Pattern時(shí)延差編碼在水聲釋放器中應(yīng)用方法研究＊

王小寧 張國(guó)龍 姜建平

（91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022）

Pattern時(shí)延差編碼在水聲釋放器中應(yīng)用方法研究＊

王小寧 張國(guó)龍 姜建平

（91388部隊(duì)93分隊(duì) 湛江 524022）

水聲釋放器作為水下設(shè)備輔助回收工具，水下工作時(shí)間和工作可靠性嚴(yán)重制約著水聲釋放器使用條件和效能發(fā)揮。論文利用Pattern時(shí)延差編碼技術(shù)的低功耗、低誤碼率、抗多途干擾等特性，將其應(yīng)用于水聲釋放器遙控指令收發(fā)通信系統(tǒng)中。通過Matlab系統(tǒng)仿真研究，證明利用Pattern時(shí)延差編碼方式通信，水聲釋放器實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控，提高抗多途干擾能力，降低通信誤碼率，延長(zhǎng)水下工作時(shí)間。

Pattern時(shí)延差編碼；水聲釋放器；抗多途干擾

Class NumberTN929

1 引言

隨著人們對(duì)海洋認(rèn)識(shí)深入海洋資源開發(fā)利用不斷加強(qiáng)以及海底工程建設(shè)步伐不斷加快，各種各樣的環(huán)境、資源、海底地形等探測(cè)儀器被投放到海底。這些探測(cè)儀器不但價(jià)值昂貴，而且采集到的數(shù)據(jù)具有重要的研究?jī)r(jià)值，因此可靠安全回收就成為人們研究的重要課題。水聲釋放器就成為目前唯一能夠用來回收水下設(shè)備的聲學(xué)裝置，水聲釋放器由水上裝置和水下釋放裝置組成，利用水聲通信發(fā)送遙控指令，水下接收機(jī)收到指令后進(jìn)行解碼和身份識(shí)別后，識(shí)別無誤后執(zhí)行釋放動(dòng)作并發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，水下探測(cè)儀器上浮回收。目前，水聲釋放器作為輔助回收設(shè)備應(yīng)用于海底工程、海洋科考及軍事領(lǐng)域中回收水下儀器，未來海底地位系統(tǒng)、水下通信基站、深海資源探測(cè)都離不開各種信號(hào)的水聲釋放器。

無線遙控及超寬帶通信一般采用脈位編碼（Pulse Position Modulation，PPM），在海洋中，水聲遙測(cè)也采用該方式傳輸信息。PPM調(diào)制電路成熟簡(jiǎn)單，傳輸穩(wěn)定，在速度要求不高的情況下對(duì)信道隨機(jī)不均勻性具有較強(qiáng)的抗干擾能力。Pattern時(shí)延差編碼（Pattern Time Delay Shift Coding，PDS）通信體制也屬于脈位編碼。水聲釋放器在水下工作時(shí)間和工作可靠性是關(guān)鍵問題。Pattern時(shí)延差編碼通信是將數(shù)字信息調(diào)制于Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗的時(shí)延信息中，不同的時(shí)延差值代表不同的信息，碼元占空比數(shù)值小于1，這樣可以有效節(jié)省系統(tǒng)功耗。水聲釋放器在水下工作時(shí)間可能達(dá)到數(shù)月甚至半年之久，同時(shí)它全系統(tǒng)工作依靠電池供電，節(jié)省系統(tǒng)功耗對(duì)水聲釋放器來說是很有價(jià)值的［1］。同時(shí)，Pattern時(shí)延差編碼水聲通信編碼體制將信息編碼技術(shù)與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，具有抗水聲多途干擾能力，PDS通信系統(tǒng)采用碼元的不同波形（Pattern）進(jìn)行碼元分割，采用頻率分割劃分通信頻道，在接收端利用特殊信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠地水聲多途信道通信和數(shù)倍通信速率提高。

2 Pattern時(shí)延差編碼通信原理

2.1 PDS體制編碼原理

Pattern時(shí)延差編碼水聲通信中信息并非調(diào)制在碼元波形中，而是調(diào)制于Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗的時(shí)延差信息中，不同的時(shí)延差值代表不同的信息［3］。如圖1所示為Pattern時(shí)延差編碼一組碼元結(jié)構(gòu)。

圖1 Pattern時(shí)延差編碼碼元結(jié)構(gòu)

圖中τdi（i＝1，2，3）表示延時(shí)差值，其為Pattern碼出現(xiàn)在碼元窗口的位置；TP為Pattern碼脈寬；Tc為編碼時(shí)間；碼元寬度為T0＝TP＋TC；PDS體制的每個(gè)碼元占空比為η＝TP／T0，其數(shù)值小于1。

若每個(gè)碼元攜帶nbit信息，則將編碼時(shí)間均勻分為（2n－1）份，編碼量化間隔為Δτ＝Tc／（2n－1），時(shí)延差τd為

不同的時(shí)延差值τd代表不同的信息。

系統(tǒng)通信速率為

可以看出，編碼時(shí)間Tc和Pattern脈寬Tp一定即碼元寬度T0一定時(shí)，通信速率與每個(gè)碼元攜帶的bit信號(hào)數(shù)有關(guān)，每個(gè)碼元所攜帶的信息量n越大，則通信速率越高，而此時(shí)編碼量化間隔Δτ就越小，這就對(duì)系統(tǒng)時(shí)延估計(jì)精度要求越高［4］。由此可見，延時(shí)估計(jì)的精度越高，則編碼量化層Δτ分得越細(xì)，每個(gè)碼元所攜帶的信息量就越大，通信速率越高。

單頻道Pattern時(shí)延差編碼波形信號(hào)可以表示成如下形式：

式中Pj（t）表示第j號(hào)Pattern碼波形，其脈寬為Tp；（kij＊Δτ）為第（L＊i）＋j＋1號(hào)信息碼元的延時(shí)差值。

2.2 PDS碼體制

Pattern時(shí)延差編碼水聲通信采用Pattern碼作為水下信息通信的信息碼元，其碼元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PSD碼元結(jié)

喚醒碼（Wakening－code）用于喚醒通信系統(tǒng)，使通信系統(tǒng)上電準(zhǔn)備通信工作。只有通信剛開始時(shí)才發(fā)出喚醒碼，后續(xù)通訊時(shí)由同步碼起始。

信道測(cè)試（Channel estimation）用于測(cè)量信道多普勒系數(shù)σ，當(dāng)與活動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，相關(guān)器的參考信號(hào)均須依據(jù)σ實(shí)時(shí)計(jì)算。

同步碼（Synchronous－code）可以給出譯碼窗的時(shí)基并確定最強(qiáng)的途徑到達(dá)時(shí)刻。接收機(jī)利用拷貝相關(guān)器通過峰選測(cè)得同步碼到達(dá)時(shí)刻，相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為譯碼窗同步基準(zhǔn)，該時(shí)刻亦為最強(qiáng)的多途徑到達(dá)時(shí)刻。同步碼采用線性調(diào)頻信號(hào)，它與后面的校正碼應(yīng)有一定時(shí)隙，以減少同步碼的多途信號(hào)對(duì)后面校正碼的影響。

校正碼（Correcting－codes）包括本體制中使用的所有碼型的一串碼，為后面的信息碼提供時(shí)延估計(jì)的參考信號(hào)。校正碼是為修正多途信號(hào)對(duì)譯碼的影響而設(shè)置的，它提供了相關(guān)重置參考波形及譯碼的時(shí)延差修正量。校正碼與信息碼之間應(yīng)有一定時(shí)隙，須保證在信息碼到來之前完成參考波形制表［9］。

信息碼（Information－codes）跟在校正碼的后面，可以有多組信息碼，這取決于海洋信道相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間。每個(gè)頻道的一組信息碼含有碼型數(shù)量應(yīng)與校正碼的碼型種數(shù)一樣，它用碼片出現(xiàn)在碼元窗的時(shí)延差調(diào)制信息。

3 水聲釋放器中PSD通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 水聲釋放器整體結(jié)構(gòu)與功能

水聲釋放器由甲板單元（水上裝置）和水下釋放單元（水下裝置）兩部分組成。水上裝置和水下裝置通過換能器和水聽器利用Pattern時(shí)延差編碼經(jīng)水聲信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和指令傳輸。水上裝置一般放置與工作母船上，換能器與水上裝置連接后吊放于水下。水下裝置經(jīng)電子艙密封后與水下探測(cè)儀器連接，上端掛有浮體、浮球等漂浮物，下端與錨塊、重物連接后投入指定的海域［5］。圖3為水聲釋放器總體結(jié)構(gòu)圖。

圖3 水聲釋放器總體結(jié)構(gòu)圖

式中sl（t）為第l個(gè)頻道的編碼信號(hào)。

由圖3可以看出，水下水聲釋放器可以布放多個(gè)，圖3中共有三個(gè)釋放器，PDS通信系統(tǒng)中通過頻率分割（FDMA）來劃分通信信道，將水聲釋放器通信帶寬等分為N個(gè)子頻道，每個(gè)子頻道對(duì)應(yīng)于一個(gè)通信頻道用于發(fā)送控制指令控制一個(gè)水聲釋放器，每個(gè)頻道的信源編碼、信道編碼工作方式是一樣的［2］。各頻道分別編碼后，各路編碼信號(hào)疊加后由水上設(shè)備經(jīng)換能器發(fā)射出去。多頻道Pattern時(shí)延編碼信號(hào)可表示為如下形式：

3.2 水聲釋放器PDS譯碼

水聲釋放器工作母船內(nèi)水上設(shè)備發(fā)射端采用Pattern時(shí)延差編碼體制，在發(fā)射端利用Pattern碼的時(shí)延差值進(jìn)行時(shí)延編碼，在水下設(shè)備接收端采用時(shí)延估計(jì)及技術(shù)進(jìn)行時(shí)延測(cè)量譯碼。通信信息量受時(shí)延估計(jì)精度制約，精度越高則編碼量化層Δτ分得越細(xì)，碼元攜帶信息量越大。

針對(duì)水聲釋放器布放數(shù)量和多頻道通信，釋放器水下設(shè)備采用多頻道聯(lián)合時(shí)延估計(jì)譯碼方法。譯碼流程如圖4所示。

圖4 多頻道聯(lián)合譯碼流程圖

水聲釋放器水聽器在收到喚醒碼后系統(tǒng)喚醒開始搜索同步碼信號(hào)，測(cè)得同步碼到達(dá)時(shí)刻作為譯碼窗同步基準(zhǔn)，該時(shí)刻為最強(qiáng)多途途徑到達(dá)時(shí)刻［8］。系統(tǒng)在相應(yīng)的時(shí)間窗內(nèi)接收校正碼信號(hào)Pattern存儲(chǔ)后制表。

3.3 水聲釋放器抗多途性能分析

水聲釋放器工作的海洋聲信道由于環(huán)境復(fù)雜存在各種海洋噪聲，同時(shí)海面和海底聲反射以及海洋空間特性不同引起聲折射使得聲信號(hào)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)有著多種傳播途徑，這樣不但對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行能量衰減，而且使得發(fā)射波形發(fā)生畸變［10］。多途擴(kuò)展導(dǎo)致信息載體碼元產(chǎn)生碼間干擾和碼內(nèi)干擾，稱為多途干擾。多途信道的沖激響應(yīng)函數(shù)h（t）為

式中：Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的本征聲線聲壓幅度，τi為聲波沿第i條傳播途徑到達(dá)接收點(diǎn)的本征聲線的相對(duì)時(shí)延，N為通過接收點(diǎn)對(duì)聲場(chǎng)有貢獻(xiàn)的本征聲線的數(shù)目［7］。

水聲釋放器中水聲通信質(zhì)量和控制指令成功傳輸很大程度上由水聲信達(dá)的多途特性決定，必須采取有效措施克服聲傳播過程中產(chǎn)生的多途擴(kuò)展干擾。PDS通信體制本身具有抑制碼間干擾的能力，采用多種不同Pattern碼波形來進(jìn)行碼元分割，利用一組準(zhǔn)正交的Pattern碼作為系統(tǒng)的碼元。另外，PDS體制中選的Pattern碼中任意兩個(gè)碼元之間的相互關(guān)系系數(shù)很小，借助于校正碼，可以減少碼內(nèi)多途干涉對(duì)PDS體制的時(shí)延差測(cè)量精度影響。水聲釋放器利用PDS通信體制，能有效抑制碼間干擾和碼內(nèi)干擾，在占用較窄頻帶內(nèi)保證通信指令正常傳輸擴(kuò)展適應(yīng)海洋多途環(huán)境能力。

4 水聲釋放器通信系統(tǒng)仿真研究

本節(jié)利用Matlab仿真軟件對(duì)水聲信道進(jìn)行建模，采用多途信道沖激相應(yīng)函數(shù)評(píng)估Pattern時(shí)延差編碼通信在水聲釋放器應(yīng)用中抗多途干擾效能。

仿真系統(tǒng)設(shè)置為4頻道控制編號(hào)四個(gè)水聲釋放器（編號(hào)為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），每個(gè)釋放器占用一個(gè)通信頻道，通信頻率為5kHz～13kHz并均分頻帶。水下釋放器接收機(jī)通過拷貝相關(guān)處理檢測(cè)同步碼，通過拷貝相關(guān)處理峰選測(cè)得到達(dá)接收點(diǎn)最強(qiáng)信號(hào)時(shí)刻，以該時(shí)刻為基準(zhǔn)開窗，之后信號(hào)通過各頻帶信道帶通濾波器接收校正碼并存儲(chǔ)。圖5為PDS信息碼原始波形及解碼結(jié)果，由圖可以看出由于具有較弱的互相關(guān)性，Pattern碼不會(huì)產(chǎn)生相鄰碼元的碼間干擾。

圖5 PDS信息碼原始波形及解碼結(jié)果

在常規(guī)海洋水文條件下，對(duì)4頻道PDS水聲釋放器通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，采用多頻道聯(lián)合時(shí)延估計(jì)譯碼，設(shè)設(shè)置接收信噪比SNR＝15dB，水上設(shè)備、水下釋放器深度分別為Z、ZS（m），水平距離為R（km）。四個(gè)水聲釋放器布放與水上設(shè)備四周并處于同一深度［6］。系統(tǒng)誤碼率仿真結(jié)果如表1所示。

表1 4頻道PDS水聲釋放器通信聯(lián)合時(shí)延估計(jì)譯碼誤碼率

通過表1的誤碼率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看到水上設(shè)備與水聲釋放器在15km范圍內(nèi)，可以依靠任意兩個(gè)碼元之間的優(yōu)良相關(guān)特性來克服多途干擾，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)低誤碼率通信，可靠性高。

5 結(jié)語(yǔ)

Pattern時(shí)延差編碼通信體制（PDS）對(duì)通信信道多途及不均勻性有較強(qiáng)地抗干擾能力，本文根據(jù)水聲釋放器高可靠性和環(huán)境適應(yīng)性需求出發(fā)，將低功耗PDS通信編碼體制應(yīng)用于水聲釋放器遙控通信系統(tǒng)，提高了遙控通信系統(tǒng)抗多途通信能力，延長(zhǎng)了水下電池供電工作時(shí)間。通過頻率分割擴(kuò)展通信信道實(shí)現(xiàn)一機(jī)多控、節(jié)省系統(tǒng)資源，為未來可靠、高效回收海洋探測(cè)儀器擴(kuò)展遠(yuǎn)洋深海探測(cè)打下基礎(chǔ)。

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Application of Pattern Time DelayDifferential CodingMethod in the Underwater Acoustic Releaser

WANG Xiaoning ZHANG Guolong JIANG Jianping
（Uni 93，No.91388Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

The underwater acoustic releaser is the auxiliary equipment for retrieve underwater devices.Its working time and ability retricts the usage condition and efficiency of underwater acoustic releaser.Using the features of pattern time delay differential coding，such as low power consumption，lovo bit error rate，it is applied in remote control instruction system of underwater acoustic releaser.The Matlab simulation proves that the usage of pattern time delay differential coding can realize one machine with several controllers of underwater acoustic releaser，improve anti－multi－paty interference ability，decrease low bit error rate and extend underwater working hour.

pattern time delay differential coding，underwater acoustic releaser，anti－multi－path interference

TN929DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.042

2015年4月7日，

2015年5月27日

王小寧，男，工程師，研究方向：水聲信號(hào)處理。