基于DPSK的多载波水声跳频通信系统性能仿真

陈博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 张文波

基于DPSK的多载波水声跳频通信系统性能仿真

陈博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 张文波

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

由于海水中介质不均匀分布、海底海面边界条件以及海水声吸收的影响, 水声信道极其复杂且不稳定, 主要表现为强多途、快时变、可用通信频带有限以及多普勒效应等, 现有水声通信系统的抗干扰能力和通信速率尚不能满足需求。基于此, 文中针对水声信道的可用通信频带较为有限且具有强多途效应等特点, 提出了一种新的水声通信体制。该方法通过结合多载波通信频带利用率高和跳频通信抗多途的优点, 建立了采用多载波跳频差分相移键控调制(MC/FH-DPSK)的水声通信系统, 对其原理和实现过程进行了详细描述, 并给出了该系统在加性高斯白噪声信道、瑞利衰落信道和频率选择性两径瑞利衰落信道下的误码率性能仿真结果。仿真结果验证了该系统具有可靠的抗噪声性能, 在跳频间隙与码元宽度设置参数相同的情况下, 相比频移键控水声跳频(FH/MFSK)通信系统的带宽利用率提升了近2倍, 且抗多途能力性能与其相仿。文中的工作可为水声通信新体制的探索提供理论参考。

水声信道; 多载波通信; 跳频通信; 多途效应; 差分相移键控

0 引言

近年来, 随着水下移动平台对通信系统性能的需求不断提升, 实现高速率、低误码率的信息传输已成为当前水声通信研究的热点之一[1]。浅海声信道具有强多途、快时变、高噪声和有限带宽的特点, 在浅海环境中实现可靠通信是当前水声通信研究待解决的主要难题。跳频通信技术作为一种扩频通信技术, 是无线电通信领域抗干扰和通信对抗的主要方式。首先, 跳频通信具有抗干扰能力强、抗多途能力强及保密性好等特点, 最早应用于陆上作战使用的战术电台, 大大提高了通信的抗干扰及抗截获能力[2]; 其次, 跳频通信具有多址接入能力, 有利于水下平台进行组网, 在实现水下作战武器与作战平台间, 以及水下武器间通过信息交互与共享进行协同作战方面有着很好的发展前景[3]。近年来, 国外有不少研究机构针对水下扩频通信技术进行了研究。例如,欧洲进行的无人水下航行器(unmanned undersea vehicle,隐蔽声通信(, UCAC)计划、美国海军战争系统中心的研究计划等都使用扩频通信体制[4-5]。在国内, 殷敬伟等[6]研究的采用差分相干解调方法的直接序列/二进制差分相移键控(direct sequ- ence/binary differential phase shift keying, DS/ BDPSK)水声通信系统在距离0~3 km的范围内, 移动平台相对速度为≤5 m/s的条件下, 通信误码率小于10–3; 岳玲等[7]研究的频移键控水声跳频(frequency-hopping/multilevel frequency shift keying, FH/MFSK)移动水声系统在使用纠错编码的情况下通信误码率可达到10–6; 程恩[8]利用扩频通信中的跳频(frequency-hopping spread spe- ctrum, FHSS)水声通信技术, 成功研制了具有自主知识产权的数字式水声语音通信样机和水下E-mail传输系统等。

由于水下可用带宽较为有限, 而单一跳频通信体制相比传统单载波数据传输的带宽占有率大, 频带利用率较低, 很难实现数据的高效率传输[9-10]。因此, 文中提出一种新的通信体制, 将多载波调制技术与跳频通信技术相结合, 信息调制方式采用BDPSK, 这样既可以提高频带资源的利用率, 又融合了跳频通信抗多途的特点。同时, 差分相位编码方式也具有较好的抗噪声性能。

1 水声信道特点

受海水中介质不均匀分布、海底海面边界条件以及海水声吸收的影响, 浅海水声信道呈现复杂且不稳定性, 主要包括多途效应、多普勒效应以及带宽利用率较为有限等方面。多普勒效应会造成传输信号频率的展宽, 噪声信号的时域选择性衰落。多途传播会造成码间串扰(inter symbol interference, ISI), 同时在多途效应的影响下沿不同时延的路径于不同时间到达接收机, 使得接收信号呈现频率选择性衰落。多途传播环境下的接收信号为

式中: 为沿第条路径到达接收机的信号分量的幅度; 为第条路径的时延; 表示相位, ; , 和均为随机变化量。由此可以建立离散时变多途水声信道模型, 如图1所示。

文中参照离散时变多途信道模型设置了一种频率选择性两径瑞利衰落信道, 信道模型为

得信号多途比(signal multiple ratio, SMR)的定义

通过设置不同参数的SMR, 分析跳频间隔与抗多途能力的关系。

2 多载波BDPSK水声跳频通信系统原理及数学模型

基于BDPSK的多载波水声跳频差分相移键控(multicarrier/FH-BDPSK, MC/FH-BDPSK)通信系统原理实现框图如图2所示。

图2 多载波BDPSK跳频通信系统流程图

首先将输入的串行数据流转换为多个并行的子数据流, 信息调制方式采用BDPSK, 参考相位设置默认为0。采用BDPSK的主要原因是相干BDPSK的抗噪声性能较为优异且频带利用率较高[11], 适用于水声信道的环境。数据信息经BDPSK调制后再将这些子数据流分别调制到不同频率的子载波上, 码元信息由载波相位携带, 按照频率合成器生成的递增跳频序列顺序进行传输。为更加直观地反映MC/FH-BDPSK系统的跳频机理, 图3给出了该系统的跳频结构示意图, 相对文献[3]中采用的FH/4FSK系统的跳频结构(见图4), 当2种系统传输相同信息量的情况下且设置的单个码元宽度与1个跳频点所占频带带宽都相同时, 两者的频带利用率比值可表示为

式中: 为1个跳频序列周期内所设置的跳频点数; 为跳频序列周期数。频带利用率的提高意味着系统误码率的提高, 通过式(5)可得, 传输信息量越大, 跳频序列周期数越大, MC/FH-BDPSK系统的信息传输速率越接近FH/4FSK系统的2倍, 极大地提高了通信系统传输信息的有效性。

图4 FH/4FSK系统跳频示意图

发射信号经过水声信道后与在多途效应下的其他信号分量及噪声同时进入接收机, 接收信号

由此可估计出各子载波中心频率所对应的快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)序列索引, 该点所对应的相位信息为相对相位信息, 将相对相位信息进行BDPSK解调即可恢复出码元信息。

3 仿真结果与分析

表1 跳频参数和子载波参数表

Table 1 Parameters of frequency hopping and subcarriers

3.1 仿真基准验证

为了验证文中所提方法的准确性与可行性, 图5和图6分别给出了在加性高斯白噪声信道环境下和瑞利衰落信道环境下MC/FH-BDPSK通信系统误码率与BDPSK信号理论误码率的对比。可以看出, 在加性高斯白噪声信道下, MC/FH- BDPSK 通信系统的误码率性能略差于BDPSK, 原因是信号经多载波调制后, 各个子载波信号同相叠导致信号瞬时功率很大, 造成较高的峰值平均功率比(peak to average power ratio, PAPR), 且发射信号功率较为分散, 造成发射信号的平均信噪比较低, 因此误码增多。在瑞利衰落信道中与理论值基本吻合, 证明了该系统设计与仿真方法的正确性, 同时也保证了下文中所设置的其他环境下该系统的性能仿真具有参考价值。

图5 加性高斯白噪声信道曲线图

图6 瑞利衰落信道曲线图

3.2 频率选择性两径瑞利衰落水声信道

图7 MC/FH-BDPSK在频率选择性两径瑞利衰落信道中的误码率性能曲线

图8 FH/4FSK由于多途效应引起的背景误码与信道时间和码元时间比值的关系曲线

图9 MC/FH-BDPSK由于多途引起的背景误码与信道时间和码元时间比值的关系曲线

4 结束语

文中针对水声信道的可用通信频带较为有限且具有强多途效应等特点, 通过利用多载波通信对频带利用率高和跳频通信具有抗多途能力的特点, 建立了一种采用MC/FH-BDPSK通信系统, 并对其原理和实现过程进行了详细的描述。给出了该系统在加性高斯白噪声信道、单径瑞利衰落信道、频率选择性两径瑞利衰落信道下的误码率性能仿真结果及详细分析。分析表明, 该系统在跳频间隙与码元宽度设置参数相同的情况下, 相比FH/MFSK通信系统的带宽利用率提升了近2倍。仿真结果验证了该系统具有可靠的抗噪声和抗多途性能, 适合水声信道的复杂环境, 为水声通信新体制的探索提供了一定的理论依据。后续工作将继续研究设计合适的通信同步方案, 使MC-FH/BDPSK系统适用于在水下移动平台之间的通信。

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Performance Simulation of Multi-Carrier Frequency-Hopping Underwater Acoustic Communication System Based on DPSK

CHENBo-heng, WANG Ming-zhou, YUE Ling, KOU Xiao-ming, ZHANG Wen-bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Focusing on the problem that underwater acoustic channel has limited available communication bands and strong multi-path effects,a new underwater acoustic communication scheme is proposed. A multi-carrier underwater acoustic communication system is established by using differential phase shift keying(DPSK) and making use of the high bandwidth utilization ratio of multi-carrier(MC) communication and the anti-multipath capability of frequency hopping(FH) communication. And its principle and implementation process are described in detail. Moreover, the bit error ratio(BER) performances of the system under additive white Gaussian noise channel, Rayleigh fading channel and frequency-selective two-path Rayleigh fading channel are simulated and analyzed, and its reliable anti-noise performance is verified. Compared with FH/MFSK communication system, the proposed MC/FH-DPSK communication system achie- ves almost two times higher bandwidth utilization ratio and the similar performance of anti-multipath in the condition of same frequency hopping clearance and parameter of symbol width.

underwater acoustic channel; multi-carrier communication; frequency-hopping communication; multi-path effect; differential phase shift keying(DPSK)

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2020)02-0182-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.010

陈博恒, 王明洲, 岳玲, 等. 基于DPSK的多载波水声跳频通信系统性能仿真[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(2): 182-186.

2019-10-14;

2019-10-25.

陈博恒(1993-), 男, 在读硕士, 主要研究方向水声通信及信号处理.

(责任编辑: 杨力军)