高速Pattern時延差編碼水聲通信技術(shù)

張錦燦，王志欣

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來，人類海洋活動愈發(fā)頻繁，水下無人勘探設(shè)備及信息系統(tǒng)大量布放，實現(xiàn)資源勘探、導(dǎo)航定位和監(jiān)聽測向等功能，在各領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。穩(wěn)健的水聲通信鏈路是水下設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)實現(xiàn)更加豐富功能的關(guān)鍵。然而水下聲信道復(fù)雜的時變、空變及嚴(yán)重的多途效應(yīng)[1-2]，給水聲通信鏈路的穩(wěn)健性帶來很大挑戰(zhàn)。

PDS編碼通信是由哈爾濱工程大學(xué)提出的一種適用于水聲信道的通信體制。PDS利用Pattern碼元位于碼元窗口中的時延差值承載信息[3-5]，通過調(diào)整碼元時長來實現(xiàn)碼元分割，有效抑制多途擴(kuò)展引起的碼間干擾。然而固定的碼元時長使得通信速率較低，為了提高速率，提出了基于頻域分割的高速PDS通信方案，引入被動時間反轉(zhuǎn)鏡信道估計技術(shù)，較好地抵抗了多途干擾，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程、低誤碼率和高速水聲通信。

1 PDS編碼通信體制

PDS編碼通信體制屬于脈位編碼(Pulse Position Modulation，PPM)，信息調(diào)制在碼片出現(xiàn)在碼元窗的時延差信息中，并采用拷貝相關(guān)器通過峰值檢測進(jìn)行時延差估計解碼[6-7]。

若每個碼元攜帶2 bit的信息，則編碼時間Tc應(yīng)該劃分為3等份，以Δτ表示最小量化間隔，則Δτ=Tc/3。當(dāng)編碼信息分別為00，01，10，11時，Pattern碼在碼元中出現(xiàn)的位置如圖1所示。

圖1 PDS編碼示意

以p(t)表示Pattern碼片，則PDS體制在一個碼元寬度內(nèi)發(fā)射波形可表示為：

(1)

在譯碼過程中，采用拷貝相關(guān)器來實現(xiàn)，即通過本地碼元與接收信號進(jìn)行滑動相關(guān)處理，搜索相關(guān)峰的位置實現(xiàn)對時延差的估計，恢復(fù)出原始信息。

PDS解碼示意如圖2所示。

圖2 PDS解碼示意

2 被動時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)

時間反轉(zhuǎn)鏡技術(shù)(Time Reversal Mirror，TRM)基于聲場互易性原理，引申了光學(xué)中的相位共軛法，是“最佳”空間和時間濾波器的實現(xiàn)，可以實現(xiàn)對聲信道而不是發(fā)射信號的匹配。TRM分為主動和被動2種。被動時間反轉(zhuǎn)鏡(PTRM)不需要發(fā)射裝置，只需具備接收功能，即可實現(xiàn)重組多途信號，空間聚焦的功能，繼而達(dá)到抑制碼間干擾、減少衰落信道影響的效果[8-12]。

以S(ω)表示信號的頻譜，H(ω)表示水聲信道傳輸函數(shù)，則經(jīng)過信道傳輸后的信號頻譜R(ω)可表示為：

R(ω)=H(ω)S(ω)。

(2)

令X(ω)為R(ω)的復(fù)共軛，即：

X(ω)=R*(ω)=H*(ω)S*(ω)。

(3)

X(ω)變換到時域上就是接收信號的時間反轉(zhuǎn)，將式(3)兩邊同乘H(ω)，得到：

Z(ω)=H(ω)H*(ω)S*(ω)，

(4)

式中，Z(ω)是PTRM的輸出頻譜；H(ω)與H*(ω)相乘得到實偶正函數(shù)，并在零點處得到主相關(guān)峰，使Z(ω)遠(yuǎn)大于R(ω)，這就是PTRM的工作原理。

對信號進(jìn)行PTRM處理時，會在發(fā)射信息信號s(t)之前加入探測信號p(t)，添加多徑時延保護(hù)間隔，以確保接收到受完整多途影響的探測信號，保護(hù)間隔時長根據(jù)試驗環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。將收到的探測信號進(jìn)行時間反轉(zhuǎn)后得到pr(-t)，與信息信號sr(t)進(jìn)行卷積預(yù)處理，再與探測信號p(t)進(jìn)行卷積，得到r(t)，此時，已經(jīng)完成了多信道多途形成的碼間干擾的抑制。

被動時間反轉(zhuǎn)鏡處理流程如圖3所示。

圖3 被動時間反轉(zhuǎn)鏡處理流程

3 基于分頻的高速PDS水聲通信

PTRM-PDS通信體制構(gòu)建的水聲通信鏈路穩(wěn)定性高，但是對有限的水聲通信頻帶利用率低，通信速率一般為100～200 bps，然而在水下信息網(wǎng)絡(luò)中，需要盡可能高的通信速率，以支撐更加豐富的高層應(yīng)用。因此，借鑒多載波通信思想，將常用水聲通信頻帶7～17 kHz進(jìn)行分割，劃分為5個子頻帶，帶寬均為2 kHz，每個子頻帶獨立傳輸一路PDS信號，以提升通信速率。

分頻高速PDS水聲通信流程如圖4所示，原始數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行PDS編碼，根據(jù)子頻帶添加用于探測的線性調(diào)頻信號pi(t)，各子頻帶發(fā)射信號疊加之后經(jīng)水聲信道進(jìn)行傳播，經(jīng)由時間反轉(zhuǎn)鏡處理后得到接收信號r(t)，對r(t)分別進(jìn)行帶通濾波、譯碼和并串轉(zhuǎn)換后恢復(fù)出原始比特流。

圖4 分頻高速PDS水聲通信流程

4 外場試驗驗證

4.1 邢臺野溝門水庫環(huán)境

2018年9月在邢臺野溝門水庫開展高速PDS水聲通信試驗，試驗環(huán)境如圖5(a)所示，水域狹長，寬度約為100 m，發(fā)射船與接收船之間的距離為400 m，試驗水域四周群山環(huán)繞。試驗水域的聲速剖面如圖5(b)所示，由于水深較淺，庫區(qū)聲速變化較小。

圖5 外場試驗環(huán)境

庫區(qū)水深20 m，使用探測信號對不同水深處水聲信道進(jìn)行估計。野門溝水庫水聲信道特性如圖6所示，由圖6可以看出，庫區(qū)聲信道多普勒效應(yīng)及時變特性不明顯，但是多途擴(kuò)展嚴(yán)重，接近80個碼元寬度。

圖6 野溝門水庫水聲信道特性

4.2 水聲通信設(shè)備

試驗中采用籃式全向收發(fā)合置換能器D12-DT如圖7所示。其工作頻段為6～20 kHz，最大聲源水平：+196.5 dB re 1 μPa@1 m，接收靈敏度-170 dB re 1 V/μPa。

圖7 D12-DT聲學(xué)換能器

采用直流供電，通過匹配了換能器工作頻段，帶內(nèi)聲源級可達(dá)193 dB。

水聲通信功率放大器如圖8所示。

圖8 水聲通信功率放大器

4.3 通信試驗

試驗時，Pattern碼片采用線性調(diào)頻信號，高速PDS信號時頻如圖9所示。在7～17 kHz頻段內(nèi)，2 kHz為一個子頻帶，對探測信號、同步信號和信息載荷均進(jìn)行了分頻。

圖9 高速PDS信號時頻

對可用通信頻帶和各子頻帶分別進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 水聲通信測試結(jié)果

通信頻帶/kHz通信速率/bps誤碼率7～92004×10-49～11200011～13200013～152003×10-415～1720007～171 2001×10-4

經(jīng)由聲吶方程對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行核算，可達(dá)到1 200 km·bps的距離速率積，具備了支撐水聲通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)轉(zhuǎn)的鏈路條件。

5 結(jié)束語

在復(fù)雜水聲環(huán)境中，被動時間反轉(zhuǎn)鏡實現(xiàn)簡單、節(jié)約能量，可實現(xiàn)信道匹配，有效降低多途擴(kuò)展信號引起的信號畸變，減輕碼間串?dāng)_影響，提高水聲通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。分頻高速PDS通信體制加入被動時間反轉(zhuǎn)處理，在保持傳統(tǒng)PDS體制穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，借鑒多載波思想，通過劃分多個子頻帶，提高頻帶利用率，大幅提升了水聲通信速率。通過外場試驗，在不借助空間增益的前提下，利用單陣元接收進(jìn)行水聲通信試驗，取得了很好的效果。

高速PDS水聲通信為水下節(jié)點組網(wǎng)通信墊定了鏈路基礎(chǔ)，具有一定的實用價值，需要通過湖試和海試，論證和完善系統(tǒng)，繼續(xù)提升水聲通信速率，使其能夠滿足水下“長城”中日益豐富的功能需求。