基于DS-CDMA序列的LADCP水声通信算法研究

王季煜，吴建波

（中国科学院声学研究所，北京 100190）

基于DS-CDMA序列的LADCP水声通信算法研究

王季煜，吴建波

（中国科学院声学研究所，北京 100190）

下放式声多普勒海流剖面仪（LADCP）是20世纪90年代出现的一种海流剖面测量方式，能够快速获得大范围、全深度的海流剖面数据，在国内外有很广泛的应用。中科院声学所第一次将声通信部分加入LADCP中，完成了LADCP下放的实时监控。文中介绍了适用于LADCP通信特点的一种基于DS-CDMA的通信方法，完成了理论仿真，并通过进行相应的海试，验证了该方法的有效性。

DS-CDMA；协方差函数；下放式声多普勒流速剖面仪（LADCP）；Kasami码

引言

下放式声多普勒海流剖面仪 （Lowered ADCP，简称LADCP）测量技术是20世纪90年代出现的一种海流剖面测量方式，是目前国际海流监测技术的前沿课题，它改变了传统海流观测困难而又昂贵的格局[1]。LADCP通过把特制的ADCP用绞车下放到海底，在下放和回收过程中不断测量海流剖面，经过数据后处理获得整个深度剖面上的海流速度。LADCP能够快速获得大范围、全深度的海流剖面数据，在国内外都已经有较多的应用。

目前，世界上主要有两个LADCP资料后处理研究中心，一是Hawaii大学，二是Columbia大学。Hawaii大学的Eric Firing和Peter Hacker等人以Firing ADCP实验室为依托，首先提出并推动了这项技术的研究和应用；Columbia大学的Martin Visbeck等人在LADCP资料处理方面做了大量的工作[2]。Visbeck,M.在2002年发表的论文[3]系统论述了LADCP的最小二乘反演算法，具有指导意义。

中科院声学所自行研制的LADCP在前人的基础上创新性地将DS-CDMA应用于声通信系统中，实现了LADCP下放深度、距底高度和下放速度的实时回传。在海洋信道多径干扰严重、多普勒频移较大，但声通信速率低的应用背景下，LADCP采用的DS-CDMA的方式，可以有效地进行远距离水声通信，满足LADCP状态信息实时监控的要求，并具有良好的稳定性与准确性。

1 理论分析

无线通信中常用的通信方式有直接序列扩频码分复用（DS-CDMA）、高速的MFSK及高速的 MPSK等。DS-CDMA通信采用的是优选的PN序列，例如Gold序列、Kasami序列等，具有良好的自相关和互相关特性，美国MIT的M.Stojanovic等在水声扩频技术相关领域做了一系列的研究工作[4-5]。与DSCDMA方式相比，MPSK的解码硬件要求高，通信需要的声源级高，费效比差；MFSK的峰值数据率比CDMA高4～10倍，但在通信中在帧头尾加入Chirp信号和保护间隔，符号间也要加入保护间隔，总帧长与63位CDMA码相比没有多少优势，同时Chirp信号搜索算法对硬件要求高，另外峰均比的问题使得问题更加复杂。所以本次试验选取63位Kasami码的DS-CDMA作为通信序列。

1.1 63位Kasami码介绍

Kasami序列是无线扩频通信中经常使用的优选PN序列，它继承了m序列良好的伪随机性，同时具有自相关与互相关特性均较好的特点，抗干扰能力强[6]。

本论文中的实验使用63码的Kasami序列作为DSCDMA通信的PN序列。63位Kasami码共有8种码字，各码字之间的最大相关旁瓣为9，最大互相关值为9，为增加不同码字之间的区别，LADCP解码采用协方差函数模平方值作为评判标准，63Kasami码各码字间的协方差函数模平方特性如图 1所示。

本次试验中每个Kasami码采用循环移位的方法产生0和π相位两种码字，共有16种码字，每个码字承载4 bit的信息。循环移位后码字的相关特性如图1中间的尖峰所示，可见0相位和π在频率偏移较小的情况下可以有效地进行区分。

图1 63位Kasami码协方差函数模平方特性曲线

1.2 LADCP声通信接收端信号处理方法

1.2.1 LADCP通信帧组织结构

LADCP声通信采用8个码字的帧组织方案，完成对LADCP测量下放深度、距底高度、下放速度信息的实时回传。

下放深度信息使用12 bit表示，需要3个码字，并且每次步长为2 m，所以最大表示范围是0～8 192 m；距底高度用8 bit表示，需要2个码字，每次步长为1 m，所以最大表示范围是0～256 m；下放速度由接收信号的多普勒频移进行估算，下放最大速度不超过1.5 m/s。

帧组织结构的8个码字，前两个码字重复高度信息的高4 bit，用来作为帧同步头的起始判决条件，并同时用来计算多普勒频移，从而得到速度信息；第三个码字为空；最后一个码字为校验位，如图2所示。

图2 LADCP水声通信帧组织结构

校验位计算公式为：

其中 +表示“异或”运算。

当误比特率不大于5×10-2时，漏检概率小于10-7。

1.2.2 LADCP信号检测及处理方法

LADCP声通信参数设置为：载频8 kHz，带宽2 kHz。接收采样率为8倍率，64 ksps。发射信号的DA采样率取8倍率，64 ksps。

LADCP声通信接收机端信号处理分为同步和解码两个部分。

在LADCP工作的过程中，LADCP声通信系统不断地处理采集的信号，直到遇到由两个高度高4 bit信息组成的帧头为止，开始解码运算，提取出高度、深度和速度信息。

同步过程利用的是Kasami码的自相关和互相关特性，通过判断相邻码字的协方差函数模平方曲线形状来判断信号的开始位置。当遇到图2所示的帧头时，协方差函数模平方曲线呈三角形，三角形的顶点即为信号的起始位置，如图 3中三角形所示。

图3 LADCP水声通信信号相关函数模平方与信号对应关系图

在帧头位置的判定过程中，为降低运算量，将采样得到的原始信号进行混频降采样，降采样后采样率与信号的中心频率相同，为基带信号带宽的8倍。

其中：x为原始信号序列；y为混频降采样后的信号序列。

降采样后的数据计算协方差函数C的模平方值P。当获得开始两个码字的信号时，开始计算第一个协方差函数模平方值C[0]及自相关值R[0]。

后续的协方差函数与相关函数值可以使用简化的公式进行计算：

计算协方差函数的模平方值P，并得到两个码字的互相关系数ρ的近似表示：

得到信号的协方差函数的模平方曲线后开始确定信号帧的起始位置。首先确定一个判定起始点P1，并得到该点为起点的后面两个码字长度信号的协方差函数模平方值N，以此点为基准，计算后续的模平方值，并在每次计算中记录从P1开始的后续点中模平方的最大值M及对应的点P2，继续计算新点P3对应的模平方值Q，并与M比较，当Q＜M/2时，计算P2到P3的距离D=P3-P2，当D在一定的范围内时判定P2可能为信号的起始。LADCP海试中D的范围设定为码字长度的20%～120%（同步位置误判概率小于2%，漏判概率小于1%），当超过这个范围时，认为是噪声干扰。如果P2点同时满足M＞模平方阈值及相关系数P＞0.3（此阈值用以过滤环境噪声）。

同步判定后进行信号解码，并用校验位检验码字的有效性。将各码字信号与本地存储的信号进行相关运算，并判断图1所示的两个峰值位置处的值的大小，取其中的最大值对应的码字及相位为解码结果。由于多普勒频移引入的频偏，所以此处找峰值采用分段求和的方法，即计算理论峰值附近1/4码长的相关函数的和作为判断标准，找出这16个和值的最大值。计算出各个码字的结果，经过校验，最终得到LADCP发送的高度、深度信息。

式中c为声速，按照1 500 m/s计算；n为编码位数；Q为码元周期数。

1.3 LADCP声通信解码部分简要流程

图4 LADCP水声通信解码部分信号处理流程

其中，流程的前两个步骤，即采样和计算协方差模平方值是在不断循环执行的；终端显示包括下放深度、距底高度及速度的数码管显示和语音播放，为操作人员提供指示。

2 海试数据处理及其结果

图5 高信噪比下信号波形

2.1 海试数据处理

2009年4月采集LADCP浅海下放时高信噪比的信号波形如图5所示。对该信号计算协方差的模平方，得到曲线如图6所示。

图6 信号协方差函数模平方

图5中幅度较大的波形即为采集到的信号波形，前面为噪声信号，后面的拖尾为多径干扰。图6中可以清晰地看到用以进行同步判定的三角形协方差模平方曲线，三角形后面值较大的部分是信号体，如果同步位置寻找成功则信号体部分不会进入同步判断流程。

2.2 海洋噪声信号

接收机下放水深100 m时的噪声信号如图7所示，分析其频谱如图8所示，信号主要集中在以8k为中心的4k的带宽内。

图9中显示的接收机不同的下放深度下噪声的变化曲线表明，海洋中不同深度的噪声并非按照球扩散原理递减。原因是，在下放深度较浅时，海面的噪声源并不能看做是点源，另外海流噪声及通信机本身噪声也不能忽略不计。另外海洋是个复杂的信道，有较强的吸收衰减，海面噪声及信号在传输向较深的海域的过程中要受吸收衰减的极大影响。

2.3 LADCP水声通信效果

图10显示的是2010年3月20日，在水深1 700 m海域跟踪测量LADCP下放深度曲线。下放的过程中解码错误的概率小于0.37%，数据更新间隔小于10 s，处于人工操作耐受的范围内。

图7 海洋噪声信号

图8 海洋噪声频谱

图9 不同深度下接收机测得噪声有效值的变化曲线

图10 LADCP下放深度记录曲线

在深度为1 700 m时测得信号信噪比为22.5 dB，考虑到海底信号传输过程球扩散和吸收衰减，用Thorp经验公式（11）来描述信号衰减，可以推断出声通信的作用距离大于10 000 m，达到了国外先进水平。

由此可见，LADCP水下通信这种低数据率、远作用距离、强多径干扰的情况下，使用DS_CDMA的通信方式可以有效地进行通信，满足对LADCP下放实时监控的要求。

3 结论及展望

海试表明，应用于LADCP声通信的DS-CDMA序列可以有效地在海洋这种低数据率、远作用距离、强多径干扰的复杂通信信道中进行有效的通信。在远距离通信中比MPSK及MFSK更适用于水声信道，通过适当的帧组织结构，可以达到海洋低数据率信号的实时远距离传输。

DS-CDMA在水声通信中的优秀表现，使其可以应用于低数据率传输的各种海洋信道中。通过选取适合的PN序列，可以进一步降低信号间的相关性，从而使信号承载更多的信息，在保证通信质量的前提下进一步提高通信的数据率，以满足更广泛的要求。

[1]熊学军．东海黑潮流的LADCP测量、诊断计算及分析研究[D]．青岛：国家海洋局第一海洋研究所，海洋环境与数值模拟实验室，2002．

[2]Martin Visbeck.Deep Velocity Profiling with Self-contained ADCPs[J].Atmos And Oceanic Tech,1993，10：764-773.

[3]Martin Visbeck.Deep velocity profiling using lowered acoustic Doppler current profilers:bottom track and inverse solution[J].Atmos and Oceanic Tech,2002，19：795-807.

[4]M.Stojanovic.Analysis of Channel Effects on Direct-Sequence and Frequency-Hopped Spread-Spectrum Acoustic Communication[J].IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING,2001，26(4):8.

[5]M Stojanovic.Hypothesis-feedback equalization for direct-sequence spread spectrum underwater communications[C]//Proc IEEE Oceans'00 Conference.2000.

[6] 宫剑，毕红军，等.Kasami扩频序列的研究[J].北方交通大学学报，2001，25（3）：103-106.

Research on Underwater Communication of LADCP Based on DS-CDMA

WANG Ji-yu,WU Jian-bo
（Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

LADCP is a new method to measure profile of the ocean current,which appeared in the nineties of the 20th century.It is widely used in wide scope and full depth velocity profiling in the world.The Institute of Acoustics adds the communication function to LADCP creatively,which makes it possible to transmit position and velocity information to the upper controller in the deck timely.A DS-CDMA which is fit for LADCP communication is introduced.Computer simulation and sea trials are processed and great successful has been achieved.

DS-CDMA;covariance function;LADCP;Kasami Code

TB566

A

1003-2029（2010）04-0054-05

2010-06-20

深海下放式声学海流剖面测量技术（2006AA09A311）

王季煜（1984-），男，山西人，中国科学院声学所博士研究生，研究方向为信号与信息处理。Email：wjywjwjy@163.com