水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的傳輸誤碼率研究

蔡曉冬，宗 振，劉玉良

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的傳輸誤碼率研究

蔡曉冬1,2，宗 振1,2，劉玉良1,2

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022）

擴(kuò)頻通信技術(shù)具有較好的抗干擾和抗多徑的能力，而水聲通信信道具有噪聲干擾大、多徑效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，因此擴(kuò)頻通信技術(shù)在水聲通信中占有非常重要的地位。本文首先分析水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中不同類型噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，以及特定類型噪聲影響下，采用不同擴(kuò)頻碼速率對(duì)系統(tǒng)性能的影響；然后用MATLAB仿真工具，對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。最后得出的結(jié)論為：在各類水聲信道下，用擴(kuò)頻通信系統(tǒng)傳輸信號(hào)，采用不同的擴(kuò)頻碼速率將會(huì)對(duì)通信性能產(chǎn)生不同的影響。

擴(kuò)頻通信；噪聲類型；擴(kuò)頻碼速率；誤碼率

擴(kuò)頻技術(shù)具有抗多徑能力強(qiáng)、噪聲容限大等天然優(yōu)勢(shì)，在蜂窩通信、網(wǎng)絡(luò)通信、藍(lán)牙通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在水下通信環(huán)境，有信道不穩(wěn)定、能耗大、多徑干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)，通信效果面臨諸多挑戰(zhàn)。在水聲通信中擴(kuò)頻技術(shù)的重要性就顯得更加突出，甚至扮演著不可替代的角色[1]。

擴(kuò)頻技術(shù)之所以具有超強(qiáng)的抗干擾能力，是由于相關(guān)解擴(kuò)時(shí)信息功率譜被集中而噪聲功率譜被展寬和濾波截取。在水聲信道中，噪聲源很多，研究不同類型噪聲的特點(diǎn)具有重要意義。在通信信道中高斯噪聲比較常見(jiàn)，但在水聲信道中除高斯噪聲外，船舶螺旋漿、海洋生物、海上風(fēng)浪發(fā)出的窄帶噪聲也很普遍。這些不同類型的窄帶噪聲，對(duì)通信造成很復(fù)雜的影響。因此，本文研究水聲通信中不同類型噪聲對(duì)水聲擴(kuò)頻通信的影響，主要研究噪聲頻率、擴(kuò)頻碼速率、誤碼率三者的關(guān)系，為水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)得出的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

1 擴(kuò)頻通信原理及技術(shù)指標(biāo)

1.1 擴(kuò)頻通信原理

擴(kuò)頻通信的主要特點(diǎn)是，擴(kuò)頻后信號(hào)帶寬遠(yuǎn)大于擴(kuò)頻前的信號(hào)帶寬，而且擴(kuò)頻增益即帶寬擴(kuò)大的倍數(shù)不受信息碼有效帶寬的影響。擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)是香農(nóng)定理[5]：

式中C為信道中信號(hào)的平均功率，N為信道中噪聲的平均功率，W為傳輸信號(hào)的帶寬，C為信道容量即最大信息傳輸速率[1]。由式（1）知，在噪聲功率N一定的前提下，要得到較大的信息傳輸速率C一般有兩種方法：一是加大信號(hào)功率，二是加大信號(hào)帶寬。加大信號(hào)功率意味著增加設(shè)備成本，還有可能造成對(duì)臨近信道干擾加劇，實(shí)際中該方法效果有限。因此，可重點(diǎn)考慮增加信號(hào)帶寬的擴(kuò)頻方法。

擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常采取偽隨機(jī)碼對(duì)基帶信號(hào)編碼[6]。一個(gè)信號(hào)時(shí)域變化越快則頻譜越寬，因此要求偽隨機(jī)碼的碼速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始的信息碼速率，為防止被破獲還要求偽隨機(jī)碼擁有較好的碼平衡性。偽隨機(jī)碼不是真正的隨機(jī)碼，有一定的規(guī)則，使接收端可以利用相同的偽隨機(jī)碼來(lái)解擴(kuò)。這樣，在原來(lái)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上加上擴(kuò)頻過(guò)程和解擴(kuò)過(guò)程，就實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻通信。圖1為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of a direct sequence spread spectrum system

1.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.2.1 信號(hào)擴(kuò)頻增益

Gp是輸出端與輸入端信噪比的比值，如式（2），通常以及分貝dB為單位。

式中（S/N）O為輸出端信噪比，（S/N）i為輸入端信噪比，RS是偽隨機(jī)碼的碼速率，Rd是基帶信息碼的碼速率。根據(jù)式（2）可知，偽隨機(jī)碼速率和基帶信號(hào)碼速率比值越大，則增益擴(kuò)頻增益Gp越高[2]。

1.2.2 干擾容限

為保證系統(tǒng)在有干擾信號(hào)出現(xiàn)時(shí)依舊能夠正常工作，通常需要通信系統(tǒng)能夠抑制住一定范圍內(nèi)的干擾信號(hào)，這種能力用干擾容限來(lái)表達(dá)。下式為干擾容限的表達(dá)式，式中LS為接收端損耗，（S/N）為接收端的最小信噪比。式（3）表達(dá)了在保證輸入端信噪比不降低的情況下，系統(tǒng)可以抵制的干擾[3]。

2 噪聲影響擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理

本文的水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式。假設(shè)基帶信號(hào)的碼速率固定，根據(jù)擴(kuò)頻增益的公式（2）擴(kuò)頻碼速率越高，系統(tǒng)增益也越高。但是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，由于使用BPSK調(diào)制方式，因此基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后帶寬不宜過(guò)大。否則會(huì)信號(hào)會(huì)在BPSK調(diào)制時(shí)產(chǎn)生頻帶重疊，而致使發(fā)送信號(hào)嚴(yán)重失真。在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)誤差將會(huì)隨擴(kuò)頻碼速率RS的增大而增大。

在水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)中，聲信號(hào)隨著頻率增加衰減非?？?，所以水聲信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過(guò)100 kHz。若水聲擴(kuò)頻系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)的頻率為51 kHz，則原信號(hào)的雙邊帶帶寬不得大于102 kHz，即擴(kuò)頻碼速率不得大于51 kHz。也就是說(shuō)擴(kuò)頻碼速率在0～51 kHz之間存在一最佳速率，使得系統(tǒng)傳輸誤碼率最低。

擴(kuò)頻通信的性能跟噪聲類型也有關(guān)，對(duì)于低頻干擾，擴(kuò)頻碼速率不用太高就可以將噪聲信號(hào)擴(kuò)頻，而對(duì)于高頻干擾，如果碼速率不夠高會(huì)使PN碼無(wú)法對(duì)噪聲進(jìn)行擴(kuò)頻，從而無(wú)法達(dá)到到降噪的作用。

根據(jù)上述分析，我們?cè)诤罄m(xù)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真中，選取51 kHz的調(diào)制信號(hào)作為載波，分別取擴(kuò)頻系統(tǒng)PN碼速率為2.55 kHz、5.1 kHz、25.5 kHz和51 kHz。

3 SIMULINK仿真平臺(tái)的構(gòu)建

3.1 仿真結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置

本文的水聲擴(kuò)頻仿真系統(tǒng)，在MATLAB的SIMULINK環(huán)境下創(chuàng)建，如圖2所示。仿真系統(tǒng)采用BPSK調(diào)制方式，由擴(kuò)頻、調(diào)制、信道、解擴(kuò)、解調(diào)、采樣輸出6個(gè)模塊組成。其中基帶信號(hào)速率是1 kbps，偽隨機(jī)碼速率可調(diào)，載波頻率為51 kbps。圖3為信道模塊，即為圖2中的channel path模塊，此處將高斯白噪聲的信噪比設(shè)置為10 dB。為了模擬一個(gè)環(huán)境噪聲高、信道帶寬窄、傳播損失大、多途效應(yīng)嚴(yán)重的復(fù)雜水聲信道，在仿真中用隨機(jī)數(shù)字信號(hào)模擬高斯噪聲和多徑效應(yīng)影響，用正弦信號(hào)模擬水聲環(huán)境中突出的窄帶干擾。這樣就大致模擬出了水聲信道的相關(guān)特性，且可以調(diào)整窄帶干擾信號(hào)，得到不同類型的噪聲信道。

圖2 水聲直擴(kuò)通信系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of underwater acoustic DSSS

圖3 水聲信道仿真模型Fig.3 Simulation model of underwater acoustic channel

3.2 仿真結(jié)果

設(shè)仿真系統(tǒng)的信噪比為0 dB、擴(kuò)頻碼速率為51 kHz，得到仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。圖4-A為基帶信號(hào)頻譜圖，4-B為基帶信號(hào)擴(kuò)頻后的信號(hào)頻譜圖，4-C為信號(hào)經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制后的頻譜圖，4-D為調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶干擾信道后的頻譜圖。

比較圖4-A、4-B可以看出，基帶信息經(jīng)過(guò)PN碼擴(kuò)頻后，頻帶加寬了50倍左右，跟應(yīng)用公式（2）算出來(lái)的基本一致。對(duì)比圖4-B、4-C發(fā)現(xiàn)，信號(hào)在完成BPSK調(diào)制后，頻帶被搬移到中心頻率為51 kHZ的位置。觀察圖4-C、4-D發(fā)現(xiàn)，4-C中的頻率譜圖明顯比4-D中圖像更規(guī)整，因?yàn)?-D圖含有另外加入的干擾噪聲。信號(hào)通過(guò)信道傳輸?shù)浇邮斩撕?，分別對(duì)其進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)，還原得到原始信號(hào)。其中解調(diào)過(guò)程由兩次濾波完成。信號(hào)經(jīng)過(guò)第一個(gè)帶通濾波器后得到的頻譜如圖5所示，頻譜只有在5 kHz附近出現(xiàn)峰值。將所得信號(hào)與同為5 kHz的信號(hào)相乘，再次濾波并采樣判決，即可恢復(fù)出基帶發(fā)送信號(hào)了。

圖4 直擴(kuò)系統(tǒng)的頻譜圖Fig.4 Spectrum diagram of DSSS

圖5 直擴(kuò)系統(tǒng)濾波后的頻譜圖Fig.5 The filtered spectrum diagram of DSSS

圖6 低頻干擾下的誤碼率Fig.6 BER under low-frequency interference

4 仿真結(jié)果分析

本節(jié)用第3.1節(jié)所建立的仿真系統(tǒng)，在信道中加入不同頻率的干擾噪聲，通過(guò)仿真得到三類噪聲信道（低、中、高頻，這里取1.6 kHz、8 kHz、20 kHz進(jìn)行研究）下擴(kuò)頻碼速率對(duì)傳輸誤碼率的影響。

4.1 窄帶低頻干擾下系統(tǒng)誤碼率

在仿真系統(tǒng)中加入頻率為1.6 kHz的低頻干擾噪聲，調(diào)整窄帶干信比（干擾和信號(hào)的功率比）和擴(kuò)頻碼速率依次進(jìn)行仿真。為更好地顯現(xiàn)不同擴(kuò)頻碼速率對(duì)系統(tǒng)傳輸誤碼率的影響，在系統(tǒng)中加入較大功率的窄帶干擾。分別取窄帶干信比JSR為0 dB、5 dB、10 dB、20 dB、30 dB和40 dB進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6。由圖可見(jiàn)，對(duì)于一定頻率的PN碼，傳輸誤碼率隨窄帶干信比的增大而增大。且在碼速率為5.1 kHz時(shí)，傳輸誤碼率最小，PN碼速率升高到25.5 kHz和51 kHz時(shí)，傳輸誤碼率依次增大。

4.2 窄帶中頻干擾下系統(tǒng)誤碼率

在真系統(tǒng)的信道中加入頻率為8 kHz的中頻干擾，調(diào)整窄帶JSR及擴(kuò)頻碼速率依次進(jìn)行仿真。得到仿真結(jié)果如圖7所示：碼速率在小于25.5 kHz時(shí)，偽隨機(jī)碼速率越高，傳輸誤碼率越低；碼速率為25.5 kHz和51 kHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的誤碼率在碼速率為25.5 kHz時(shí)更小且兩者相差不大。這說(shuō)明了，在碼速率為25.5 kHz時(shí)的系統(tǒng)傳輸誤碼率，已接近達(dá)到此系統(tǒng)的最佳值。

圖7 中頻干擾下的誤碼率Fig.7 BER under intermediate-frequency interference

4.3 窄帶高頻干擾下系統(tǒng)誤碼率

在仿真系統(tǒng)的傳輸信道中加入頻率為20 kHz的高頻干擾，調(diào)整窄帶JSR及擴(kuò)頻碼速率依次進(jìn)行仿真。得到仿真結(jié)果如圖8所示：在有高頻信號(hào)干擾的情況下，擴(kuò)頻碼速率越高，誤碼率就越小。驗(yàn)證了，高頻噪聲很難用，擴(kuò)頻碼速率比其頻率還低的擴(kuò)頻系統(tǒng)來(lái)降噪。從上述三種情況可以看到，仿真結(jié)果和我們得到的理論相符合。

圖8 高頻干擾下誤碼率Fig.8 BER under high-frequency interference

5 結(jié)語(yǔ)

本文以水聲直接擴(kuò)頻通信為對(duì)象，重點(diǎn)研究了窄帶干擾確定時(shí)不同擴(kuò)頻碼速率對(duì)通信性能的影響，然后選擇1.6 kHz、8 kHz和15 kHz的窄帶干擾進(jìn)行仿真驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于低頻干擾，采用5 kHz到10 kHz的擴(kuò)頻碼速率得到的誤碼率最??；對(duì)中頻干擾，當(dāng)碼速率約為調(diào)制頻率的一半時(shí)可獲得最小誤碼率；對(duì)于高頻干擾，碼速率越大（不能大于調(diào)制信號(hào)頻率）則誤碼率就越小。縱觀三種情況還可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)于同功率的窄帶干擾，干擾信號(hào)頻率越大，系統(tǒng)誤碼率越大。利用本文的研究結(jié)論，可以針對(duì)不同噪聲的特點(diǎn)，選取不同的擴(kuò)頻碼速率來(lái)設(shè)計(jì)水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，以期獲得更理想的通信性能。

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Research on Transmission BER of Underwater Acoustic DSSS

CAI Xiao-dong1,2,ZONG Zhen1,2,LIU Yu-liang1,2
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-Electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022;2.Key Laboratory of Offshore Engineering and Technology of Zhejiang Province,Zhoushan 316022,China）

Spread spectrum communication system has well ability to anti-jamming and resist multipath. Most underwater acoustic communication channel has the characteristics of large noise interference and strong multipath effect,so the spread spectrum communication technology occupies a very important position in underwater acoustic communication.This paper have analyzed the influence of types of channels with different noise to the underwater acoustic DSSS.And studied the influence of different spreading code rates to system BER witch with a certain type of underwater acoustic channel.Then,used the SIMULINK simulation platform of MATLAB to verification conclusion.Finally,it is concluded that under different noise channels,transmit by DSSS,different spreading code rates will have different effects on the communication performance.

direct sequence spread spectrum;noise type;spread spectrum code rate;bit error rate

TB56

A

1008-830X(2016)04-0326-06

2016-06-10

浙江省自然科學(xué)基金（LY13E090004）

蔡曉冬（1992-），男，浙江南潯人，碩士研究生，研究方向：水聲工程.E-mail:cxd_zjou@163.com

劉玉良（1971-），男，河南唐河人，教授，博士，研究方向：信號(hào)處理與通信網(wǎng)絡(luò)，智能機(jī)器人.E-mail:13957208678@163.com