馬旭卓,方爾正
(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱150001;2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150001)
無(wú)線水聲通信是實(shí)現(xiàn)水下綜合信息感知與信息交互的主要手段,其中高速水聲通信技術(shù)由于其高通信速率可傳輸音、視頻文件和高質(zhì)圖像等特點(diǎn),越來(lái)越受到人們的重視,在近幾年更是成為水聲通信的研究熱點(diǎn)。從早期的多頻頻移鍵控調(diào)制[1]到蛟龍?zhí)査曂ㄐ畔到y(tǒng)中選用的正交相移鍵控、8 階相移鍵控調(diào)制方式[2],高速水聲通信從非相干水聲通信向相干水聲通信發(fā)展,通信速率和通信性能得到了改善。
為了進(jìn)一步提高水聲通信速率,同時(shí)兼顧頻帶利用率,蘇軍等[3]將高階幅度相移鍵控調(diào)制方式應(yīng)用在水聲通信系統(tǒng)中,采用幅度和相位聯(lián)合調(diào)制方式,充分利用星座信號(hào)平面,以提高帶寬效率和功率效率,從而節(jié)約信道頻帶資源,使其在仿真條件下得到了良好的通信性能。隨后,殷敬偉等[4]結(jié)合差分調(diào)制技術(shù),實(shí)現(xiàn)差分幅度相移鍵控調(diào)制方式在高速水聲通信中的應(yīng)用,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,節(jié)省了信道資源,在計(jì)算機(jī)仿真和水池試驗(yàn)的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了差分幅度相移鍵控調(diào)制方式的優(yōu)越性能。
矢量水聽器由聲壓水聽器和質(zhì)點(diǎn)振速水聽器復(fù)合而成,可以共點(diǎn)、同步測(cè)量聲場(chǎng)的聲壓標(biāo)量和質(zhì)點(diǎn)振速矢量[5]。在各項(xiàng)同性噪聲聲場(chǎng)中,聯(lián)合處理聲壓和振速信息可以獲得6 dB 空間增益[6-7]。本文在研究矢量信號(hào)處理和差分幅度相移鍵控調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)了基于矢量水聽器的高階差分幅度相移鍵控正交頻分復(fù)用(OFDM)水聲通信系統(tǒng),并根據(jù)實(shí)際水文條件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。
差分幅度相移鍵控是一種差分相干調(diào)制解調(diào)方式,對(duì)幅度和相位信息分別進(jìn)行差分編碼處理,可以有效降低頻率選擇信道起伏包絡(luò)的影響,也可有效抑制水聲信道的多途影響。以16 階差分幅度相移鍵控(16DAPSK)為例,調(diào)制星座圖如圖1 所示[4],r 為內(nèi)圓半徑,R 為外圓半徑,二者滿足關(guān)系R/r =2,調(diào)制信息均勻分布在星座圖中,提高了頻帶利用率;同時(shí)采用差分相干解調(diào)方式,降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度,提高了系統(tǒng)的有效傳輸速率。
圖1 16DAPSK 調(diào)制星座圖Fig.1 Modulation constellation of 16DAPSK
在OFDM 通信系統(tǒng)中,存在時(shí)域差分和頻域差分兩種差分形式,針對(duì)水聲信道緩慢時(shí)變特性,本文差分幅度相移鍵控調(diào)制選擇時(shí)域差分方式,即在相鄰OFDM 符號(hào)間同一子載波的差分方式。首先,對(duì)輸入的四位二進(jìn)制比特流{a0a1a2a3}前三位{a0a1a2}以8 階差分相移鍵控(8DPSK)調(diào)制方式進(jìn)行差分相位調(diào)制編碼,相位比特映射關(guān)系采用Gray碼(如表1 所示),α 為差分調(diào)制前的相位信息,則調(diào)制后相位信息β 為
式中:i 為OFDM 的符號(hào)標(biāo)識(shí);k 為OFDM 的載波標(biāo)識(shí)。
表1 16DAPSK 差分相位映射Tab.1 Differential phase mapping of 16DAPSK
對(duì)第四位比特信息{a3}進(jìn)行差分幅度調(diào)制編碼,若b 表示差分調(diào)制后的幅度信息,λ 為差分幅度系數(shù),則
式中:λi,k、bi,k和bi-1,k三者關(guān)系如表2 所示。
表2 16DAPSK 差分幅度映射Tab.2 Differential amplitude mapping of 16DAPSK
所以,有16DAPSK 的發(fā)送信號(hào)矢量集
通過(guò)水聲信道后,接收信號(hào)矢量集
解調(diào)時(shí),分別對(duì)幅度和相位信息進(jìn)行解調(diào)
使用矢量水聽器的通信系統(tǒng)可以通過(guò)聲壓和振速信息的不同組合形式,形成的指向不同性,從而獲得不同的空間增益[5]。本文的單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統(tǒng)采用的是帶寬利用率高的幅值相位調(diào)制技術(shù),p ×v 的聲壓與振速乘積組合形式會(huì)讓相位信息畸變從而降低系統(tǒng)的通信性能,所以系統(tǒng)選擇聲壓與振速的線性組合方式p+v[8-9].
本文使用的矢量傳感器為二維矢量傳感器,僅考慮接收聲壓信號(hào)p(t)、水平方向振速信號(hào)vx(t)和vy(t),三路信號(hào)可表示為
式中:s(t)為信源信號(hào);h(t)為信道沖擊響應(yīng);符號(hào)?表示卷積。
經(jīng)過(guò)電子旋轉(zhuǎn)后,振速傳感器可以獲得vc組合指向性,即
在各向同性噪聲場(chǎng)中,可認(rèn)為聲壓信道的噪聲與水平振速信道的噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的,且聲壓噪聲功率是振速信道噪聲功率的3 倍,即
對(duì)(12)式進(jìn)行求導(dǎo),可得當(dāng)x =3 時(shí),輸出信噪比最大,為10lg 4≈6.0 dB. 采用p+3vc的線性組合形式可以獲得6.0 dB 的最大空間增益。
單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2 所示。在發(fā)送端,首先對(duì)輸入的二進(jìn)制比特信息進(jìn)行信道編碼和交織編碼,在信道編碼前可對(duì)信源信息進(jìn)行加擾處理,以進(jìn)一步降低峰均比和系統(tǒng)誤碼率;串/并轉(zhuǎn)換后根據(jù)差分幅度相移鍵控調(diào)制的基本原理進(jìn)行高階差分編碼映射;然后經(jīng)過(guò)反快速傅里葉變換(IFFT),將映射后的數(shù)據(jù)序列從頻域表達(dá)變換到時(shí)域上;添加循環(huán)前綴,使得上一符號(hào)的多徑分量不會(huì)干擾到下一符號(hào),同時(shí)保證子載波間的正交性;最后在變換后的串行數(shù)據(jù)序列前添加線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)作為同步信號(hào),以便于接收端的同步檢測(cè)和多普勒估計(jì)與補(bǔ)償。
在接收端,首先對(duì)矢量水聽器接收的三路信號(hào)分別進(jìn)行拷貝相關(guān)同步檢測(cè)、塊多普勒估計(jì)和變采樣補(bǔ)償;然后利用復(fù)聲強(qiáng)器和直方圖估計(jì)算法估計(jì)方位,改變電子旋轉(zhuǎn)振速傳感器的指向性,使得引導(dǎo)方位角等于估計(jì)方位角。同時(shí),對(duì)聲壓和振速信息進(jìn)行線性聯(lián)合處理,已獲的空間增益、提高接收信噪比、降低系統(tǒng)誤碼率。最后,進(jìn)行與發(fā)送端相應(yīng)的逆變換過(guò)程,完成解調(diào)、解碼反映射,獲得經(jīng)水下信道后的二進(jìn)制比特信息流。
圖2 單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of OFDM underwater acoustic communication based on DAPSK using acoustic vector sensor
為了模擬真實(shí)水文條件下的實(shí)驗(yàn)效果,本文根據(jù)某水域一天的聲速梯度分布(見圖3),利用信道仿真軟件,模擬獲得真實(shí)的水聲信道,如圖4所示,設(shè)置收發(fā)節(jié)點(diǎn)吊放深度均為6 m,通信距離為500 m.
圖3 聲速梯度分布圖Fig.3 Distribution diagram of velocity gradient
單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 系統(tǒng)參數(shù)選擇如表3 所示,信道噪聲為帶限白噪聲。利用Matlab 在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真研究,選擇圖片信息為信源信息,比特?cái)?shù)為96 kbit,在10 dB 和15 dB 信噪比下的仿真結(jié)果如圖5 所示。
圖4 模擬實(shí)際信道沖擊響應(yīng)Fig.4 Simulation of underwater acoustic channel
表3 系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 System parameters
圖5 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results
圖5(a)為信源圖片,圖5(b)為在信噪比10 dB下單一處理聲壓信號(hào)的恢復(fù)圖像,數(shù)據(jù)誤比特率為16.36%,圖5(c)為在信噪比10 dB 下線性聯(lián)合處理聲壓和振速通道信號(hào)p +3vc的恢復(fù)圖像,數(shù)據(jù)誤比特率為6.7%;圖5(d)和圖5(e)為在信噪比為15 dB 下的相應(yīng)恢復(fù)圖像,數(shù)據(jù)誤比特率分別為6.16%和0.87%. 從解調(diào)恢復(fù)的圖像中可以看出,在較低信噪比下,單一處理聲壓通道信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確辨識(shí)圖像內(nèi)容,而p+3vc聯(lián)合處理聲壓與振速通道信號(hào)可以辨識(shí)出圖像的大致內(nèi)容;在較高信噪比下,p+3vc線性聯(lián)合處理則能比單一處理聲壓信號(hào)更好地還原圖像,能較為清晰地看出圖像細(xì)節(jié)內(nèi)容。不同信噪比下的統(tǒng)計(jì)誤碼率(BER)曲線比對(duì)如圖6 所示。從上述仿真結(jié)果可以看出,對(duì)矢量水聽器采集的三路信號(hào)進(jìn)行線性聯(lián)合處理,可以獲得空間增益,受環(huán)境噪聲非各向同性、信道復(fù)雜等因素影響,實(shí)際獲得處理增益約為5 dB,略低于理論值,同時(shí)相比于單一處理聲壓通道信號(hào)誤比特率降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖6 不同信噪比下的統(tǒng)計(jì)誤碼率曲線比對(duì)Fig.6 BER versus SNR
為解決差分調(diào)制技術(shù)帶來(lái)的信噪比損失問(wèn)題,提高通信質(zhì)量,基于矢量水聽器和高階差分調(diào)制技術(shù),本文提出了應(yīng)用于OFDM 通信體制中的水聲通信系統(tǒng),較為詳細(xì)地設(shè)計(jì)了該通信系統(tǒng)的流程圖。根據(jù)實(shí)際水域的聲速梯度使用信道仿真軟件建模真實(shí)水聲信道,并通過(guò)Matlab 進(jìn)行圖像高速通信仿真研究,仿真逼近真實(shí)實(shí)驗(yàn)效果,試驗(yàn)結(jié)果可信且有參考價(jià)值,驗(yàn)證了單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。
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