直擴(kuò)技術(shù)在水聲通信中的可行性研究

盧鑒鑫，劉玉良

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，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）

由于開(kāi)發(fā)海洋的需要，現(xiàn)代通信系統(tǒng)已經(jīng)逐步從陸地和空中延伸到了海洋。水聲通信作為水下唯一有效的通信手段，通過(guò)聲波在海洋介質(zhì)中的傳播與接收，承擔(dān)起數(shù)據(jù)、語(yǔ)音以及圖像等多種形式信息的水下傳輸工作，越來(lái)越受到各國(guó)的重視。而水聲通信中最困難的問(wèn)題就是如何處理好水聲信道中多途效應(yīng)、強(qiáng)衰落以及強(qiáng)噪聲環(huán)境等問(wèn)題[1]。

目前在處理多徑干擾問(wèn)題上主要有自適應(yīng)波束形成、自適應(yīng)均衡、分集以及擴(kuò)頻技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)，作為唯一能工作在負(fù)噪聲比條件下的通信技術(shù)，由于其能夠拓展信號(hào)帶寬，抑制干擾，而且還能利用多徑干擾的能量提高信噪比，極大的改善了系統(tǒng)的性能，越來(lái)越成為抗多徑的研究對(duì)象[1]。在這里主要介紹直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DS-SS），采用的調(diào)制方式為BPSK調(diào)制。非相干FSK調(diào)制技術(shù)雖然比較可靠，但是它的頻帶利用率非常低，不太適合應(yīng)用在帶寬受限的水聲信道，而PSK技術(shù)的頻帶利用率和抗噪性能都是最優(yōu)的。因此目前水聲通信中主要研究都放在相位相干調(diào)制技術(shù)上[2]。本文主要通過(guò)MATLAB軟件，仿真擴(kuò)頻系統(tǒng)在多徑、強(qiáng)噪聲信道下的誤碼率，分析擴(kuò)頻技術(shù)是否具有抗多徑抗干擾能力，繼而通過(guò)水聲設(shè)備出海實(shí)驗(yàn)，采集數(shù)據(jù)圖像分析擴(kuò)頻技術(shù)在水聲通信的可行性。

1 擴(kuò)頻通信技術(shù)

1.1 擴(kuò)頻技術(shù)的理論基礎(chǔ)

1.1.1 Shannon公式

Shannon定理[3]指出：在高斯白噪聲條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（或稱(chēng)信道容量）為

式中：B為信號(hào)頻帶寬度，單位為Hz；S為信號(hào)平均功率，單位為W；N為噪聲平均功率，單位為W；C為整個(gè)通信系統(tǒng)的信道容量，單位為b/s。

從Shannon公式中可以看出，當(dāng)整個(gè)通信系統(tǒng)容量C一定時(shí)，可以通過(guò)增加信號(hào)頻帶帶寬B來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)此帶寬中信噪比的要求，從而能夠提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。而增加信號(hào)頻帶帶寬則可以通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制來(lái)完成，即利用偽隨機(jī)序列與信源數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模2加，得到一展寬了頻譜的“擴(kuò)頻”信號(hào)。

1.1.2 擴(kuò)頻系統(tǒng)的物理模型

圖1為擴(kuò)頻系統(tǒng)的物理模型[3]。信源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和調(diào)制后，發(fā)送出去。在接收端，接收到的信號(hào)先是經(jīng)混頻后得到一中頻信號(hào)，再相應(yīng)解擴(kuò)和解調(diào)，將信號(hào)還原出來(lái)。

圖1 擴(kuò)頻系統(tǒng)物理模型Fig.1 Physical model of spread spectrum system

1.2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（DS-SS）的構(gòu)成

信源輸出的數(shù)字信號(hào)a（t）首先與偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼c（t）進(jìn)行第一次調(diào)制，產(chǎn)生一速率與偽隨機(jī)碼速率相同的擴(kuò)頻信號(hào)，然后再用產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)去調(diào)制載波，最后把調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)射頻功率放大后送至天線(xiàn)發(fā)射。在接收端，接收信號(hào)經(jīng)輸入電路、放大器以及變頻器相關(guān)處理后得到中頻，繼與本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列進(jìn)行解擴(kuò)，這里的偽隨機(jī)序列與發(fā)射端的偽隨機(jī)序列必須是同步的，否則無(wú)法完成信息的正確解擴(kuò)。最后再進(jìn)行相干解調(diào)，就可以得到與發(fā)射端相同的原始信息數(shù)據(jù)。

有效數(shù)據(jù)信號(hào)在經(jīng)過(guò)水聲信道時(shí)會(huì)摻雜窄帶脈沖干擾和噪聲干擾，由于它們?cè)诮邮斩酥贿M(jìn)行一次“擴(kuò)頻”過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展后具有較小的功率譜密度，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的濾波器就能大大減少進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)的干擾功率，從而提高進(jìn)入解調(diào)器的信噪比，減小信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率。

1.3 直擴(kuò)系統(tǒng)的公式分析

信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào) a（t）為信息流，碼元速率為 Ra，碼元寬度 Ta，Ta=1/Ra，則

式中an為信息碼，以概率P取+1和以概率?。?-P）取-1，即

為門(mén)函數(shù)。

偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c（t），擴(kuò)展后的序列為

采用 BPSK 方式進(jìn)行調(diào)制，得到調(diào)制后的信號(hào)為：s（t）=d（t）cos（2πfct）。在接收端進(jìn)行解擴(kuò)后得到的信號(hào)為 r（t）=a（t）c（t）c＇（t）cos（2πfct），若本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列 c＇（t）與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列 c（t）同步，則 c（t）*c＇（t）=1。最后經(jīng)過(guò)相干解調(diào)，就可以將有用信號(hào)a（t）還原出來(lái)。

1 .4擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的處理增益

在擴(kuò)頻系統(tǒng)中有一個(gè)重要的抗干擾性能指標(biāo)：處理增益Gp。

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，BS是擴(kuò)頻碼的帶寬，Bd是信息數(shù)據(jù)的帶寬。

2 系統(tǒng)仿真的建立及結(jié)果分析

2.1 反射路徑數(shù)目對(duì)DS-SS系統(tǒng)的影響

由于水聲信道高頻吸收衰減的限制，最佳載波頻率通常低于10 kHz，通信帶寬一般為2～4 kHz[4]。本系統(tǒng)采用的擴(kuò)頻序列為m序列偽隨機(jī)碼，周期為31，切普寬度為1/2 000 s，碼元寬度為31/2 000 s。調(diào)制方式采用BPSK調(diào)制，載波頻率為10 kHz，仿真采樣率為100 kHz。同時(shí)仿真是在假設(shè)收發(fā)端擴(kuò)頻序列已經(jīng)同步的條件下進(jìn)行分析。

利用仿真軟件MATLAB編寫(xiě)水聲直擴(kuò)通信系統(tǒng)代碼，通過(guò)增加傳播路徑來(lái)模擬水聲多途效應(yīng)。其仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

發(fā)送一長(zhǎng)度為500個(gè)的二進(jìn)制隨機(jī)序列，然后在接收端獲得星座圖以及不同信噪比和反射路徑數(shù)目下的誤碼率，如圖2～3所示。

表1 水聲信道模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Model parameter setting of underwater acoustic channel

圖3 不同路徑數(shù)目下信噪比與誤碼率曲線(xiàn)圖Fig.3 Curves of signal to noise ratio and BER under different number of paths

由圖3分析對(duì)比可知，當(dāng)傳播路徑數(shù)目增加時(shí)，系統(tǒng)誤碼率在明顯增加，說(shuō)明多徑效應(yīng)是影響信號(hào)接收效果的重要因素。但同時(shí)也可以看出，在傳播路徑數(shù)目為4條以及負(fù)信噪比較大情況下，系統(tǒng)誤碼率仍然可以較低（在良好通信范圍內(nèi)），說(shuō)明DS-SS系統(tǒng)具有良好的抗多途效應(yīng)以及抗干擾能力。

2.2 研究m序列周期對(duì)DS-SS系統(tǒng)的影響

圖4為m序列不同周期下的DS-SS系統(tǒng)的誤碼率曲線(xiàn)。由于本系統(tǒng)仿真采用的處理增益與m序列周期數(shù)成正比例關(guān)系。因此，圖4也是為不同擴(kuò)頻增益下DS-SS系統(tǒng)的誤碼率曲線(xiàn)。

從圖4中可以明顯看出，隨著m序列周期（增益）的變大，系統(tǒng)誤碼率在降低，通信效果在變好。

2.3 研究載波頻率大小對(duì)DS-SS系統(tǒng)的影響

圖5為在不同載波頻率下，DS-SS系統(tǒng)獲得誤碼率曲線(xiàn)圖。

從圖5中可以看出，仿真實(shí)驗(yàn)載波頻率對(duì)于該DS-SS系統(tǒng)誤碼率的影響不是很大，又由于水聲信道高頻吸收衰減的限制，實(shí)際通信中不適合采用高頻率的載波，所以一般采用10 kHz左右[4]。

圖4 不同周期下信噪比與誤碼率曲線(xiàn)圖Fig.4 Curves of signal to noise ratio and error rate at different periods

圖5 不同載波頻率下信噪比與誤碼率曲線(xiàn)圖Fig.5 Urves of signal to noise ratio and error rate a different carrier frequencies

3 實(shí)驗(yàn)研究

2017年7月，我們隨船來(lái)到東海某海域，利用水聲通信設(shè)備進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。為了將影響降到最低，我們將科考船關(guān)閉了發(fā)動(dòng)機(jī)，將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)移動(dòng)到噪聲和震動(dòng)最小的前甲板，然后利用竹竿將兩個(gè)換能器放入海中約3 m的位置，開(kāi)始收發(fā)實(shí)驗(yàn)。為了能夠清晰地通過(guò)分析星座圖來(lái)判斷通信效果，本實(shí)驗(yàn)將采用Qpsk調(diào)制方式。圖6是為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)；圖7為水聲通信設(shè)備以及DS-SS系統(tǒng)的發(fā)射面板參數(shù)設(shè)置。

圖6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Experimental scene

圖7 水聲通信設(shè)備和DS-SS系統(tǒng)發(fā)射面板Fig.7 Underwater acoustic communication equipment and DS-SS system launches panel

圖8上半部分為不采用擴(kuò)頻技術(shù)的Qpsk調(diào)制通信系統(tǒng)信號(hào)接收?qǐng)D，下半部分為DS-SS系統(tǒng)的信號(hào)接收?qǐng)D。通過(guò)比較分析，可以明顯看出，利用擴(kuò)頻技術(shù)可以明顯改善通信效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的具有水聲信道特點(diǎn)的DS-SS系統(tǒng)，設(shè)置多條傳播路徑和低信噪比兩個(gè)方面來(lái)模擬水聲信道，通過(guò)仿真獲得誤碼率，從而分析得到DS-SS技術(shù)具有良好的抗多徑與干擾能力，能夠減少多徑效應(yīng)帶來(lái)的影響，提高通信性能。其中還分析了擴(kuò)頻增益對(duì)于系統(tǒng)誤碼率的影響。最后在東海某海域進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，分析得到擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)于對(duì)抗水聲信道中的多途效應(yīng)以及強(qiáng)噪聲環(huán)境具有良好的表現(xiàn)。但是由于本次實(shí)驗(yàn)通信距離較短，采集次數(shù)不夠多，因此提高通信距離，改變不同水下環(huán)境，以及如何在仿真中真正接近水聲信道的設(shè)計(jì)是我們下一步研究的方向。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中接收到信號(hào)星座圖Fig.8 Reception of signal constellations in field experiments

[1]曹 俊.水聲擴(kuò)頻通信中的RAKE接收技術(shù)仿真研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2012.

[2]羅永升.遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)的編碼技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

[3]許天增,許鷺?lè)?水聲數(shù)字通信[M].北京:海洋出版社,2010:6-8.

[4]黃曉萍,桑恩方.一個(gè)水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋工程,2007,25（1）:127-132.

[5]李 敏,任新敏.DS-SS技術(shù)在淺海水聲通信中的應(yīng)用研究[C]//2016中國(guó)西部聲學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.2016.

[6]孫衛(wèi)華,王子勇,郭小宇,等.直接序列擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2016,38（7）:124-127.

[7]張 蕾,鄭實(shí)勤.基于MATLAB的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能仿真分析研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2007,29（3）:39-42.

[8]張剛強(qiáng).淺海信道直接序列擴(kuò)頻水聲通信系統(tǒng)研究[D].廈門(mén):廈門(mén)大學(xué),2008.

[9]樊昌信,張甫翊,徐怲祥,等.通信原理[M].第5版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.

[10]暴 宇,李新民.擴(kuò)頻通信技術(shù)及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011.

[11]羅永升.遠(yuǎn)程水聲通信系統(tǒng)的編碼技術(shù)研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.