水下艦艇擴頻通信體制研究

摘" 要： 水下艦艇通信采用的水聲通信方式在長距離傳輸中信號衰減嚴重，且因為隱蔽性需求信號功率受限，疊加受到多徑干擾和海洋背景噪聲干擾，通信誤碼率較高。為此，提出水下艦艇擴頻通信體制研究。設計擴頻通信體制，利用擴頻通信體制拓寬傳輸帶寬，提升遠距離衰減下的通信信噪比；采用類白噪聲的偽隨機碼m序列和OPS序列作為擴頻碼組建編碼序列集，解決白噪聲干擾、多徑干擾和碼分多址的問題。測試結果表明：同等條件下，采用m序列的擴頻通信結果更優(yōu)，可以實現(xiàn)-25 dB下誤碼率低于1%的可靠通信。經(jīng)過該方法調(diào)制后，剔除了噪聲干擾和多徑干擾，增強了衰減的高頻信號，解決了水下通信遠距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾等問題。

關鍵詞： 水下艦艇通信； 擴頻通信； m序列； OPS序列； 誤碼率； 信噪比

中圖分類號： TN929.3?34" " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）01?0107?05

Research on spread spectrum communication system of underwater vessels

LI Yao， ZHAO Jiankang， LONG Haihui

（School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： The underwater acoustic communication method used for communication on underwater vessels is confronted with severe signal attenuation in long?distance transmission， and due to the requirement of concealment， the signal power is limited and is affected by multipath interference and ocean background noise interference in a superposition manner， resulting in high communication error rate. Therefore， this article proposes the study of underwater vessel spread spectrum communication system. A spread spectrum communication system is designed， and the spread spectrum communication system is utilized to expand transmission bandwidth， so as to improve communication signal?to?noise ratio （SNR） under long?distance attenuation. Pseudo?random code m?sequences and OPS sequences similar to white noise are used as spreading codes to construct an encoding sequence set， so as to get rid of white noise interference， multipath interference and code division multiple access （CDMA）. The test results show that under the same conditions， the spread spectrum communication using m?sequences yields better results and can achieve reliable communication with an error rate below 1% at -25 dB. After the modulation with the proposed method， noise interference and multipath interference are eliminated， and the attenuated high?frequency signal is enhanced， so the problems of long?distance attenuation， multipath interference and background noise interference in underwater communication are eliminated.

Keywords： underwater vessel communication; spread spectrum communication; m?sequences; OPS sequence; bit error rate; SNR

0" 引" 言

低頻水聲信號可以在海洋中傳播數(shù)百公里，因此常用于水下艦艇通信[1?2]。但在實際應用場景中，水下艦艇需要限制信號發(fā)射功率，確保信號隱藏在海洋背景噪聲中，以免被敵方水聲探測設備發(fā)現(xiàn)[3]。遠距離的水下信號傳播中，使水聲信號具有衰減效應[4]。同時，由于聲速分布不均勻造成水聲傳播的時間差[5?6]，這使得通信信號具有嚴重的多徑效應。為此，有必要對克服遠距離衰減、多徑干擾和噪聲干擾等問題的水下通信體制進行研究。

文獻[7]采用自適應調(diào)制編碼方式、實時調(diào)整編碼方式等設計通信體制參數(shù)，該方法僅補償多普勒信號，應用在水下傳輸中，傳輸帶寬較低，導致通信信噪比較低。文獻[8]采用改進的Gold碼優(yōu)化了水聲擴頻通信的性能，該方法在擴頻通信中無法準確計算適宜的帶寬容量，導致通信信噪比較低。文獻[9]使用艾森斯坦整數(shù)和混沌序列構造SCMA碼，并基于SCMA碼提供了水聲隱蔽通信方案，該方法未建立編碼序列集，無法解決水聲多徑效應。文獻[10]設計擴頻水聲通信系統(tǒng)，結合交織混合擴頻通信方法與M進制碼設計水下通信體制，該方法使用的M進制碼未建立序列集，仍然受到水聲多徑干擾。文獻[11]提出了基于OSDM和直接序列擴頻調(diào)制的水聲通信系統(tǒng)，該方法無法有效增強傳輸帶寬，信噪比不足。

為了解決上述問題，本文進行了水下艦艇擴頻通信體制研究。

1" 擴頻通信體制設計

針對水下艦艇通信面臨的遠距離衰減、多徑干擾、海洋背景噪聲干擾等問題，設計擴頻通信體制。利用擴頻通信拓寬傳輸帶寬，提升遠距離衰減下的通信信噪比，增強抗噪聲干擾能力；采用類白噪聲的偽隨機碼作為擴頻碼組建編碼序列集，解決多徑干擾和碼分多址的問題。

1.1" 基于直接序列擴頻通信技術的信道容量增強體制

擴頻通信技術是一種旨在增強信息傳輸?shù)目煽啃远O計的技術[12?14]，利用擴頻通信技術對遠距離衰減的水聲信號帶寬進行擴容。

信道帶寬容量決定了水聲信號遠距離傳輸能力與通信信噪比，基于香農(nóng)信道容量公式構建帶寬擴容模型[15]為：

[C=Blog21+SN] （1）

式中：[C]表示擴容后的信道帶寬容量，其含義是通信信道中在單位時間里可以準確傳輸?shù)淖畲笮畔⒘?，信道容量的單位是b/s；[B]代表信號頻寬，單位為Hz；[S]表示通信信號功率，單位是W；[N]是噪聲功率，單位為W；[SN]表示通信信號的功率和通信環(huán)境中噪聲功率的比值，記作信噪比（SNR）。

使用直接序列擴頻技術進行水下聲波通信帶寬擴容。直擴系統(tǒng)在信號傳輸前把低速信息信號和高速擴頻碼波形相乘，通過多次調(diào)制和混頻發(fā)射解決信號衰減問題，通過擴頻發(fā)生器實現(xiàn)了待傳輸信號頻譜的帶寬擴展。

直接序列擴頻技術的工作流程圖如圖1所示。

1.2" 基于擴頻碼的抗干擾優(yōu)化

在一個受到海洋背景高斯白噪聲干擾并且在長距離傳輸中衰減的通信信道中，最有效的通信信號應具備類似白噪聲的統(tǒng)計屬性[16]。偽隨機序列具有接近或類似于高斯白噪聲的特性，因而利用其作為擴頻通信中的擴頻碼，以抵抗海洋環(huán)境噪聲干擾和多徑干擾，實現(xiàn)水下通信優(yōu)化。

m序列是擴頻通信中常使用的偽隨機序列之一，它可以通過線性移位反饋寄存器來構造。m序列與白噪聲類似，且具備優(yōu)秀的抗噪能力[17?18]。[n]階m序列的序列周期為[N=2n-1]。

m序列對白噪聲的抑制函數(shù)為：

[Rmτ=CN，τ=0-1，τ≠0] （2）

式中[τ]為白噪聲。

但m序列無法解決多徑干擾問題，因此針對多徑干擾問題，使用最佳屏蔽序列偶和Walsh序列組合構成零相關區(qū)序列偶集，獲得最佳屏蔽零相關序列偶集（Optimized Punctured Zero Correlation Sequence?pair Set， OPS）作為編碼序列集[19]。

設OPS擴頻碼第[j]個編碼序列[{xj}]和[{yj}]長度均為[M1]，符合以下條件：

[yj=0，j∈Pxj，j?P] （3）

式中：[xj∈{-1，1}]；[P]表示屏蔽位集合；序列[{xi}，{yi}]為屏蔽二進序列偶，利用其抑制白噪聲的函數(shù)[Rxyτ]。

[Rxyτ=E，τ≡0 mod M10，other] （4）

式中[E]為正常數(shù)。對于奇數(shù)長度的偽隨機序列，將序列中的“-1”均換成為“0”，那么原偽隨機序列與新序列即為最佳屏蔽二進序列偶。

OPS序列中編碼矩陣[U]與解碼矩陣[V]計算公式如下：

[ui，j=xji mod M1Hk，lvi，j=yjj mod M1Hk，l] （5）

式中：[ui，j]和[vi，j]分別代表矩陣[U]和[V]第[i]行第[j]列的元素；[Hk，l]為[M2]階哈達瑪矩陣[H]第[k]行第[l]列的元素。

OPS序列的多徑干擾抑制函數(shù)如下：

[Rumvnτ=Rxyττ=0L-1umi，jvni+τmod L， j] （6）

式中：[um]和[vn]分別表示[ui，j]的第[m]列和[vi，j]的第[n]列；構造的單個編碼長度[L=M1M2]。

由此通過直接序列擴頻通信技術的信道容量增強解決遠距離衰減問題，通過基于擴頻碼的抗干擾優(yōu)化解決多徑干擾和海洋背景噪聲干擾問題。

2" 通信體制測試分析

2.1" 測試準備

以某水庫作為實驗地點，6個水下聲通信組件放置深度均為5 m，發(fā)射船與接收船相距1 300 m。

實驗場景如圖2所示。

基于以上實驗場景進行測試。使用1 kHz低頻信號進行BPSK直接序列擴頻通信，通信誤碼率用BER表示，BERlt;1%視為滿足水聲通信的精度要求。實驗中將海洋背景噪聲的擾動設置為白噪聲，將信噪比設置為-20 dB以下。采用帶通數(shù)字濾波器對接收信號進行處理，頻率下限為500 Hz，上限為10 kHz。

信道參數(shù)設置如表1所示。

基于上述參數(shù)數(shù)據(jù)，通過Matlab進行仿真實驗。仿真的硬件基礎為Intel i7?4860k處理器、260 GB?SSD固態(tài)硬盤、32 GB內(nèi)存卡。軟件基礎為Microsoft Windows 8.0運行系統(tǒng)。

2.2" 測試結果

由于擴頻碼中的m序列和OPS序列均與白噪聲相似，因此分別測試m序列和OPS序列這兩種擴頻碼與白噪聲的自相關性能。

選取長度為63的m序列和長度為62的OPS序列，兩種擴頻碼與白噪聲的自相關性能如圖3所示。

由圖3可知：m序列的自相關特性為類似于白噪聲的0軸沖激響應；而OPS序列的自相關函數(shù)為與白噪聲略有不同的周期沖擊響應函數(shù)。兩種擴頻碼的相關特性各有優(yōu)劣。

比較不同信噪比和調(diào)制周期數(shù)對擴頻通信誤碼率的影響，結果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，使用兩種擴頻序列時，低信噪比均會降低同周期調(diào)制數(shù)下的通信質(zhì)量。當信噪比為-40 dB時，誤碼率遠遠大于1%，通信完全失真。當信噪比增加至-25 dB以上時，所取三個調(diào)制周期數(shù)下誤碼率結果均為0，完全滿足通信精度要求，即使調(diào)制周期數(shù)很小，也可以完全無損地傳輸信息。

同時，對比表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，基于m序列的擴頻通信誤碼率略小于基于OPS序列的擴頻通信誤碼率。因此，為了保證水下艦艇隱蔽通信的可靠性，可以選擇m序列作為擴頻通信的擴頻碼。

測試本文設計的基于m序列擴頻碼的擴頻通信機制的信號調(diào)制效果，如圖4所示。

如圖4所示，發(fā)射信號的信息和頻譜完整，混合了高低頻信號，但發(fā)射信號經(jīng)過多徑干擾和噪聲干擾的混合信道后出現(xiàn)信號畸變衰減情況。而經(jīng)過本文方法調(diào)制后，不僅剔除了噪聲干擾和多徑干擾，還分割了低頻和高頻信號，增強了衰減的高頻信號，并將其劃分為多個相關峰，說明本文方法設計的擴頻通信機制通信效果良好，能夠解決水下通信的遠距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾問題。

3" 結" 語

為了解決水下通信遠距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾等問題，本文研究了水下艦艇擴頻通信體制。

文中測試對比了兩種偽隨機碼m序列和OPS碼的相關函數(shù)性能，并對比了分別基于m序列和OPS序列的擴頻通信在不同信噪比和調(diào)制周期數(shù)下的通信質(zhì)量，結果表明基于m序列的擴頻通信誤碼率更低，并且可以在信噪比高于-25 dB時實現(xiàn)可靠的水下隱蔽通信?；趍序列碼的擴頻通信機制通信效果良好，能夠解決水下通信的遠距離衰減、多徑干擾、背景噪聲干擾問題。

注：本文通訊作者為趙健康。

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基金項目：上海商用飛機系統(tǒng)工程聯(lián)合研究基金（CASEF?2022?MQ01）

作者簡介：李" 堯（1998—），男，江蘇泰興人，碩士研究生，研究方向為海洋水聲通信。

趙健康（1966—），男，湖南長沙人，博士研究生，教授，研究方向為導航制導與控制、無人機技術、水聲通信與導航技術、視覺檢測與導航等。

龍海輝（1984—），男，湖南株洲人，博士研究生，助理研究員，研究方向為組合導航。