直扩技术在水声通信中的可行性研究

2017-03-08卢鉴鑫刘玉良

浙江海洋大学学报(自然科学版) 2017年6期

卢鉴鑫，刘玉良

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江舟山 316022）

由于开发海洋的需要，现代通信系统已经逐步从陆地和空中延伸到了海洋。水声通信作为水下唯一有效的通信手段，通过声波在海洋介质中的传播与接收，承担起数据、语音以及图像等多种形式信息的水下传输工作，越来越受到各国的重视。而水声通信中最困难的问题就是如何处理好水声信道中多途效应、强衰落以及强噪声环境等问题[1]。

目前在处理多径干扰问题上主要有自适应波束形成、自适应均衡、分集以及扩频技术。扩频技术，作为唯一能工作在负噪声比条件下的通信技术，由于其能够拓展信号带宽，抑制干扰，而且还能利用多径干扰的能量提高信噪比，极大的改善了系统的性能，越来越成为抗多径的研究对象[1]。在这里主要介绍直接序列扩频系统（DS-SS），采用的调制方式为BPSK调制。非相干FSK调制技术虽然比较可靠，但是它的频带利用率非常低，不太适合应用在带宽受限的水声信道，而PSK技术的频带利用率和抗噪性能都是最优的。因此目前水声通信中主要研究都放在相位相干调制技术上[2]。本文主要通过MATLAB软件，仿真扩频系统在多径、强噪声信道下的误码率，分析扩频技术是否具有抗多径抗干扰能力，继而通过水声设备出海实验，采集数据图像分析扩频技术在水声通信的可行性。

1 扩频通信技术

1.1 扩频技术的理论基础

1.1.1 Shannon公式

Shannon定理[3]指出：在高斯白噪声条件下，通信系统的极限传输速率（或称信道容量）为

式中：B为信号频带宽度，单位为Hz；S为信号平均功率，单位为W；N为噪声平均功率，单位为W；C为整个通信系统的信道容量，单位为b/s。

从Shannon公式中可以看出，当整个通信系统容量C一定时，可以通过增加信号频带带宽B来降低系统对此带宽中信噪比的要求，从而能够提高了整个系统的性能。而增加信号频带带宽则可以通过扩频调制来完成，即利用伪随机序列与信源数字信号进行模2加，得到一展宽了频谱的“扩频”信号。

1.1.2 扩频系统的物理模型

图1为扩频系统的物理模型[3]。信源产生的信号经过扩频和调制后，发送出去。在接收端，接收到的信号先是经混频后得到一中频信号，再相应解扩和解调，将信号还原出来。

图1 扩频系统物理模型Fig.1 Physical model of spread spectrum system

1.2 直接序列扩频系统（DS-SS）的构成

信源输出的数字信号a（t）首先与伪随机码产生器产生的伪随机码c（t）进行第一次调制，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频信号，然后再用产生的扩频信号去调制载波，最后把调制后的信号通过射频功率放大后送至天线发射。在接收端，接收信号经输入电路、放大器以及变频器相关处理后得到中频，继与本地产生的伪随机序列进行解扩，这里的伪随机序列与发射端的伪随机序列必须是同步的，否则无法完成信息的正确解扩。最后再进行相干解调，就可以得到与发射端相同的原始信息数据。

有效数据信号在经过水声信道时会掺杂窄带脉冲干扰和噪声干扰，由于它们在接收端只进行一次“扩频”过程，频谱被扩展后具有较小的功率谱密度，通过设置相应的滤波器就能大大减少进入信号频带内的干扰功率，从而提高进入解调器的信噪比，减小信号传输的误码率。

1.3 直扩系统的公式分析

信号源产生的信号 a（t）为信息流，码元速率为 Ra，码元宽度 Ta，Ta=1/Ra，则

式中an为信息码，以概率P取+1和以概率取（1-P）取-1，即

为门函数。

伪随机序列产生器产生的伪随机序列c（t），扩展后的序列为

采用 BPSK 方式进行调制，得到调制后的信号为：s（t）=d（t）cos（2πfct）。在接收端进行解扩后得到的信号为 r（t）=a（t）c（t）c＇（t）cos（2πfct），若本地产生的伪随机序列 c＇（t）与发端产生的伪随机序列 c（t）同步，则 c（t）*c＇（t）=1。最后经过相干解调，就可以将有用信号a（t）还原出来。

1 .4扩频通信系统的处理增益

在扩频系统中有一个重要的抗干扰性能指标：处理增益Gp。

式中（S/N）O为输出端信噪比，（S/N）I为输入端信噪比，RS是伪随机码的码速率，Rd是基带信息码的码速率，BS是扩频码的带宽，Bd是信息数据的带宽。

2 系统仿真的建立及结果分析

2.1 反射路径数目对DS-SS系统的影响

由于水声信道高频吸收衰减的限制，最佳载波频率通常低于10 kHz，通信带宽一般为2～4 kHz[4]。本系统采用的扩频序列为m序列伪随机码，周期为31，切普宽度为1/2 000 s，码元宽度为31/2 000 s。调制方式采用BPSK调制，载波频率为10 kHz，仿真采样率为100 kHz。同时仿真是在假设收发端扩频序列已经同步的条件下进行分析。

利用仿真软件MATLAB编写水声直扩通信系统代码，通过增加传播路径来模拟水声多途效应。其仿真参数设置见表1。

发送一长度为500个的二进制随机序列，然后在接收端获得星座图以及不同信噪比和反射路径数目下的误码率，如图2～3所示。

表1 水声信道模型参数设置Tab.1 Model parameter setting of underwater acoustic channel

图3 不同路径数目下信噪比与误码率曲线图Fig.3 Curves of signal to noise ratio and BER under different number of paths

由图3分析对比可知，当传播路径数目增加时，系统误码率在明显增加，说明多径效应是影响信号接收效果的重要因素。但同时也可以看出，在传播路径数目为4条以及负信噪比较大情况下，系统误码率仍然可以较低（在良好通信范围内），说明DS-SS系统具有良好的抗多途效应以及抗干扰能力。

2.2 研究m序列周期对DS-SS系统的影响

图4为m序列不同周期下的DS-SS系统的误码率曲线。由于本系统仿真采用的处理增益与m序列周期数成正比例关系。因此，图4也是为不同扩频增益下DS-SS系统的误码率曲线。

从图4中可以明显看出，随着m序列周期（增益）的变大，系统误码率在降低，通信效果在变好。

2.3 研究载波频率大小对DS-SS系统的影响

图5为在不同载波频率下，DS-SS系统获得误码率曲线图。

从图5中可以看出，仿真实验载波频率对于该DS-SS系统误码率的影响不是很大，又由于水声信道高频吸收衰减的限制，实际通信中不适合采用高频率的载波，所以一般采用10 kHz左右[4]。

图4 不同周期下信噪比与误码率曲线图Fig.4 Curves of signal to noise ratio and error rate at different periods

图5 不同载波频率下信噪比与误码率曲线图Fig.5 Urves of signal to noise ratio and error rate a different carrier frequencies

3 实验研究

2017年7月，我们随船来到东海某海域，利用水声通信设备进行相关实验测试。为了将影响降到最低，我们将科考船关闭了发动机，将实验地点移动到噪声和震动最小的前甲板，然后利用竹竿将两个换能器放入海中约3 m的位置，开始收发实验。为了能够清晰地通过分析星座图来判断通信效果，本实验将采用Qpsk调制方式。图6是为实验现场；图7为水声通信设备以及DS-SS系统的发射面板参数设置。

图6 实验现场Fig.6 Experimental scene

图7 水声通信设备和DS-SS系统发射面板Fig.7 Underwater acoustic communication equipment and DS-SS system launches panel

图8上半部分为不采用扩频技术的Qpsk调制通信系统信号接收图，下半部分为DS-SS系统的信号接收图。通过比较分析，可以明显看出，利用扩频技术可以明显改善通信效果。

4 结语

本文设计的具有水声信道特点的DS-SS系统，设置多条传播路径和低信噪比两个方面来模拟水声信道，通过仿真获得误码率，从而分析得到DS-SS技术具有良好的抗多径与干扰能力，能够减少多径效应带来的影响，提高通信性能。其中还分析了扩频增益对于系统误码率的影响。最后在东海某海域进行了相关实验，分析得到扩频技术对于对抗水声信道中的多途效应以及强噪声环境具有良好的表现。但是由于本次实验通信距离较短，采集次数不够多，因此提高通信距离，改变不同水下环境，以及如何在仿真中真正接近水声信道的设计是我们下一步研究的方向。