關(guān)于水聲通信信號(hào)采集與處理的分析

李碩 劉曉英

摘? 要：近年來(lái)，海洋研究領(lǐng)域中的水聲通信網(wǎng)絡(luò)成了熱點(diǎn)。然而，水聲通信中偶爾會(huì)有丟幀、誤碼等情況出現(xiàn)，為找出對(duì)應(yīng)影響因素并制定合理的解決措施，有必要進(jìn)行水聲信號(hào)采集與處理的研究?；诖耍疚暮?jiǎn)單介紹了水聲通信系統(tǒng)，分析了水聲通信噪聲來(lái)源及水聲通信信號(hào)采集與處理，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)該技術(shù)在消除水聲信道中接收端信號(hào)受噪聲干擾的實(shí)質(zhì)作用展開(kāi)了研究，以供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：水聲通信? 信號(hào)采集? 噪聲來(lái)源? 信號(hào)處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TB56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（b）-0070-03

Analysis of Underwater Acoustic Communication Signal Acquisition and Processing

LI Shuo1? LIU Xiaoying2

（1.National Defense University of PLA China， Beijing， 100856 China; 2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute， Wuhan， Hubei Province， 430064 China）

Abstract： In recent years， underwater acoustic communication network in the field of marine research has become a hot spot. However， there are occasional frame loss and bit error in underwater acoustic communication. In order to find out the corresponding influencing factors and formulate reasonable solutions， it is necessary to study underwater acoustic signal acquisition and processing. Based on this， this paper briefly introduces the underwater acoustic communication system， analyzes the noise source of underwater acoustic communication and the acquisition and processing of underwater acoustic communication signals， and studies the substantive role of this technology in eliminating the noise interference of receiver signals in underwater acoustic channel， for reference.

Key Words： Underwater acoustic communication; Signal acquisition; Noise source; Signal processing

近年來(lái)，水聲通信質(zhì)量要求持續(xù)提高，用于處理水下通信的聲信號(hào)已成為水下通信領(lǐng)域的重要技術(shù)手段之一。而作為水下信號(hào)處理應(yīng)用關(guān)鍵形式之一的水聲通信系統(tǒng)，在處理水聲通信傳輸?shù)乃曅盘?hào)中，必然會(huì)經(jīng)歷采集水聲數(shù)據(jù)這一環(huán)節(jié)。研究水聲通信系統(tǒng)時(shí)，測(cè)試設(shè)備性能和多樣化發(fā)揮著決定性的作用，同時(shí)測(cè)試設(shè)備能否在復(fù)雜的水下環(huán)境中正常運(yùn)行，也會(huì)影響設(shè)備間通信。

1? 水聲通信噪聲來(lái)源

由于水下環(huán)境非常復(fù)雜，因此噪聲已成為嚴(yán)重干擾水聲信道中信號(hào)的主要因素，具體包含以下幾類(lèi)。（1）動(dòng)態(tài)噪聲，指水下洋流、地震、波浪、潮汐、湍流和風(fēng)引起的噪聲。其中高頻噪聲主要是由海上波浪和涌流引起的，低頻主要是由地震、潮汐和湍流引起的[1]。（2）生物噪聲，主要是由海洋中的生物活動(dòng)引起的噪聲，其是由魚(yú)類(lèi)和蝦群、鯨魚(yú)、鯊魚(yú)和海豚等水下生物的活動(dòng)引起的。生物噪聲通常在黃昏之前開(kāi)始，隨著時(shí)間的流逝，噪音變得越來(lái)越強(qiáng)烈，直到日落之后達(dá)到最高。（3）熱噪聲，主要由海水介質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)引起，這也與收集水聲信號(hào)的水聽(tīng)器介質(zhì)有關(guān)。熱噪聲的頻譜級(jí)別比其他類(lèi)型的噪聲要小得多，因此在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)。（4）人為噪聲，主要是由海洋中的人類(lèi)活動(dòng)引起的，尤其是船舶的機(jī)械操作，在海洋中航行的船舶以及港口的人類(lèi)活動(dòng)等[2]。此類(lèi)噪聲在近海水域具有很大的噪聲值，有時(shí)甚至達(dá)到峰值。

2? 水聲通信信號(hào)采集

2.1 水聲數(shù)據(jù)采集

本文在海深大于30m、海底平坦的海域處部署了水聽(tīng)器，分別觀(guān)測(cè)采集1km、2km位置處接收系統(tǒng)信號(hào)，并做好系統(tǒng)接收情況的記錄。一定深度處部署的水聽(tīng)器，包含手動(dòng)按鍵和上位機(jī)采集兩種聲信號(hào)采集方式，本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，選擇手動(dòng)按鍵采集展開(kāi)分析。該采集方式應(yīng)用中，涉及的步驟如下。（1）開(kāi)后蓋，用螺絲刀旋起6個(gè)后蓋螺絲。旋進(jìn)2個(gè)頂蓋螺絲，后蓋脫落。（2）取電子倉(cāng)，后蓋螺絲旋入電子倉(cāng)后端2個(gè)螺孔，抽出電子倉(cāng)。注意保證設(shè)備垂直，水聽(tīng)器朝下。（3）取TF卡，TF卡裝入讀卡器，讀卡器連接上位機(jī)。（4）清空TF卡，打開(kāi)“TF卡提取數(shù)據(jù)”軟件。確認(rèn)寫(xiě)入正確磁盤(pán)號(hào)后，點(diǎn)擊“清除”。（5）安裝TF卡，斷開(kāi)讀卡器，撤下TF卡。將TF卡安裝至采集卡。（6）采集卡上，連接電源接插件。（7）對(duì)時(shí)，打開(kāi)“HBAQ04控制端”軟件（模擬控制），選擇正確串口號(hào)，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕。連接設(shè)定接插件電纜，點(diǎn)擊查詢(xún)狀態(tài)及授時(shí)按鈕。（8）按鍵開(kāi)始采集，長(zhǎng)按采集卡按鍵，直到白色LED閃爍后松開(kāi)按鍵，采集卡進(jìn)入手動(dòng)采集狀態(tài)，觀(guān)察紅色TF卡讀寫(xiě)指示燈是否閃爍，判斷是否進(jìn)入手動(dòng)采集狀態(tài)。（9）裝入電子倉(cāng)，放入后蓋前端O型圈，該O型圈可防止電子倉(cāng)與耐壓殼體碰撞產(chǎn)生噪聲，影響采集效果。（10）裝后蓋，清理后蓋密封O型圈，均勻涂抹硅脂，安裝后蓋，對(duì)稱(chēng)旋緊6枚后蓋螺絲。（11）采集設(shè)備安裝好后，可下水使用。（12）采集完成后，收回采集設(shè)備。（13）開(kāi)后蓋，取電子倉(cāng)。（14）觀(guān)察紅色TF卡讀寫(xiě)指示燈是否閃爍。（15）按鍵停止采集，單擊按鍵，紅色TF卡讀寫(xiě)指示燈熄滅，必須在非采集狀態(tài)下方可撤下電源。（16）系統(tǒng)掉電，撤出電源接插件。（17）取TF卡，數(shù)據(jù)提取，數(shù)據(jù)回放。

采集開(kāi)始的時(shí)間應(yīng)比設(shè)備下水時(shí)間更早，通過(guò)記錄下水時(shí)間，有利于后續(xù)提取處理數(shù)據(jù)效率的提高。設(shè)備下水時(shí)為高頻信號(hào)發(fā)送，發(fā)射功率為全功率，接收正常（間隔約1km處）;下調(diào)功率為1/4時(shí)，依然能夠成功接收;下調(diào)功率為1/8時(shí)，有誤碼及程度不一的丟幀情況產(chǎn)生。

采集數(shù)據(jù)參數(shù)有3個(gè)設(shè)置選項(xiàng)，分別為采樣和截止頻率、程控濾波器增益。采集參數(shù)可使用上位機(jī)完成設(shè)置，但重新上電后設(shè)置自動(dòng)改為默認(rèn)值（100ksps/30kHz/8倍）。

設(shè)置任務(wù)時(shí)，開(kāi)始、停止時(shí)間一同將采集參數(shù)寫(xiě)入任務(wù)。待讀取完每項(xiàng)任務(wù)后，會(huì)以任務(wù)設(shè)置為根據(jù)自行改變采集參數(shù)。如果后續(xù)為手動(dòng)采集狀態(tài)，采集參數(shù)會(huì)根據(jù)任務(wù)中的參數(shù)設(shè)置繼續(xù)采集。參數(shù)采集中，有關(guān)模擬電路整體增益的計(jì)算公式為：

其中，A表示放大模擬電路的總增益（dB）;20.5表示放大前置放大器的倍數(shù);F表示放大濾波器設(shè)置的倍數(shù);2表示放大單端轉(zhuǎn)差分信號(hào)的倍數(shù)。取濾波器放大8倍，約有50.3dB的總增益、328倍的放大倍數(shù);取濾波器放大16倍，約有56.3dB的總收益、656倍的放大倍數(shù)。

2.2 水聲信號(hào)預(yù)處理

基于信號(hào)采集的水聲信號(hào)處理中，由于水下環(huán)境復(fù)雜性較高，預(yù)處理階段需要合理選擇接收與發(fā)送端的換能器[3]。發(fā)送端發(fā)射換能器一般以體積小、輸出功率大、轉(zhuǎn)換效率高的為主，接收端通常會(huì)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)接收換能器，因此應(yīng)以頻帶寬、分辨率高、靈敏度高、無(wú)相位差且頻率一致的為主。

接收信號(hào)通過(guò)水聲信道傳輸后，其大小取決于信號(hào)頻率、接收距離等參數(shù)，且關(guān)聯(lián)著水聲信道多徑干擾構(gòu)成的幅度衰弱，此時(shí)會(huì)降低信號(hào)檢測(cè)性能，通過(guò)自動(dòng)增益控制能維持一致的衰落信號(hào)幅度。自動(dòng)增益控制電路包含1個(gè)乘法器和1個(gè)除法器，如圖1所示。

擬定輸入信號(hào)為，輸出經(jīng)線(xiàn)性檢波后為，此時(shí)除法器輸出為，其中表示電壓參考值，通過(guò)乘法器后輸出為，此時(shí)能確定最終輸入信號(hào)幅度沒(méi)有超過(guò)電壓參考值，呈現(xiàn)出恒定的輸出。

發(fā)射換能器端波形輸出最佳的條件下為最佳波形設(shè)計(jì)，此時(shí)在功率相同的基礎(chǔ)上能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸。

2.3 后置處理與同步捕獲

細(xì)化的快速傅里葉算法（zoom-FFT）是以離散傅里葉變換的頻移原理為基礎(chǔ)的方法，在多普勒頻移修正中能夠抑制計(jì)算量大幅增加的情況[4]。以1/8功率發(fā)射信號(hào)為對(duì)象進(jìn)行zoom-FFT，能使信號(hào)頻率局部改善和放大。根據(jù)相關(guān)資料顯示，假設(shè)為其需要細(xì)化的頻帶中心頻率時(shí)，信號(hào)與相乘進(jìn)行數(shù)字化平移后，處譜線(xiàn)會(huì)移至頻率軸0的位置，結(jié)合低通濾波器將細(xì)化頻段外頻率成分濾除，同時(shí)采取細(xì)化倍數(shù)作為間隔并再次采樣，最后采取FFT變換的方式處理再次采樣的數(shù)據(jù)，并重新排序變換結(jié)果。

目標(biāo)識(shí)別中，開(kāi)始于接收信號(hào)中判斷出碼元的時(shí)刻，將作為同步信號(hào)的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)（LFM）加入幀頭部，捕獲同步信號(hào)并識(shí)別目標(biāo)。圖2呈現(xiàn)了幀結(jié)構(gòu)。

圖2中，線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)（LFM）同步頭與信號(hào)碼元共同組成了每一幀，每幀攜帶byte有20個(gè)，線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)同步頭呈現(xiàn)20～30kHz的高頻率，LFM信號(hào)持續(xù)50ms后間隔50ms。碼元信號(hào)中，每幀包含的碼元有32個(gè)，持續(xù)20ms后間隔20ms。接收端處，選擇Tdata寬度對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)窗口掃描，在MATLAB中對(duì)相應(yīng)信息碼元的采樣信號(hào)展開(kāi)FFT運(yùn)算，同時(shí)以對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為根據(jù)展開(kāi)解碼[5]。

3? 水聲通信信號(hào)處理

選擇1/8發(fā)射功率時(shí)，發(fā)現(xiàn)有丟幀情況發(fā)生在接收端，可判定噪聲干擾會(huì)引起丟幀情況。借助HBAQ顯示平臺(tái)及控制終端處理上文采集的數(shù)據(jù)，提取到MATLAB中實(shí)施LFM同步捕捉、FFT變換、濾波。在傳輸距離維持相等的情況下，對(duì)比全功率發(fā)射信號(hào)得知，丟幀的原因主要是受高頻噪聲影響。

鑒于信道中噪聲影響的緣故，本文擬結(jié)合語(yǔ)音增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，使接收信號(hào)受接收端高頻噪聲的影響能夠減少，具體步驟為：通過(guò)靜音檢測(cè)方法的應(yīng)用，獲取水下聲通道中噪聲時(shí)域信號(hào)，結(jié)合傅里葉變換完成噪聲頻域信號(hào)的獲取，于接收端處通過(guò)傅里葉逆變換恢復(fù)頻域信號(hào)為時(shí)域信號(hào)，如此一來(lái)即可將信道中噪聲干擾消除[6]。低頻噪聲中，通過(guò)主動(dòng)消除技術(shù)的應(yīng)用，人為地在信號(hào)接收端處進(jìn)行“第二噪聲源”的創(chuàng)建，此時(shí)外部音頻噪聲產(chǎn)生的聲場(chǎng)會(huì)抵消第二噪聲源產(chǎn)生的聲場(chǎng)，最終即可減少外部噪聲的影響。

通過(guò)語(yǔ)音增強(qiáng)和主動(dòng)消除技術(shù)的應(yīng)用，1/8發(fā)射功率的條件下，能夠顯著減小高頻和低頻帶給接收端信號(hào)的影響，這也表明了水聲通信系統(tǒng)中通過(guò)應(yīng)用語(yǔ)音增強(qiáng)和主動(dòng)消除技術(shù)，有利于通信性能的提升。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，近年來(lái)海洋勘探與開(kāi)發(fā)步伐不斷加速，低效的水下數(shù)據(jù)傳輸已無(wú)法將實(shí)際需求滿(mǎn)足，因此人們對(duì)可靠且高速的水下聲通信技術(shù)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的需求。本文結(jié)合前人研究成果，研究了水聲信號(hào)采集與處理，旨在實(shí)現(xiàn)接收端同步接收和通信異常的問(wèn)題解決，促進(jìn)通信性能的提高。在丟幀問(wèn)題解決方面，結(jié)合已有相關(guān)文獻(xiàn)，獲取了低功率發(fā)射情況下海洋環(huán)境噪聲為主要影響因素的結(jié)果，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的方法弱化了影響，能獲取更可靠且質(zhì)量更高的水聲信號(hào)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭子源，梁書(shū)源.線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)在水聲通信中的應(yīng)用[J].河北農(nóng)機(jī)，2020（12）：125-126.

[2] 李杰.基于小波分析的水聲通信技術(shù)研究及其硬件實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[3] 姜楠，王彬.基于稀疏自動(dòng)編碼網(wǎng)絡(luò)的水聲通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別[J].信號(hào)處理，2019，35（1）：103-114.

[4] 陳潤(rùn)德.水聲通信信號(hào)采集與處理分析[D].西寧：青海師范大學(xué)，2020.

[5] 王詩(shī)雨.水聲通信自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)與MAC協(xié)議研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2018.

[6] 楊少凡，郭中源，肖東，等.偽裝水聲通信信號(hào)波形設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2019，44（1）：88-97.