高速Pattern时延差编码水声通信技术

张锦灿，王志欣

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

近年来，人类海洋活动愈发频繁，水下无人勘探设备及信息系统大量布放，实现资源勘探、导航定位和监听测向等功能，在各领域发挥着重要作用。稳健的水声通信链路是水下设备和系统进行信息交互的基础，是系统实现更加丰富功能的关键。然而水下声信道复杂的时变、空变及严重的多途效应[1-2]，给水声通信链路的稳健性带来很大挑战。

PDS编码通信是由哈尔滨工程大学提出的一种适用于水声信道的通信体制。PDS利用Pattern码元位于码元窗口中的时延差值承载信息[3-5]，通过调整码元时长来实现码元分割，有效抑制多途扩展引起的码间干扰。然而固定的码元时长使得通信速率较低，为了提高速率，提出了基于频域分割的高速PDS通信方案，引入被动时间反转镜信道估计技术，较好地抵抗了多途干扰，实现了远程、低误码率和高速水声通信。

1 PDS编码通信体制

PDS编码通信体制属于脉位编码(Pulse Position Modulation，PPM)，信息调制在码片出现在码元窗的时延差信息中，并采用拷贝相关器通过峰值检测进行时延差估计解码[6-7]。

若每个码元携带2 bit的信息，则编码时间Tc应该划分为3等份，以Δτ表示最小量化间隔，则Δτ=Tc/3。当编码信息分别为00，01，10，11时，Pattern码在码元中出现的位置如图1所示。

图1 PDS编码示意

以p(t)表示Pattern码片，则PDS体制在一个码元宽度内发射波形可表示为：

(1)

在译码过程中，采用拷贝相关器来实现，即通过本地码元与接收信号进行滑动相关处理，搜索相关峰的位置实现对时延差的估计，恢复出原始信息。

PDS解码示意如图2所示。

图2 PDS解码示意

2 被动时间反转镜技术

时间反转镜技术(Time Reversal Mirror，TRM)基于声场互易性原理，引申了光学中的相位共轭法，是“最佳”空间和时间滤波器的实现，可以实现对声信道而不是发射信号的匹配。TRM分为主动和被动2种。被动时间反转镜(PTRM)不需要发射装置，只需具备接收功能，即可实现重组多途信号，空间聚焦的功能，继而达到抑制码间干扰、减少衰落信道影响的效果[8-12]。

以S(ω)表示信号的频谱，H(ω)表示水声信道传输函数，则经过信道传输后的信号频谱R(ω)可表示为：

R(ω)=H(ω)S(ω)。

(2)

令X(ω)为R(ω)的复共轭，即：

X(ω)=R*(ω)=H*(ω)S*(ω)。

(3)

X(ω)变换到时域上就是接收信号的时间反转，将式(3)两边同乘H(ω)，得到：

Z(ω)=H(ω)H*(ω)S*(ω)，

(4)

式中，Z(ω)是PTRM的输出频谱；H(ω)与H*(ω)相乘得到实偶正函数，并在零点处得到主相关峰，使Z(ω)远大于R(ω)，这就是PTRM的工作原理。

对信号进行PTRM处理时，会在发射信息信号s(t)之前加入探测信号p(t)，添加多径时延保护间隔，以确保接收到受完整多途影响的探测信号，保护间隔时长根据试验环境进行调整。将收到的探测信号进行时间反转后得到pr(-t)，与信息信号sr(t)进行卷积预处理，再与探测信号p(t)进行卷积，得到r(t)，此时，已经完成了多信道多途形成的码间干扰的抑制。

被动时间反转镜处理流程如图3所示。

图3 被动时间反转镜处理流程

3 基于分频的高速PDS水声通信

PTRM-PDS通信体制构建的水声通信链路稳定性高，但是对有限的水声通信频带利用率低，通信速率一般为100～200 bps，然而在水下信息网络中，需要尽可能高的通信速率，以支撑更加丰富的高层应用。因此，借鉴多载波通信思想，将常用水声通信频带7～17 kHz进行分割，划分为5个子频带，带宽均为2 kHz，每个子频带独立传输一路PDS信号，以提升通信速率。

分频高速PDS水声通信流程如图4所示，原始数据流经过串并转换之后进行PDS编码，根据子频带添加用于探测的线性调频信号pi(t)，各子频带发射信号叠加之后经水声信道进行传播，经由时间反转镜处理后得到接收信号r(t)，对r(t)分别进行带通滤波、译码和并串转换后恢复出原始比特流。

图4 分频高速PDS水声通信流程

4 外场试验验证

4.1 邢台野沟门水库环境

2018年9月在邢台野沟门水库开展高速PDS水声通信试验，试验环境如图5(a)所示，水域狭长，宽度约为100 m，发射船与接收船之间的距离为400 m，试验水域四周群山环绕。试验水域的声速剖面如图5(b)所示，由于水深较浅，库区声速变化较小。

图5 外场试验环境

库区水深20 m，使用探测信号对不同水深处水声信道进行估计。野门沟水库水声信道特性如图6所示，由图6可以看出，库区声信道多普勒效应及时变特性不明显，但是多途扩展严重，接近80个码元宽度。

图6 野沟门水库水声信道特性

4.2 水声通信设备

试验中采用篮式全向收发合置换能器D12-DT如图7所示。其工作频段为6～20 kHz，最大声源水平：+196.5 dB re 1 μPa@1 m，接收灵敏度-170 dB re 1 V/μPa。

图7 D12-DT声学换能器

采用直流供电，通过匹配了换能器工作频段，带内声源级可达193 dB。

水声通信功率放大器如图8所示。

图8 水声通信功率放大器

4.3 通信试验

试验时，Pattern码片采用线性调频信号，高速PDS信号时频如图9所示。在7～17 kHz频段内，2 kHz为一个子频带，对探测信号、同步信号和信息载荷均进行了分频。

图9 高速PDS信号时频

对可用通信频带和各子频带分别进行了测试，测试结果如表1所示。

表1 水声通信测试结果

通信频带/kHz通信速率/bps误码率7～92004×10-49～11200011～13200013～152003×10-415～1720007～171 2001×10-4

经由声呐方程对系统指标进行核算，可达到1 200 km·bps的距离速率积，具备了支撑水声通信网络运转的链路条件。

5 结束语

在复杂水声环境中，被动时间反转镜实现简单、节约能量，可实现信道匹配，有效降低多途扩展信号引起的信号畸变，减轻码间串扰影响，提高水声通信系统的稳定性。分频高速PDS通信体制加入被动时间反转处理，在保持传统PDS体制稳定性的基础上，借鉴多载波思想，通过划分多个子频带，提高频带利用率，大幅提升了水声通信速率。通过外场试验，在不借助空间增益的前提下，利用单阵元接收进行水声通信试验，取得了很好的效果。

高速PDS水声通信为水下节点组网通信垫定了链路基础，具有一定的实用价值，需要通过湖试和海试，论证和完善系统，继续提升水声通信速率，使其能够满足水下“长城”中日益丰富的功能需求。