多址水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

奚慧巍，徐立軍，張 震

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多址水聲擴(kuò)頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

奚慧巍1，徐立軍2，張 震2

(1. 91439部隊(duì)，遼寧大連116041；2.中國科學(xué)院聲學(xué)所，北京100190)

本文提出了一種應(yīng)用于水下的直接序列擴(kuò)頻（DSS）擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，通過采用優(yōu)選序列以及自適應(yīng)軟信息迭代均衡技術(shù)提升了性能，并以Chirp信號(hào)調(diào)制的Gold序列作為同步信號(hào)。該同步信號(hào)既有Gold序列優(yōu)良的自相關(guān)及互相關(guān)特性，也有一定的多普勒容限。通過平均互相關(guān)最小的準(zhǔn)則優(yōu)選出期望的擴(kuò)頻序列，盡可能保證擴(kuò)頻的抗碼間干擾和抗多址干擾的性能達(dá)到最優(yōu)，并通過仿真試驗(yàn)給出了優(yōu)選序列與Gold序列的性能對比。改進(jìn)后的Turbo均衡器采用了最小均方誤差準(zhǔn)則（LMS）算法降低復(fù)雜度，采用內(nèi)置的鎖相環(huán)（PLL）來估計(jì)多普勒引起的符號(hào)相位漂移,并通過仿真和實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

直接序列擴(kuò)頻 m序列同步 Turbo均衡 MIMO 水聲通信

0 引言

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)因?yàn)槠淞己玫目苟鄰胶涂苟嘀犯蓴_能力被廣泛應(yīng)用在碼分多址無線通信系統(tǒng)中[1]。同時(shí)，在水聲信道下也是一種效率最高的多址通信方案[2]。然而，在嚴(yán)重干擾的信道下，必須采用較低的通信速率以保證通信的可靠性。通過縮短擴(kuò)頻符號(hào)的碼片數(shù)目或者縮短符號(hào)時(shí)長，可以有效提升通信速率，但是要保證通信質(zhì)量，需要采用性能更好的信道均衡技術(shù)。采用多個(gè)通道對信號(hào)進(jìn)行接收可以獲得更高的增益，用于保障更高的通信速率和用戶數(shù)目[3]。

水聲通信中通常使用Chirp信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)）作為同步信號(hào)[4]，其尖銳的自相關(guān)峰值及多普勒容限可以保證對信號(hào)位置的準(zhǔn)確檢測。但在多址通信中，由于各用戶的同步信號(hào)會(huì)在時(shí)域混疊，難以通過Chirp信號(hào)區(qū)分用戶。在碼分多址無線通信系統(tǒng)中，多以BPSK或其它方式調(diào)制的Gold序列[5]作為同步信號(hào)，將每一個(gè)Gold序列分配給一個(gè)用戶。Gold序列有著良好的自相關(guān)特性及互相關(guān)特性，并能容納大量用戶。但以該方式生成的同步信號(hào)，對多普勒頻移十分敏感。而水聲信道是時(shí)頻雙擴(kuò)展信道，由于較低的聲速（約1500 m/s），在該信道下通信極易受到多普勒效應(yīng)的影響。針對以上問題，本文提出了一種Chirp調(diào)制的Gold序列，既有一定的多普勒容限，也保留著Gold序列的特性。

在水聲信道下，受多普勒和較高延遲的影響，不同用戶擴(kuò)頻序列之間的疊加是隨機(jī)的，因此其互相關(guān)特性尤其重要。無線系統(tǒng)中的Walsh序列雖然有很好的正交性，但是其互相關(guān)特性并不好。因此在水聲信道下要保證擴(kuò)頻性能，需要尋找一種互相關(guān)特性較好的序列。

Wang和Poor在其1999年發(fā)表的論文中首次在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中采用軟迭代的多用戶檢測器[6]。該檢測器采用了MMSE算法，將所有用戶的譯碼器輸出信息反饋到檢測器的輸入端，在擴(kuò)頻序列完全同步的情況下達(dá)到了很好的效果。由于復(fù)雜度低，采用LMS算法均衡器被廣泛用于Turbo均衡中。[7]提出了一種采用LMS算法的多通道雙向自適應(yīng)Turbo均衡算法。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中采用LMS算法，可以有效解決多用戶均衡復(fù)雜度較高的問題[8,9]。首先，擴(kuò)頻后，碼間干擾涉及的符號(hào)大大減少，均衡器的大小可以有效降低；其次，均衡的迭代次數(shù)可以適當(dāng)減少。

嚴(yán)重的多普勒導(dǎo)致相位的不規(guī)律漂移和信號(hào)的擴(kuò)展。解決這一問題的一般方法是通過測量幀長來估計(jì)多普勒，并進(jìn)行補(bǔ)償；而產(chǎn)生的相位變化則依靠均衡器來處理[10]。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中,一般采用載波跟蹤算法來補(bǔ)償相位。[9]提出一種內(nèi)嵌二階鎖相環(huán)的LMS算法，在信道均衡的同時(shí)對漂移的相位進(jìn)行跟蹤。將這種算法應(yīng)用到Turbo均衡中，能夠解決相位問題。信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻后持續(xù)時(shí)間變長，信道時(shí)變的特性特別明顯，雖然Turbo均衡器本身具有一定的相位糾正能力，但是顯然無法適應(yīng)這種情況。同時(shí)，采用獨(dú)立的鎖相環(huán)，可以更加靈活的針對相位變化情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 同步信號(hào)

本文所使用的同步信號(hào)為Chirp調(diào)制的Gold序列，為分析其性能，將BPSK調(diào)制的Gold序列作為對比。BPSK調(diào)制的Gold序列可以視為一種擴(kuò)頻信號(hào)，在給定帶寬情況下可根據(jù)擴(kuò)頻因子的計(jì)算確定信號(hào)的時(shí)長，及對應(yīng)Gold序列長度。本文根據(jù)海試發(fā)射機(jī)的工作帶寬，將同步信號(hào)的頻帶設(shè)置為9kHz~15kHz，則同步信號(hào)時(shí)長為48ms，對應(yīng)Gold序列長為240（將長為255的Gold序列截短可得）。該同步信號(hào)的模糊度函數(shù)如圖1所示。從圖中可以看出模糊度函數(shù)具有圖釘函數(shù)的特性，對多普勒頻移極為敏感。

Chirp信號(hào)的表達(dá)式為：

(2)

下面對Chirp調(diào)制的Gold序列的互相關(guān)特性進(jìn)行分析，對應(yīng)第個(gè)用戶同步信號(hào)的匹配濾波器對第個(gè)用戶同步信號(hào)的輸出為：

從公式(3)可以看出，Chirp調(diào)制的Gold序列的互相關(guān)函數(shù)為Gold序列的互相關(guān)函數(shù)與一個(gè)類sinc函數(shù)相乘，保留了Gold序列優(yōu)良的互相關(guān)特性。

同步信號(hào)的時(shí)間帶寬積會(huì)影響檢測效果，為對比BPSK調(diào)制與Chirp調(diào)制的Gold序列性能，同樣將Chirp調(diào)制的Gold序列工作帶寬設(shè)置為10 ～15 kHz，同步信號(hào)時(shí)長為42 ms，所使用的Gold序列長為127位。該同步信號(hào)的模糊度函數(shù)如圖2所示。結(jié)合圖1可以看出，Chirp調(diào)制的Gold序列的多普勒容限要強(qiáng)于BPSK調(diào)制的Gold序列，在帶寬時(shí)長相似的情況下，前者的多普勒容限約為40 Hz，而后者只有5 Hz左右。

1.2 信號(hào)模型

圖3 多輸入擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)有個(gè)用戶和個(gè)接收通道的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，表示第時(shí)刻第個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)。表示第時(shí)刻第個(gè)通道的接收信號(hào)。發(fā)送信號(hào)可以表示為，其中是由二進(jìn)制序列調(diào)制后的符號(hào)，是第個(gè)用戶的擴(kuò)頻序列。接收序列表示為

信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)的解調(diào)并經(jīng)過與各自同步好擴(kuò)頻序列相乘進(jìn)行解擴(kuò)，輸出后第個(gè)用戶的信號(hào)表示為

1.3 優(yōu)選擴(kuò)頻序列

從解擴(kuò)的角度來說，在多個(gè)用戶信號(hào)疊加后，每個(gè)符號(hào)乘對應(yīng)擴(kuò)頻序列解擴(kuò)后會(huì)有其他用戶信號(hào)的殘留，其大小與序列的互相關(guān)值的大小有關(guān)。優(yōu)選序列保證了用戶采用的序列的互相關(guān)在某種意義上達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)選擴(kuò)頻序列的準(zhǔn)則有兩種：互相關(guān)的最大值低于門限和平均值低于門限。由于實(shí)際通信時(shí)序列隨機(jī)疊加，疊加出最大值的情況并不常見，因此采用均值的方案優(yōu)于采用最大值的方案。

表1 優(yōu)選序列算法流程

搜索優(yōu)選序列的算法流程如表1所示。由于解擴(kuò)過程涉及的符號(hào)只有相鄰的兩個(gè)，假設(shè)前一個(gè)為正，那么后一個(gè)有兩種等可能的情況：符號(hào)相同和符號(hào)不同。互相關(guān)值的概率可以用其在中的出現(xiàn)頻次來代替。最后輸出的序列集中所有序列之間的互相關(guān)值都可以達(dá)到預(yù)期。將短序列根據(jù)碼間干擾的時(shí)長組合成長序列，可以獲得很好的抗多徑能力。

1.4 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的Turbo均衡

改進(jìn)后的自適應(yīng)軟迭代均衡器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。與[6]相比不同之處在于，采用分離的均衡器代替同一的多用戶檢測器。經(jīng)過擴(kuò)頻之后，單個(gè)均衡器的規(guī)模顯著降低，而且多個(gè)用戶的均衡過程支持并行運(yùn)算。

圖4 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.5 MIMO LMS均衡器

從單個(gè)用戶來說，LMS均衡器包含了一個(gè)前向?yàn)V波器和一個(gè)后向?yàn)V波器，其結(jié)構(gòu)如下。

(7)

(8)

1.6 符號(hào)與軟信息轉(zhuǎn)換

如圖2所示，均衡器和譯碼器之間的信息傳遞需要經(jīng)過交織器、解交織器和SBC、BSC的轉(zhuǎn)換。由于均衡的輸入和輸出都是符號(hào)信息，而采用log-MAP算法的譯碼器輸入和輸出都是概率信息，因此信息的轉(zhuǎn)換主要靠SBC和BSC。

采用貝葉斯準(zhǔn)則，由符號(hào)轉(zhuǎn)換為概率軟信息的計(jì)算方法為：

(10)

(12)

結(jié)合公式(11)和公式(12)，可以計(jì)算出BSC的表達(dá)式。

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

這一節(jié)將通過仿真和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證擴(kuò)頻系統(tǒng)中的自適應(yīng)軟迭代均衡技術(shù)性能。發(fā)送數(shù)據(jù)采用了，碼率為0.5的卷積碼最為信道編碼，每一幀包含一個(gè)50 ms的幀同步頭，1000個(gè)信息序列以及400個(gè)訓(xùn)練序列，為了實(shí)現(xiàn)雙向均衡，訓(xùn)練序列均等分配到數(shù)據(jù)幀的兩端。每個(gè)符號(hào)由32個(gè)碼片長度的擴(kuò)頻序列進(jìn)行擴(kuò)頻。仿真情況下，系統(tǒng)的工作帶寬設(shè)置為與實(shí)際系統(tǒng)一致，為9 kHz到15kHz，采樣頻率為96 kHz。采樣BELLHOP生成一組ISI時(shí)長為20 ms的MIMO信道響應(yīng)。

2.1 仿真結(jié)果

首先，比較均衡算法在不同迭代次數(shù)和不同用戶數(shù)情況下的性能。同時(shí)給出了采用單通道自適應(yīng)判決反饋均衡算法結(jié)果的對比，仿真結(jié)果如圖5所示。其中所有仿真曲線都是在相同多徑信道下產(chǎn)生的，可以看到在嚴(yán)重多徑干擾以及375符號(hào)每秒的通信速率下，采用傳統(tǒng)判決反饋的方法很難取得很好效果。而采用自適應(yīng)迭代均衡的方法經(jīng)過三次迭代后誤碼率大大降低，但是其抗多用戶的能力有限，從兩個(gè)用戶增長為三個(gè)用戶，均衡器基本難以恢復(fù)原始信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的抗多用戶干擾的能力主要來自擴(kuò)頻本身的性質(zhì)，因此增加用戶數(shù)目的方法主要有：降低每個(gè)用戶的通信速率和采用優(yōu)選序列。圖6給出了采用優(yōu)選序列和Gold序列的性能對比，可以看到在兩個(gè)用戶的情況下，無論在那種通信速率下，采用優(yōu)選序列的性能要明顯優(yōu)于采用Gold序列的性能。

圖5 375符號(hào)速率下自適應(yīng)迭代均衡與判決反饋均衡性能對比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在膠州灣進(jìn)行一次海試，試驗(yàn)采用水深分別為7、8、9以及10米的四個(gè)水聲換能器接收。發(fā)射換能器為2個(gè)，其中一個(gè)發(fā)射幅值比另一個(gè)低3 dB。傳輸距離從800 m到2100 m，分別作了150符號(hào)每秒和300符號(hào)每秒的試驗(yàn)，擴(kuò)頻序列采用Gold序列。換能器頻帶范圍為9～15 kHz，采樣頻率為96 kHz。試驗(yàn)處理結(jié)果如表2所示，其中采用傳統(tǒng)方法處理的誤碼率都很高，此處不再給出對比。從表中可以看出經(jīng)過3次迭代后誤碼率相比較一次迭代后的誤碼率有明顯降低。通信速率從150符號(hào)每秒提升到300符號(hào)每秒后，誤碼率有了明顯增大。

圖6 不同通信速率下Gold序列與優(yōu)選序列性能對比

2.3 同步信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果

為分析同步信號(hào)在多址通信中性能，在不同時(shí)刻使用了不同的同步信號(hào)。發(fā)射的同步信號(hào)除本文使用的Chirp調(diào)制Gold序列外，還有BPSK調(diào)制Gold序列作為對比分析。在兩用戶的同步信號(hào)時(shí)域完全疊加的情況下，任取一用戶在分別檢測到兩種同步信號(hào)時(shí)匹配濾波器的輸出如圖7、圖8所示。

從圖8中可以看出，匹配濾波器對BPSK調(diào)制Gold序列輸出中的旁瓣是由用戶間干擾帶來的，且由于Gold序列良好的互相關(guān)特性，旁瓣并不影響對主峰的檢測。結(jié)合圖7圖8可以看出，匹配濾波器對Chirp調(diào)制Gold序列輸出中的旁瓣相當(dāng)于在BPSK調(diào)制Gold序列的用戶間互相關(guān)基礎(chǔ)上乘了一個(gè)類sinc函數(shù)，結(jié)果與理論分析相吻合。由于保留了Gold序列良好的互相關(guān)特性，這一旁瓣同樣不影響對主峰的檢測。而由于試驗(yàn)條件所限，多普勒頻移較小，沒有完全體現(xiàn)出Chirp調(diào)制Gold序列在多普勒容限上的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

通過理論分析，給出了優(yōu)選序列的特性和搜索方法，給出了自適應(yīng)迭代均衡器的結(jié)構(gòu)和算法。通過仿真和實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了優(yōu)選擴(kuò)頻序列的相比于Gold序列的性能和所提出的均衡器的性能。本文對提出的Chirp調(diào)制Gold序列的互相關(guān)特性及多普勒容限進(jìn)行了理論分析，并在海試中驗(yàn)證了其作為多址通信中同步信號(hào)的可行性。

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Research on Key Technologies of Multiple Access Spread Spectrum Underwater Acoustic Communication System

Xi Huiwei1, Xu Lijun2, Zhang Zhen2

(1.Unit 91439 of PLA, Dalian 116041, Liaoning, China; 2.Instiute of Acoustics Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

TN929

A

1003-4862（2017）09-0042-06

2017-06-15

奚慧?。?986-），男，碩士。研究方向：水聲通信。