单矢量差分幅度相移键控正交频分复用水声通信研究

马旭卓，方尔正

(1.哈尔滨工程大学 水声技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨150001;2.哈尔滨工程大学 水声工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引言

无线水声通信是实现水下综合信息感知与信息交互的主要手段，其中高速水声通信技术由于其高通信速率可传输音、视频文件和高质图像等特点，越来越受到人们的重视，在近几年更是成为水声通信的研究热点。从早期的多频频移键控调制［1］到蛟龙号水声通信系统中选用的正交相移键控、8 阶相移键控调制方式［2］，高速水声通信从非相干水声通信向相干水声通信发展，通信速率和通信性能得到了改善。

为了进一步提高水声通信速率，同时兼顾频带利用率，苏军等［3］将高阶幅度相移键控调制方式应用在水声通信系统中，采用幅度和相位联合调制方式，充分利用星座信号平面，以提高带宽效率和功率效率，从而节约信道频带资源，使其在仿真条件下得到了良好的通信性能。随后，殷敬伟等［4］结合差分调制技术，实现差分幅度相移键控调制方式在高速水声通信中的应用，降低了系统的复杂度，节省了信道资源，在计算机仿真和水池试验的基础上验证了差分幅度相移键控调制方式的优越性能。

矢量水听器由声压水听器和质点振速水听器复合而成，可以共点、同步测量声场的声压标量和质点振速矢量［5］。在各项同性噪声声场中，联合处理声压和振速信息可以获得6 dB 空间增益［6-7］。本文在研究矢量信号处理和差分幅度相移键控调制技术的基础上，提出并设计了基于矢量水听器的高阶差分幅度相移键控正交频分复用(OFDM)水声通信系统，并根据实际水文条件进行了仿真实验，验证了系统的可行性和优越性。

1 差分幅度相移键控的基本原理

差分幅度相移键控是一种差分相干调制解调方式，对幅度和相位信息分别进行差分编码处理，可以有效降低频率选择信道起伏包络的影响，也可有效抑制水声信道的多途影响。以16 阶差分幅度相移键控(16DAPSK)为例，调制星座图如图1 所示［4］，r 为内圆半径，R 为外圆半径，二者满足关系R/r =2，调制信息均匀分布在星座图中，提高了频带利用率;同时采用差分相干解调方式，降低了系统的复杂度，提高了系统的有效传输速率。

图1 16DAPSK 调制星座图Fig.1 Modulation constellation of 16DAPSK

在OFDM 通信系统中，存在时域差分和频域差分两种差分形式，针对水声信道缓慢时变特性，本文差分幅度相移键控调制选择时域差分方式，即在相邻OFDM 符号间同一子载波的差分方式。首先，对输入的四位二进制比特流{a0a1a2a3}前三位{a0a1a2}以8 阶差分相移键控(8DPSK)调制方式进行差分相位调制编码，相位比特映射关系采用Gray码(如表1 所示)，α 为差分调制前的相位信息，则调制后相位信息β 为

式中:i 为OFDM 的符号标识;k 为OFDM 的载波标识。

表1 16DAPSK 差分相位映射Tab.1 Differential phase mapping of 16DAPSK

对第四位比特信息{a3}进行差分幅度调制编码，若b 表示差分调制后的幅度信息，λ 为差分幅度系数，则

式中:λi，k、bi，k和bi-1，k三者关系如表2 所示。

表2 16DAPSK 差分幅度映射Tab.2 Differential amplitude mapping of 16DAPSK

所以，有16DAPSK 的发送信号矢量集

通过水声信道后，接收信号矢量集

解调时，分别对幅度和相位信息进行解调

2 矢量信号处理的基本原理

使用矢量水听器的通信系统可以通过声压和振速信息的不同组合形式，形成的指向不同性，从而获得不同的空间增益［5］。本文的单矢量差分幅度相移键控OFDM 水声通信系统采用的是带宽利用率高的幅值相位调制技术，p ×v 的声压与振速乘积组合形式会让相位信息畸变从而降低系统的通信性能，所以系统选择声压与振速的线性组合方式p+v［8-9］.

本文使用的矢量传感器为二维矢量传感器，仅考虑接收声压信号p(t)、水平方向振速信号vx(t)和vy(t)，三路信号可表示为

式中:s(t)为信源信号;h(t)为信道冲击响应;符号⊗表示卷积。

经过电子旋转后，振速传感器可以获得vc组合指向性，即

在各向同性噪声场中，可认为声压信道的噪声与水平振速信道的噪声是统计独立的，且声压噪声功率是振速信道噪声功率的3 倍，即

对(12)式进行求导，可得当x =3 时，输出信噪比最大，为10lg 4≈6.0 dB. 采用p+3vc的线性组合形式可以获得6.0 dB 的最大空间增益。

3 单矢量差分幅度相移键控OFDM 系统设计

单矢量差分幅度相移键控OFDM 系统设计如图2 所示。在发送端，首先对输入的二进制比特信息进行信道编码和交织编码，在信道编码前可对信源信息进行加扰处理，以进一步降低峰均比和系统误码率;串/并转换后根据差分幅度相移键控调制的基本原理进行高阶差分编码映射;然后经过反快速傅里叶变换(IFFT)，将映射后的数据序列从频域表达变换到时域上;添加循环前缀，使得上一符号的多径分量不会干扰到下一符号，同时保证子载波间的正交性;最后在变换后的串行数据序列前添加线性调频(LFM)信号作为同步信号，以便于接收端的同步检测和多普勒估计与补偿。

在接收端，首先对矢量水听器接收的三路信号分别进行拷贝相关同步检测、块多普勒估计和变采样补偿;然后利用复声强器和直方图估计算法估计方位，改变电子旋转振速传感器的指向性，使得引导方位角等于估计方位角。同时，对声压和振速信息进行线性联合处理，已获的空间增益、提高接收信噪比、降低系统误码率。最后，进行与发送端相应的逆变换过程，完成解调、解码反映射，获得经水下信道后的二进制比特信息流。

图2 单矢量差分幅度相移键控OFDM 水声通信系统设计框图Fig.2 Block diagram of OFDM underwater acoustic communication based on DAPSK using acoustic vector sensor

4 仿真研究

为了模拟真实水文条件下的实验效果，本文根据某水域一天的声速梯度分布(见图3)，利用信道仿真软件，模拟获得真实的水声信道，如图4所示，设置收发节点吊放深度均为6 m，通信距离为500 m.

图3 声速梯度分布图Fig.3 Distribution diagram of velocity gradient

单矢量差分幅度相移键控OFDM 系统参数选择如表3 所示，信道噪声为带限白噪声。利用Matlab 在计算机上进行仿真研究，选择图片信息为信源信息，比特数为96 kbit，在10 dB 和15 dB 信噪比下的仿真结果如图5 所示。

图4 模拟实际信道冲击响应Fig.4 Simulation of underwater acoustic channel

表3 系统参数Tab.3 System parameters

图5 计算机仿真结果Fig.5 Simulation results

图5(a)为信源图片，图5(b)为在信噪比10 dB下单一处理声压信号的恢复图像，数据误比特率为16.36%，图5(c)为在信噪比10 dB 下线性联合处理声压和振速通道信号p +3vc的恢复图像，数据误比特率为6.7%;图5(d)和图5(e)为在信噪比为15 dB 下的相应恢复图像，数据误比特率分别为6.16%和0.87%. 从解调恢复的图像中可以看出，在较低信噪比下，单一处理声压通道信号无法准确辨识图像内容，而p+3vc联合处理声压与振速通道信号可以辨识出图像的大致内容;在较高信噪比下，p+3vc线性联合处理则能比单一处理声压信号更好地还原图像，能较为清晰地看出图像细节内容。不同信噪比下的统计误码率(BER)曲线比对如图6 所示。从上述仿真结果可以看出，对矢量水听器采集的三路信号进行线性联合处理，可以获得空间增益，受环境噪声非各向同性、信道复杂等因素影响，实际获得处理增益约为5 dB，略低于理论值，同时相比于单一处理声压通道信号误比特率降低近一个数量级。

5 结论

图6 不同信噪比下的统计误码率曲线比对Fig.6 BER versus SNR

为解决差分调制技术带来的信噪比损失问题，提高通信质量，基于矢量水听器和高阶差分调制技术，本文提出了应用于OFDM 通信体制中的水声通信系统，较为详细地设计了该通信系统的流程图。根据实际水域的声速梯度使用信道仿真软件建模真实水声信道，并通过Matlab 进行图像高速通信仿真研究，仿真逼近真实实验效果，试验结果可信且有参考价值，验证了单矢量差分幅度相移键控OFDM 水声通信系统的可行性和优越性。

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