基于参量阵的M FSK水声通信技术研究

李兴勇，宋业强，李 伦，陈 敏（电子科技大学 航空航天学院，四川 成都611731）

基于参量阵的M FSK水声通信技术研究

李兴勇，宋业强，李 伦，陈 敏
（电子科技大学 航空航天学院，四川 成都611731）

介绍了参量阵理论和MFSK水声通信原理及特点。在水声通信中，由于水声信道具有有限的信道带宽、随机时变-空变-频变和信道多途干扰的特性，这些因素都制约着水声通信技术发展。针对上述一些问题，提出了一种基于参量阵的MFSK水声通信方式，并给出了基于参量阵定向传输算法的调制方法，利用信道的非线性作用实现参量阵的自解调得到调制信号。仿真、实验结果表明：这种具有高度指向性的通信方式在水声通信中具有明显的抗干扰能力，能有效的抑制信道的多途效应。这种具有较高的水声通信质量的方式在水下通信中具有很高的应用价值。

MFSK；水声通信；非线性作用；多途效应

水下通信技术按手段通常分为电磁波通信和非电磁波通信。由于电磁波在水中的衰减系数较大，而声波作为非电磁波能够实现水下远距离传输。因此，水下通信主要是水下声波通信。国内外对于水声通信的研究已经投入了大量的资源和时间，并取得了较大的发展和进步。

但是，仍然存在很多关键问题，如水声信道时间、频率上的双重扩展的影响产生严重的多途效应，引起信号的衰落失真和信号间相互干扰等问题［1］。本文基于对水声参量阵通信技术的研究，以一种创新的通信方式提高水下通信质量。当声场中同时存在两个高强度声波是，产生差频波及和频波，从水声工程的角度来看，由两个高强度声波产生差频波即为水声参量阵。

1　水声参量阵理论模型

根据线性声学原理，声场中同时存在着两个不同频率的声波，总的声场p（t）只是两个声波的线性叠加。例如，存在两个频率分别为ω1和ω2，振幅分别是P1和P2的正弦波，假如二者传播方向相同，处相相同，则声场的声压为：

但是，由于线性声学是建立在均匀介质的环境条件下，并忽略了信号对传播介质的影响。在实际环境中，声波信号对介质产生扰动，导致声波信道介质的不均匀性并产生“声散射声”现象。在非线性声学的作用下，散射声中将存在两个声波的差频、和频及谐波成分。此时，声场的声压表达式为：

其中S表示非线性效应的声压强度，参量阵在实际应用中，差频信号S cos（（ω1-ω2）t）/2是我们重点研究并应用的对象。参量阵声场因为是一个累加场，差频波的总能量是随着传播距离的增加而增加的，排除差频波的吸收效应，近场的声源级要比远场声源级低，从而保证了参量阵具有较远的传播距离的特点［2］。

图1　水声参量阵非线性作用示意图

非均匀介质中的非线性作用实现了信号的自解调，Westervelt在准直平面波的假设下根据流体力学于1963年提出了差频声压计算公式［3］:

式中β是介质的非线性参数，ωs是差频，P1和P2分别是两个源波幅度，ρ0是介质密度，c0介质中的声速，S0波束横截面积，ks差频波波数，θ方向角，R点到声源的距离，R≫1/α，α=（α1+α2）/2，其中α1、α2分别是两个源波的吸收系数，1/α通常称为参量阵的有效阵长。根据参量阵的指向性特性可知差频波波束很窄，在理论和实验条件下均满足以下公式［4］：

上述结论只适用于准直平面波，并没有考虑扩散因子，不能适用于远场扩散区。Berktay和Leahy在考虑扩散因子之后得出远场差频声场公式［5］：

式（6）中A=（α1+α2）/2-αs，αs是差频波的吸收系数，u= cosγcosθcos（φ-η）+sinγsinθ，θ、η分别是场源的方向角，γ、φ分别是源点的方向角，D1、D2分别是两个原波的方向函数，其余物理参数同式（4）。根据上述公式可以明显看出，式（6）考虑了差频本身的吸收效应。

2　水声通信技术

水声信道作为水声通信系统的传播媒介，它和常规的无线电信道既有相似也有其独特性，随着无线移动网络技术的发展壮大，水声通信技术也在其影响下取得了一定的发展。

调制是指用来自信源的数字基带信号去调制某个载波，载波是一个固定或者确定的周期性信号，一般为余弦信号。

你们急个啥？老冬瓜说。老鳜鱼可没说要杀谁。他那把刀子，有一尺多长，锋利着呢，刀片可也不薄，握在手里正好，沉甸甸的，满有手感。

式（7）是载波信号的一波变道时，其中A为振幅，f为载波频率，φ为载波的初始相位。式中的3个参量：振幅、频率、相位都可以被单独的调制编码。根据需要调制的参数的不同，可以把调制方式基本分为振幅键控 （ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。在3种调制方式的基础上发展处了多进制的调制方式：多进制振幅键控（MASK）、多进制频移键控（MFSK）、多进制相移键控（MPSK）。

图2　3种调制方式

水声通信具有其独特性：多途效应，是影响水声通信的主要因素。在上述3种方式中，相移键控是最容易被干扰、信号接收处理最复杂的方式，而振幅键控也容易被外界信号所干扰。频移键控作为一种能量检测（非相干）而不是相位检测（相干）算法，FSK系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性［7］。

2FSK的基本原理是用不同的基带数字信号来调制载波信号的频率，即不同的调制频率分别表示数字信号0或1，如表达式（8）：

上式中φ0和φ1分别是载波信号的初始相位，A为信号幅值，f0和f1分别表示了数字信号的0和1，其中m进制频移键控的调制频率为fm∈（f0f1f2…fm-1），一般m是2的N次方。传统FSK水声通信系统如图3所示：

图3　MFSK水声通信系统框图

尽管FSK调制解调有很好的可靠性，但是普通声源在信号传输中存在较大的多途效应，严重影响通信质量，现阶段水声通信技术通过线性调频等算法来实现帧信号同步及信号检测来弥补信道的多途效应。

3　基于参量阵的MFSK水声通信

为了进一步解决水声信道的多途效应所带来的信号干扰，本文提出一种能很好综合水声参量阵和水声MFSK调制算法有点的水声通信方式，该方法利用水声参量阵的高指向性进行信号传输不仅能有效的减少信道的多途效应，同时能够在通信过程中保证通信过程中的安全性。水声参量阵声场因为是一个累加场，差频波fm的总能量是随着传播距离的增加而增加的，排除差频波的吸收效应，远场的声源级要比近场声源级高，从而保证了参量阵具有较远的传播距离［6］。本文的水声通信系统对数字编码的数据采用了频移键控（FSK）调制方式。作为一种能量检测（非相干）而不是相位检测（相干）算法，MFSK系统被认为对于信道的时间和频率扩展具有固有的稳健特性。采用数字技术有两个方面的好处:首先，它允许采用纠错编码技术来提高传输的可靠性；第二，它允许对信道混响做一定的补偿，包括时间和频率上的补偿，从而进一步保证了通信过程中的通信质量［8］。基于参量阵MFSK水声通信系统框图如图4所示：

图4　参量阵MFSK通信系统框图

3.1参量阵声源

基于参量阵的MFSK水声通信将参量阵作为信号源向水介质用发出强烈调制的超声波；超声波在沿其传播轴行进的过程中不断通过非线性交互作用解调出差频波fm信号；这些不断解调出来的差频波fm叠加起来，由此一个端射式虚拟声源阵列（end-fire virtual array）通过这种方式实现了，这个虚拟声源阵即所谓的参量声学阵，该这阵列使得差频波的能量在声波前进方向上不断得到加强。由于超声波具有很强的指向性，传播主轴方向以外这种叠加加强效应将会很微弱，而且其他方向传播能量极易被水介质所吸收，这最终使得差频波fm在主传播轴方向具有很强的指向性［6］。

图5　水声参量阵信道示意图

3.2MFSK信号的参量阵定向调制

与传统水声通信系统不同的是：数字信号x（n）经RS编码、串并转换得到调制信号fm之后，会将fm再进行一次定向算法调制并通过超声波换能器发射。此时输出信号表达式如下：

式（9）中，A为信号幅度，ω0是参量阵定向调制的载波频率，fm是MFSK调制频率，φ和η分别是调制波和载波的初始相位，T是信号帧周期时间。仿真设置信号载波频率为40 kHz，T=100ms，时隙为50ms，其时域波形如图6所示。

图6　参量阵MFSK信号时域波形

在信道的非线性作用下，调制信号S（t）自解调产生信号fm，利用Westervelt等人提出的理论和公式，陈敏等人原有的理论基础上提出了更具有一般性的远场非线性声压的计算公式来获得fm的声压［6］，即公式（11）：

4　水声参量阵MFSK通信实验

水声参量阵的通信研究多限于文献中的仿真，本课题组在2014年11月在昆明某研究所的室内试验水池中进行了首次基于参量阵的MFSK通信试验。

通信系统在基于FPGA的平台上进行设计程序，并实现信号处理及调制。其中，定向调制载波信号为40 kHz；选用DSB算法进行调制；编码时间10ms，时隙15ms，则信号帧周期为25ms；每个码元携带n=4 bit信息；选用RS编码技术进行数字编码，通信速率为160 bps。

实际信道虽然是在体积较小的水池中进行，为了避免池壁对信号的反射，水池的六面均使用了消声材料进行消音。在通信过程中，充分验证了上述的一些理论和仿真。

下面是以某次实验为例进行分析，声源距离检测点20m处的信号。实验中接收到的信号帧如图7所示，此时信号处于虚拟声源范围内，能够同时检测到原波S（t）和差频波fm。

图7　基于参量阵的MFSK水声信号

图7（a）是原波S（t），信号帧周期为25 ms，编码时间为10 ms，时隙为15 ms；图7（b）是编码信号，基波频率为 40 kHz；图7（c）为通信过程中信道自解调产生的差频波fm信号，频率为2.5 kHz；图7（d）为信号S（t）的频谱。

4.1帧信号同步检测验证

多途效应是水声通信中对信号传输影响最严重的，为此，在水池实验过程中对参量阵所产生的多途信号进行了检测。如图8为水池中实时信号帧的音频图，从图中基本可以排除多途信号的存在。说明了在参量阵水声通信系统中，参量阵的高指向性能够有效的抑制多途效应的产生。

图8　基于参量阵的归一化MFSK水声信号

4.2MFSK调制解调结果验证

数字信号由MATALB生成并通过调制发送，在水听器这段进行信号解调并对数据进行保存，后再经过MATLAB读取并进行比较。最终的实验结果显示误码率均为0。

从上面的实验结果可以看出，该系统在室内水池中能够实现正确的通信，但是由于实验环境限制，未能进一步验证在自然水域环境中的误码率。

5　结　论

本文在对水声参量的基础理论上，结合水声通信中的MFSK技术特点，提出了一种全新的通信方式：基于参量阵的MFSK通信系统。采用了参量阵的定向调制算法，实现了通信信号的定向传输，利用信道的非线性作用解调出差频信号并解调出对应的数字信号。实验表明，该通信方法能够有效的抑制水声通信中的多途效应，能够在抗干扰能力上进一步提高水声通信技术。

［1］覃杰莉.水声通信系统多载波MFSK技术设计与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

［2］李颂文.参量阵及其在水声工程中的应用进展［J］.声学技术，2011，30（1）:9-16.

［3］Westervelt P J.Parametric acoustic array［J］.The Journal of the Acoustical Society of America，1963，35（4）:535-537.

［4］Berktay H O.Possible exploitation of non-linear acoustics in underwater transmitting applications［J］.Sound Vib，1965，2（4）:435-461.

［5］Berktay HO，Leahy DJ.Far fieldperformance of parametric transmitters［J］.J.Acoust.Soc.Am，1974，55（2）: 539-546.

［6］陈敏.声频定向系统理论与关键技术研究［D］.成都：电子科技大学，2008.

［7］陈乃锋.MFSK水声通信信号处理子系统的设计与实现［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

［8］马雯，黄建国，张群飞.FDM与MFSK相结合的水声远程信息传输［J］.数据采集与处理.2005，20（4）:423-427.

【相关参考文献链接】

郝雯.基于MSP430F169的水声遥控发射系统设计［J］.2014,22（5）：141-143.

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张斌，徐志京.基于压缩感知的水声数据高效传输及其仿真［J］.2014,22（20）：23-26.

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刘青，杨勇.基于嵌入式LINUX的智能车载终端系统的设计［J］.2014，22（23）：81-83.

The research of MFSK in the underwater acoustic communication based on parametric array

LIXing-yong，SONG Ye-qiang，LILun，CHEN Min
（School of Aeronautics and Astronautics University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Introduces the theory and characteristic of parametric array and MFSK in the underwater acoustic communication. Water acoustic channel has a limited bandwidth，random time-varying，space-variable，frequency-dependent and signal's multi-path interference，these factors restrict the developmentof underwater acoustic communication technologies.In order to solve these problem above，We proposed a new way ofMFSK in the underwater acoustic communication，and themethod of modulation for the directional transmission based on parametric array，which can get signal demodulated by the parametric array's self-modulation under the channel's nonlinear interference.It proved by the simulation and experiment that:this high directionalway ofunderwateracoustic communication can resist the noise interference，inhibit themulti-path interference.The high qualityway ofunderwateracoustic communication hasa high value in the underwater communication.

parametric array；MFSK；underwater acoustic communication；nonlinear interference；multi-path interference

TN929.3

A

1674-6236（2016）19-0184-04

2015-10-26稿件编号：201510185

李兴勇（1991—），男，重庆人，硕士。研究方向：水声通信，海底探测，信号与信息处理。