Chirp擴(kuò)頻通信系統(tǒng)提高多普勒容限研究

摘 要：本文提出一種基于交疊技術(shù)的chirp擴(kuò)頻通信方式， 其基本原理是通過(guò)改變chirp信號(hào)的調(diào)頻率來(lái)提高通信系統(tǒng)的抗多普勒性能，最后利用穩(wěn)態(tài)分布模擬水聲信道進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，結(jié)果證明，基于交疊技術(shù)的chirp擴(kuò)頻系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)chirp擴(kuò)頻系統(tǒng)有更好的抗多普勒性，更適于水聲通信。

關(guān)鍵詞：水聲通信 chirp擴(kuò)頻 交疊技術(shù) 多普勒

由于水聲信道的特殊性，如何在隨機(jī)衰落、復(fù)雜多徑的信道環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸是水聲通信的第一要素[1]。相比窄帶通信，擴(kuò)頻技術(shù)具有顯著的抗干擾與抗衰落能力而被廣泛應(yīng)用于水聲通信。目前常用的擴(kuò)頻技術(shù)有chirp擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻以及跳頻技術(shù)，相比后兩者，chirp信號(hào)因具有較大的時(shí)寬帶寬積，從而擁有更強(qiáng)的抗 頻率選擇性衰落、抗多普勒以及抗環(huán)境噪聲能力，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。Chirp擴(kuò)頻技術(shù)是通過(guò)chirp脈沖調(diào)制來(lái)發(fā)送信息以達(dá)到擴(kuò)頻的目的，它無(wú)需加入偽隨機(jī)序列，因?yàn)槠淇梢岳胏hirp信號(hào)自身的線性頻率特征。當(dāng)前，應(yīng)用較多的chirp擴(kuò)頻調(diào)制方式主要為二進(jìn)制正交鍵控調(diào)制和直接調(diào)制。前者的調(diào)制原理較簡(jiǎn)單，在接收端只需檢測(cè)能量即可，可以通過(guò)模擬搭建系統(tǒng)，然而，因?yàn)閡p chirp 和down chirp具有一定的相關(guān)性，導(dǎo)致其抗多普勒能力不高[2]；而后者調(diào)制對(duì)多徑的適應(yīng)力較強(qiáng)，但在接收端需要幅度相位信息，復(fù)雜度較高。因此，本文提出一種基于交疊技術(shù)的chirp擴(kuò)頻調(diào)制方法。

一、水聲通信信道特征

眾所周知，水聲通信信道與無(wú)線電通信信道存在著許多實(shí)質(zhì)性的差異。因此，要想設(shè)計(jì)出適配于實(shí)際環(huán)境水聲信道傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，就需要深入了解水聲信道特異的聲傳播規(guī)律。首先，水聲信道具有較大傳輸衰減，會(huì)限制通信傳輸距離，并且它所容許采用的帶寬又比無(wú)線通信中的帶寬窄很多，從而又導(dǎo)致通信速率較低；其次，水聲信道中存在著比信號(hào)脈沖寬度大得多的隨機(jī)時(shí)-空-頻變多徑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其多徑效應(yīng)十分突出；最后，水聲通信是通過(guò)聲波進(jìn)行傳輸，聲波傳輸速率較低，導(dǎo)致生源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較大，多普勒效應(yīng)顯著?？偟膩?lái)說(shuō)，水聲信道就是一個(gè)帶寬受限嚴(yán)重，噪聲干擾嚴(yán)重的時(shí)變、空變以及頻變的衰落信道，導(dǎo)致信號(hào)傳輸環(huán)境特別惡劣。

二、chirp擴(kuò)頻調(diào)制

（1）基于交疊技術(shù)的多載波調(diào)制

在水下強(qiáng)多普勒情況下，傳統(tǒng)多載波chirp擴(kuò)頻通信技術(shù)并不能達(dá)到理想水平。本文提出的基于交疊技術(shù)的多載波調(diào)試，其基本原理為：假設(shè)信道帶寬為9k-12khz，將其分為三個(gè)子頻帶，與傳統(tǒng)多載波調(diào)制不同之處在于，三個(gè)子頻帶不是平均分配，并且不是完全分開，而是交疊在一起的。具體方法如圖3-1所示，從圖中可以看出，信道所劃分的三個(gè)子頻帶f1、f2和f3并不相等，如果多普勒頻移較大時(shí)，k1會(huì)平移至k1’，但k1’與k2并沒(méi)有完全重合，此時(shí)我們?nèi)匀豢梢詫?duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，這樣能夠增加信道的多普勒容限；此外，因?yàn)樾诺赖淖宇l帶之間是相互交疊的，在接收端可通過(guò)利用chirp信號(hào)的正交性，完全區(qū)分出信號(hào)，這樣在有限的水聲頻帶內(nèi)大大增加信道的頻帶利用率。

（2）仿真分析

這里通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)chirp擴(kuò)頻通信與基于交疊技術(shù)的擴(kuò)頻通信在多普勒環(huán)境下進(jìn)行仿真對(duì)比。仿真的兩個(gè)系統(tǒng)均采用16進(jìn)制，接收端采用FRFT解調(diào)方式。圖3-2為多普勒條件下的仿真結(jié)果。從圖3-2中可看出，在模擬水聲信道環(huán)境下，當(dāng)多普勒頻移fd小于頻帶帶寬400hz時(shí)，兩種方法的誤碼率近似相等；然而當(dāng)fd大于400hz時(shí)，可以看到傳統(tǒng)的多載波調(diào)制方法的誤碼率迅速上升，而基于交疊技術(shù)的多載波調(diào)制方法的誤碼率相對(duì)較為平穩(wěn)，從而驗(yàn)證了本方法的有效性。

總之，本文針對(duì)淺海水聲信道的特點(diǎn)，提出了基于交疊技術(shù)的水聲chirp擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，并進(jìn)行了分析與仿真。結(jié)果證明，基于交疊技術(shù)的chirp擴(kuò)頻通信體制的抗多普勒性能優(yōu)于傳統(tǒng)的多載波chirp擴(kuò)頻通信。為工程上的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)

參考文獻(xiàn)

[1]. Chitre， M.， et al.， Recent advances in underwater acoustic communications networking， in OCEANS 2008. 2008： Quebec City， QC， Canada.

（作者單位：福建國(guó)網(wǎng)寧德供電公司）