基于Chirp-BOK擴頻的水聲通信系統(tǒng)

伊錦旺，朱　逸，王賢凌，陳祥捷，張佳敏

(1.廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024；2.廈門大學水聲通信與海洋信息技術教育部重點實驗室，福建 廈門 361005)

淺海水聲信道是一個十分復雜的無線信道，存在嚴重的多徑效應和噪聲干擾，而且收發(fā)平臺的相對運動會產(chǎn)生較大的多普勒效應。此外，水下通信系統(tǒng)中，聲波的工作頻率一般選取在較低頻段上，使得水聲通信的可用帶寬受到極大的限制。要在惡劣的水聲信道下，完成穩(wěn)定可靠高效的信息傳輸是當前水聲通信研究的關鍵問題。擴頻技術具有抗多徑能力強、低信噪比、保密性髙等優(yōu)點，成為目前水聲通信技術的研究熱點。線性調(diào)頻(Chirp)信號是一種常見的非平穩(wěn)寬帶信號，其在時域和頻上的自相關性以及能量聚集特性，使得基于Chirp信號的擴頻通信方式具有良好的抗干擾能力和穩(wěn)健性，可用于水下復雜環(huán)境的通信[1]。Winklery[2]首次將其應用于無線通信領域，利用Chirp上掃頻和下掃頻信號傳輸二進制數(shù)據(jù)，即二進制正交鍵控調(diào)制(binary orthogonal keying，BOK)。近年來，Chirp-BOK已經(jīng)被證明是一種穩(wěn)健的水聲通信方式。Demirors等[3]利用Chirp-BOK調(diào)制技術實現(xiàn)水下穩(wěn)健的通信反饋鏈路，以保證水下聲調(diào)制解調(diào)器參數(shù)的實時自適應變化。Lee等[4]將Chirp-BOK通信方案應用于超聲波頻段的傳輸，并在嚴重頻率選擇性衰落信道中實現(xiàn)可靠的遠距離傳輸。Neasham等[5]通過Chirp-BOK技術實現(xiàn)水下自主航行器之間的可靠通信，并通過海水實驗證明其方案不僅具有較低的算法復雜度，且具有良好的抗多徑和抗噪聲能力。本文提出基于Chirp-BOK擴頻的水聲通信系統(tǒng)，利用正向調(diào)頻信號和反向調(diào)頻信號，結合BOK調(diào)制技術，實現(xiàn)適合水聲環(huán)境的擴頻通信系統(tǒng)。

1　基于Chirp-BOK的通信系統(tǒng)模型

由于水下聲信道的帶寬窄、背景噪聲大、多普勒頻移率高、多徑效應嚴重等問題，會造成水聲通信質(zhì)量嚴重下降。為了提高水聲通信系統(tǒng)的可靠性及傳輸速率，將擴頻通信技術引入到水聲通信中，提出基于Chirp-BOK擴頻的水聲通信系統(tǒng)。

1.1　系統(tǒng)框架

利用Chirp脈沖信號調(diào)制碼元信息，實現(xiàn)擴展頻譜的目的，構建如圖1所示的基于Chirp-BOK的水聲通信系統(tǒng)框架。將傳輸數(shù)據(jù)比特“1”表示為正向調(diào)頻信號，“0”表示為反向調(diào)頻信號。接收機采用匹配濾波器，正向、反向調(diào)頻信號經(jīng)過信道傳輸后都會對兩個匹配濾波器形成輸入。以正向調(diào)頻匹配濾波器為例，代表信碼“1”的正向調(diào)頻信號通過匹配濾波器的輸出是一個峰值功率正比于時間帶寬積的壓縮脈沖，再通過取樣、判決就可以恢復出信碼“1”；而輸入不相匹配的反向調(diào)頻信號時，輸出則是一個均勻分布的低幅度值，從而保證判決檢測的可行性。

1.2　Chirp信號調(diào)制技術

基于Chirp-BOK的擴頻通信系統(tǒng)，采用二進制正交鍵控調(diào)制，其原理為生成一對正交的正向和反向調(diào)頻信號。這對信號利用的頻帶和時寬相同，具有相同的中心頻率和持續(xù)時間，且頻率互為相反數(shù)。在調(diào)制過程中，可以分別在正向調(diào)頻信號和反向調(diào)頻信號上調(diào)制不同的信息。一般將傳輸數(shù)據(jù)比特“1”表示為正向調(diào)頻信號，將傳輸“0”表示為反向調(diào)頻信號。這兩個信號是正交的，其信號表達式如下：

(1)

1.3　Chirp信號檢測技術

匹配濾波器是一種線性濾波器，其輸出端的信號功率與噪聲功率比值達到最大，接收機采用匹配濾波器檢測接收信號。Chirp信號具有良好的脈沖壓縮特性，與之相對應的匹配濾波器的沖激響應是其他參數(shù)完全相同而調(diào)頻方向相反的Chirp信號，該特性極大簡化了匹配濾波器的構造[6]。

以上調(diào)頻Chirp信號為例，由式(1)構造其匹配濾波器的沖擊響應如下：

h(t)=cos(2πf0-μt2/2),-T/2≤t≤T/2。

(2)

則上調(diào)頻Chirp信號經(jīng)過匹配濾波器的輸出如下：

(3)

從式(3)可以看出，匹配濾波器的輸出具有和sinc函數(shù)類似的特性，從而可將輸入的低峰值功率的Chirp信號轉(zhuǎn)換成一個能量集中于很短時間內(nèi)，具有高峰值功率的輸出信號，這樣的特性非常利于檢測和捕獲Chirp信號。最后通過對匹配濾波器的輸出進行抽樣判決即可還原信息碼。

2　系統(tǒng)性能分析

基于MATLAB構建系統(tǒng)仿真模型并進行性能分析。為便于性能比較，仿真中將Chirp-BOK調(diào)制與經(jīng)典二進制相移鍵挖(binary phase shift keying,BPSK)調(diào)制進行比較，并分別在加性高斯白噪聲信道(additive white gaussian noise,AWGN)和多徑信道下分析兩種方案的性能。

2.1　AWGN信道仿真

淺海水聲信道噪聲一般可看作準平穩(wěn)的高斯白噪聲。假設信號功率S，信號傳信率Rb，信號比特能量Eb，噪聲功率N，噪聲功率譜密度N0，帶寬B，AWGN信道仿真時采用比特信噪比Eb/N0作為系統(tǒng)性能的衡量指標[7]，其與一般信噪比S/R的轉(zhuǎn)換公式如下：

(4)

歸一化處理后，可得BPSK調(diào)制的理想誤比特率Pe1和Chirp-BOK調(diào)制的理想誤比特率Pe2[8]如下：

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，二者的理想誤比特率只與比特信噪比有關，與碼率和帶寬無關。

AWGN信道仿真結果如圖2所示，從上到下4條曲線分別表示：Chirp-BOK仿真性能曲線、Chirp-BOK理想性能曲線、BPSK仿真性能曲線和BPSK理想性能曲線。由圖可見BPSK調(diào)制的抗噪性能更好，這是因為AWGN信道中BPSK具有良好的相關性，而Chirp-BOK由于采用正交信號，其相關性為0。Chirp-BOK的仿真曲線與其理想曲線的誤碼性能相差約1～3 dB，這是由于Chirp信號受噪聲影響，導致匹配濾波器的性能下降，而隨著信噪比的提高，接收機的檢測性能也隨之提高，兩者之間的性能差異逐漸縮小。為進一步說明這個問題，如圖3所示為Chirp信號在無噪聲和-5 dB高斯噪聲下的功率譜密度的對比?？梢钥闯觯茉肼曈绊懶盘柕墓β首V密度出現(xiàn)大幅度抖動。

如圖4所示為AWGN信道中BPSK調(diào)制的直擴系統(tǒng)與BPSK調(diào)制的一般系統(tǒng)(即未進行直擴操作)的性能仿真。由圖可知，采用BPSK調(diào)制的直擴系統(tǒng)的性能曲線不僅與理想BPSK調(diào)制的一般系統(tǒng)接近，且大部分情況下性能優(yōu)于后者，說明擴頻系統(tǒng)在AWGN信道下具有較好的抗噪性能。這是因為雖然擴頻系統(tǒng)的帶限噪聲功率得到擴展，但是帶限寬度仍然很寬，基帶內(nèi)噪聲功率譜沒有明顯下降，因此AWGN信道對寬帶噪聲干擾作用有限。

2.2　多徑信道仿真

多徑效應是造成聲信號在海洋環(huán)境中產(chǎn)生畸變的重要原因。考慮水聲環(huán)境特點，仿真實驗采用典型的3聲線多徑傳輸信道模型，由直達聲、一次海面反射、一次海底反射組成。仿真信道為頻率選擇性衰落信道，多徑能量服從負指數(shù)分布，多徑時延服從均勻分布，多徑信道的傳輸函數(shù)如下

(7)

其中:L為多徑的總徑數(shù)；Pl為第l徑信號的幅度；τl為第l徑信號的時延。則有

Pl=exp(-τl/τmean)。

(8)

其中：τmean為多徑時延的均值。

假設各徑延時分別為0、2、4 ms，由式(7)可以計算出各徑的衰減系數(shù)分別為1、0.37、0.135。信號經(jīng)過該多徑信道前后的頻譜如圖5所示，可知由于多徑效應的存在，信號經(jīng)過仿真信道后，波形發(fā)生抖動，頻域發(fā)生頻率選擇性衰落。

保持BPSK和Chirp-BOK兩種調(diào)制方式的碼元時間長度相同，即信息碼率相同，仿真得到兩者在上述多徑(multipath)衰落信道下的誤比特率曲線分別為BPSK-Multipath、Chirp-Multipath，并添加Chirp-BOK在AWGN信道的性能曲線(Chirp-AWGN)作為性能參照，如圖6所示。

從仿真結果可知，多徑信道中BPSK調(diào)制出現(xiàn)嚴重誤碼平臺，并不適用多徑環(huán)境下的水聲通信。而Chirp-BOK調(diào)制方式在多徑衰落下具有較好的誤碼性能。在信息碼率相同的條件下，這是因為Chirp擴頻系統(tǒng)送入信道的發(fā)送信號具有很寬的頻譜，具有一定的抗頻率選擇性衰落的特性，從而能夠保證多徑環(huán)境下的有效通信，即相對于BPSK調(diào)制，Chirp-BOK調(diào)制通過擴頻方式利用較大的帶寬換取多徑信道中的性能提高。此外，當信噪比提高時，Chirp-AWGN和Chirp-Multipath兩者之間的性能差異減小，這是因為接收機采用匹配濾波器，而Chirp信號在高斯白噪聲信道下能獲得比多徑信道下更好的匹配特性，從而使得高斯白噪聲信道下接收信號的檢測性能提高。

為進一步分析Chirp-BOK系統(tǒng)的性能，在3組不同時延參數(shù)信道中仿真系統(tǒng)的抗多徑性能。信道如前所述，采用3徑衰落信道，具體參數(shù)如表1所示。

表1　3種不同時延參數(shù)信道的設置Table 1　Parameter configuration for different multipath channels

3組不同信道下Chirp-BOK系統(tǒng)誤碼性能的仿真結果如圖7所示。由圖7可見，隨著信噪比增加，系統(tǒng)的誤碼率降低，符合理論分析結果。3種不同的多徑信道在低信噪比時對應的3條誤碼曲線性能相近，因為此時通信系統(tǒng)的性能主要取決于信噪比而非多徑參數(shù)。而對于相同的信噪比，當多徑信道時延降低時，誤碼性能顯著提高。綜上所述，Chirp-BOK系統(tǒng)在多徑信道中具有良好的誤碼性能。

3　結語

利用Chirp信號在水下通信中良好的抗噪聲、抗多徑等特性，針對水聲環(huán)境提出基于Chirp-BOK調(diào)制的水聲擴頻通信系統(tǒng)，系統(tǒng)采用二進制正交鍵控調(diào)制，接收機采用匹配濾波器檢測接收信號，并構建系統(tǒng)仿真模型。理論分析和AWGN信道以及多徑信道的仿真結果說明，Chirp-BOK系統(tǒng)具有良好的抗噪聲和抗多徑性能，適用于水聲系統(tǒng)的擴頻通信。本工作對于Chirp擴頻技術在水聲通信領域的應用研究具有一定的參考價值，但部分工作仍需完善，例如將Chirp信號與傳輸速率更高的調(diào)制方式進行結合，進一步提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

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