s sue  in und erwate r a c ou stic co mmuni ca tion,  location a n d  anti-sub m ari ne  sona r  are a s  becau se  of it s  Dop p le r inv a rian ce.  Pra c tice h a s  p r ov ed that  tran smitting or receiving  HFM  si gnal  on moving pl atform, it has better dete c tion ca pability than othe r sig nals [8].  HFM  sign al i s  a  non -line a r  freq uen cy  modul atio n  signal that m o dulated  re gul arity for   hyperb o lic fu nction,  su ppo sed  that 1 f is sta r ting frequ en cy,  2 f is en ding  freque ncy,  T  is t he  rang e   of time. If the  freque ncy in crea se s ( 12 f f < ), we  call it up-HF M, conversel y , named do wn-HFM.   A HFM sig nal  can be  writte n as:     () 1 (1 / ) [2 ] 0 ln k t f s tc o s t T k p + =£ £                                            (1)    W h er e HFM-rate k  is :    12 12 ** f f k Tf f - =                                     (2)                              The insta n tan eou s frequ en cy is:    () 1 () 11 21 / i dt ft dt k t f j p == +                                                      (3)    Whe r e  () t j is the pha se, the in stantan eou s frequ en cy also can b e  defi ned a s :    12 11 2 1 2 1 1 11 1 1 1 1 () i ff t kt t f tf T f f f f f T f æö - ÷ ç ÷ =+ = + = - + ç ÷ ç ÷ ç èø                                      (4)    The insta n tan eou s frequ en cy cha nge s with time t in th e form of hyperboli c  in the  rang e of 12 , f f é ù ë û .  Error! Re fere nce  s o urce not  found.   sho w s the time-fre quen cy relati onship of HF M sign al  and Chirp  si gnal.  Error !  Refere nce source not  found. sho w s the  time domai n wavefo rm  and  spe c tru m  dia g ram of HFM sign al, and th e freque ncy i s  from 10 K H z to 20 KHz.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Und e rwate r  Acou stic  Com m unication B a se d on Hy p e rboli c  Frequ ency Mod u lat ed… (Yu an F e i)  7313       Figure 1. Time-fre que ncy  Relatio n ship of HFM  Signal and  Chirp Sign al   Figure 2. Time Domai n  an d Freq uen cy  Domai n  of HFM Signal       2.2. Pulse Compression  Char acteristi c  HFM sig nal  h a s simila r  p u l s e com p ressi on cha r a c teri stic as  Chi r p  sign al,  as  sh own   in   Figure 3.  Just as Chirp   si gnal’ s  p u lse  comp re ss ion   cha r a c teri stic, the mai n  l o be  width  of t h e   output of  HF M sig nal i n   matche d filter is 2/ B , the main   lobe  height i s BT . HFM  sig nal  ca n  repla c e  Chirp  signal to buil d  comm unica tion system , its pulse com p re ssi on characteri stic i s  the  basi c  co nditi on.  Be side s, the  HFM sig n a l  comp are d  to  the chi r p signal ha s  the   anti-noi se,  a nd  the anti-multi path ch ara c te ristic s an d be tter Doppl er t o lera nce.      Figure 3. Output Wavefo rm in Matche d  Filter      2.3. Doppler  In v a riance  We a s sum e  that HFM  sign al o c curs Doppl er freque ncy  shif t durin g tran smissio n .  Similarly, sup posi ng that th e rel a tive sp e ed of receiver is v , acou stic  speed i s c , so th e Do pple r   factor can  be expre s sed  a s :    1/ vc D= +                                                                 (5)    The insta n tan eou s frequ en cy of HFM sig nal is re written as:     () 1 () 1 21 / r r dt ft dt k t f j p D == D+                                       (6)      0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 15 20 I n s t ant aneous  f r equ enc y  of  H F M Ti m e / m s F r e quenc y / K H z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 15 20 I n s t ant aneous  f r eq uenc y   of  C h i r p Ti m e / m s F r equenc y / K H z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 -0. 5 0 0. 5 1 T i me  d o ma i n  o f  H F M s i g n a l Ti m e / m s A m plit ude 0 0. 5 1 1. 5 2 2. 5 3 3. 5 4 4. 5 0 20 40 60 80 f r eq uenc y  s p ec t r um  of   H F M  s i gnal F r eque nc y / K H z Am p l i t u d e -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -4 00 -3 00 -2 00 -1 00 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 m a t c hed  f i l t er Ti m e / m s A m p l i t ude Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  731 1  – 7317   7314 Whe r e the ph ase i s :    () 1 (1 / ) 2 r ln k t f t k j p D+ =                                                  (7)    We set time delay as :     1 t fk D D= - ´´ D                                                  (8)    From  (3) we can  g e t:     () () ri f tt f t -D =                                                   (9)    The above st ates that afte r occurri ng frequency shift, HFM  signal  exists a time  delay t D   whi c h ma ke s signal s afte r occu rri ng f r equ en cy shi ft matched  with ori g inal  signal s, this is  Dop p ler inva riance of HFM  signal.       3. MFSK-M BOK commun i cations sy st em archite c ture   The main ide a  of MFSK-MBOK is combi n ing mod u lati on and dem o dulation meth od with  multiple BO K demodul ation. Re ceive r  use d  MFS K  to select  different freque ncy ba nds.  Comp ared wi th MFSK-MCrSK(Multiple  freque ncy  shi ft keying-mult iple chi r p -rat e  shift keyin g ),   MFSK-MBOK  use d  FFT a n d  match ed filter to dem odu lation. And th e limitation of  MFSK-MCrSK  system i s  tha t  the struct ure of  demod ul ation is q u ite compli cate d  and the  comp utation incre a s e s   rapidly alo ng  with increa sin g  the value of M.  The follo wing  is the exam p l e of 4FSK- 4 B OK modulat ion an d dem o dulation  syst em ， the  block dia g ra m of the sy stem is shown as      Figure 4.          Figure 4. Block  Diag ram o f  4FSK-4BOK Commu nication System       We  sup p o s ed  that the ban d w idth of the  comm uni catio n  system  ra n ge from  10 K H z to  20   KHz,  and  the  ban dwi d th  will be  divided   into four  sub - band s  of MF SK (10 k -12.5 k Hz ； 12 .5 k- 15 k   Hz ； 15 k-1 7 . 5 k Hz ， 1 7 .5k-20k  Hz). An d  each  sub - ba nd will  be  m odulate d  in  HFM - 4BOK.  And   the symbol ti me is 10m s,  and ea ch  symbol carriers   4bits info rmat ion, so the tra n smi ssi on rate of  the syste m  is 400b ps. Fi g u re 5   shows t hat the relati onship b e twe en sym bol m appin g  an d time- freque ncy di agra m   of HF M.  Error!  Re ference s o urc e  not  found.   sho w s an  ex ample  of sy mbo l   mappin g .    Se le ct or Ch an n e l da ta HF M  4B O K Ma tc he d  fi lt er s  gr ou p  1 S/ P HF M  4B O K Ma tc he d  fi lt er s  gr ou p  2 HF M  4B O K Ma tc he d  fi lt er s  gr ou p  3 HF M  4B O K Ma tc he d  fi lt er s  gr ou p  4 S/ P HF M  1 HF M  2 HF M  3 HF M  16 .. . FF T Hi gh  b it s Jud gm en t  Jud gm en t  Jud gm en t  Ju dg me nt   Lo w  bi ts Da ta  bu ff er Da ta Se le ct or Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Und e rwate r  Acou stic  Com m unication B a se d on Hyp e rboli c  Frequ ency Mod u lat e d… (Yu an F e i)  7315   Figure 5. Symbol Map p in g  Figure 6. An Example of Symbol Mappi ng       As the  sche m e  we p r op ose d  ha s i n   com m on  with MF SK, receive r   can  jud g e  wh ich  su b- band t he  re ceive data l o cated by u s in g  FFT p r o c e ssing  similar to  MFSK. Base d on th e lo cat i on   of sub-ban d, receiver  can  demod ul ate the high bits o f  the symbol . Next, we use matc hed filters   grou p to  p r o c essing  the  re ceive  data  in  orde r to  g e t the lo w bits.  F i gure  7 s h o ws the F FT  dom ain  of four su b-b and HF M sig nals.   High  bits of  symb ol d e termin e  whi c h mat c he d fi lters group  i s   sele cted.  And e a ch   matche d filters gro up is e q u ivalent to the demod ul ati on blo ck of si ngle carrier  HFM - 4BOK that  contai ns four parallel m a tch f ilters.  We can  demo dulate l o w  bi ts informatio n by ju dging  the   positio n of co rrel a tion pe ak.        Figure 7. Fre quen cy Dom a in of each HFM Signal       4. Experimental Verifica tion  Multipath effect is the most  severe imp a c t on the co mmuni cation  system in the  shallo w  water a c ou sti c   chan nel,  so the e n viron m ent of  n on-ane choi c p o o l  can  si mulat e  the m u ltipa t h   effect in the ocea n ch ann el .  The mod e l o f  the pool is sho w n a s   Error! Re ferenc e  sour ce not  found. . In the figure,   point S is the sen der  Hydrop hon e, an d point R is  t he re ceiv e r .  We s e le ct  t h e chir p sig n a l  t o   prob e  chan n e l of the p ool , the re sult is sho w n  as  Error!  Refere nc e source not found. . From t h e  figure, we ca n see that the  second p a th’ s  ene rgy is   cl ose to the ma in path and th e delay is qui te  sho r t. So the experim ent can verify anti- multipath feature of  the HF M system.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  731 1  – 7317   7316      Figure 8. Model of Non - an ech o ic Pool             Figure 9. Impulse  Re spo n se of Pool  Fi gure 10. Co ntrast b e twee n Sending  Da ta  and Receiving      Error!  Refer e n ce source not found. sho w s the wave o f  sende r sign al and the re ceiver  sign al. From  the comp ari s on with send er data an d  receive r  data, we can find n o ise of the p ool  has little effe ct on the  syst em. We  sele cted the  64*6 4  Len a 8-bit grayscal e a s   the so urce, a nd  the amou nt o f  bits is 32 76 8. Details  of the expe rimen t  are sho w n i n   Error! Refe rence source  not  fou nd. .      Table 1   Sy st e m  B T   C o mm un i c a t io n  rate     BER  -10dB  -15dB   -20dB   4FSK-4B OK  6.25  400bps  < 10    3.05 1 0    6.62 1 0        The 4FSK-4 B OK system  can g e t error-free tr a n smi ssi on when t he sig nal-to - noise ratio   is 10dB. Whe n  the sign al-t o-noi se  ratio i s  -15 D b, the  BER is less than 3 3. 0 5 10 - ´       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Und e rwate r  Acou stic  Com m unication B a se d on Hyp e rboli c  Frequ ency Mod u lat e d… (Yu an F e i)  7317   (a)-10 dB     (b) -15dB     (c ) -20 d B     Figure 11. Re ceiving Imag e      5. Conclusio n   In this pape r we propo se  the HFM B O K unde rwater a c ou stic  comm uni c ati on. The  scheme h a ve  characte ri stic of co n s tant  envelop e. The pool test s re sult s sh ow t h at the syste m  is   able to  achie v e a robu st a nd reliabl e  co mmuni ca tion  unde r the  co ndition s of lo w  sign al-to-n o ise   ratio and  stro ng multipath.   In the future , in ord e r to  increa se th e data  rate,  we pl an to  com b ine th e pha se   modulatio n a nd the  ch an nel e s timatio n . And n e xt, we  will  do  experi ment s in the  oce a n   environ ment  with moving p l atform in ord e r to ve rify the robu stne ss of the sch em e we propo se d.      Ackn o w l e dg ements   This  wo rk was  su ppo rte d  by the F undam ental  Re sea r ch Fu nds for th e  Cent ral   Universitie s  (2011 1210 50 ) and the National Natu ral  Scien c e Fou ndation of China (6 1001 1 42,  6107 1150 ).       Referen ces   [1]  Chitre, Man dar , Shiraz Shah abu de en, Milic a St ojan ov ic. Und e r w ater ac oustic commu nicati ons an d   net w o rk ing: Re cent adva n ces  and future ch alle ng es .  Marin e  techno logy s o ciety jour na l.  200 8;  42(1):   103-1 16.   [2]  Chitre, Man dar , Shiraz Shah abu de en, Milic a St ojan ovic. Und e r w ater ac oustic commu nicati ons an d   net w o rk ing: Re cent adva n ces  and future ch alle ng es.  Marin e  techno logy s o ciety jour na l . 200 8;  42(1):   103-1 16.   [3]  Lou bet, Gerard, V i ttorio Cap e lla no, Rich ar d Filipiak.  Und e rw ater sprea d  spectrum co mmu n icati ons .  OCEANS'97. MT S /IEEE Conference  Proc ee din g s. IEEE. 1 997; 1.   [4]  Palmese, M.,  et al. " Sprea d  spectru m  mo dul ation for a c oustic co mmunic a tion i n  s hall o w  w a ter   chan nel . OCE A NS 200 7-Eur ope. IEEE. 200 7.  [5]  GREEN, Maurice D.  High R a n ge Rate Si gn ali n g . W I PO  Pate nt No. 200 505 544 2. 17 Jun.  200 5.  [6]  Z H ANG ,  Xue-s en, F an-hui K O NG , Hai-hon g F E NG . F r equenc y   of fset estimation an d s y nc hro n izati o n  of under w a t e r  acoustic communicati on  w i t h  h y per bol i c  frequenc y   modu latio n  signa l.  T e chnic a l   Acoustics . 201 0; 2: 024.  [7]  Cole, Ber nard ,  et al. Cohe rent bottom reve rb eratio n: Mode lin g an d  comparis ons   w i th at-s e a   measur ements . " T he  Journal of  the  Acoustic a l Soci ety of  Amer ica.  20 04; 1 16: 198 5.   [8]  Lin, Z h e nbi ao.  W i deba nd  a m big u it y  fu ncti on of bro a d b a nd sig n a l s.  T he Jour nal  of the  Acoustica l   Society of  A m erica . 198 8; 83: 210 8.  [9]  Z H ANG  Xu eS en, KO NG  F anHui, F E NG  HaiH on g. Achi eved  w i t h  HF M Signa l F r eq uenc y O ffset   Estimation of  Under w a ter  Acoustic Com m unic a tion a n d  S y nc hro n iza t ion.  Journ a l of  T e chnica l   Acoustics.  201 0; 29(2): 21 0-2 13.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.