單矢量差分幅度相移鍵控正交頻分復用水聲通信研究

馬旭卓，方爾正

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001;2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

無線水聲通信是實現水下綜合信息感知與信息交互的主要手段，其中高速水聲通信技術由于其高通信速率可傳輸音、視頻文件和高質圖像等特點，越來越受到人們的重視，在近幾年更是成為水聲通信的研究熱點。從早期的多頻頻移鍵控調制［1］到蛟龍號水聲通信系統中選用的正交相移鍵控、8 階相移鍵控調制方式［2］，高速水聲通信從非相干水聲通信向相干水聲通信發展，通信速率和通信性能得到了改善。

為了進一步提高水聲通信速率，同時兼顧頻帶利用率，蘇軍等［3］將高階幅度相移鍵控調制方式應用在水聲通信系統中，采用幅度和相位聯合調制方式，充分利用星座信號平面，以提高帶寬效率和功率效率，從而節約信道頻帶資源，使其在仿真條件下得到了良好的通信性能。隨后，殷敬偉等［4］結合差分調制技術，實現差分幅度相移鍵控調制方式在高速水聲通信中的應用，降低了系統的復雜度，節省了信道資源，在計算機仿真和水池試驗的基礎上驗證了差分幅度相移鍵控調制方式的優越性能。

矢量水聽器由聲壓水聽器和質點振速水聽器復合而成，可以共點、同步測量聲場的聲壓標量和質點振速矢量［5］。在各項同性噪聲聲場中，聯合處理聲壓和振速信息可以獲得6 dB 空間增益［6-7］。本文在研究矢量信號處理和差分幅度相移鍵控調制技術的基礎上，提出并設計了基于矢量水聽器的高階差分幅度相移鍵控正交頻分復用(OFDM)水聲通信系統，并根據實際水文條件進行了仿真實驗，驗證了系統的可行性和優越性。

1 差分幅度相移鍵控的基本原理

差分幅度相移鍵控是一種差分相干調制解調方式，對幅度和相位信息分別進行差分編碼處理，可以有效降低頻率選擇信道起伏包絡的影響，也可有效抑制水聲信道的多途影響。以16 階差分幅度相移鍵控(16DAPSK)為例，調制星座圖如圖1 所示［4］，r 為內圓半徑，R 為外圓半徑，二者滿足關系R/r =2，調制信息均勻分布在星座圖中，提高了頻帶利用率;同時采用差分相干解調方式，降低了系統的復雜度，提高了系統的有效傳輸速率。

圖1 16DAPSK 調制星座圖Fig.1 Modulation constellation of 16DAPSK

在OFDM 通信系統中，存在時域差分和頻域差分兩種差分形式，針對水聲信道緩慢時變特性，本文差分幅度相移鍵控調制選擇時域差分方式，即在相鄰OFDM 符號間同一子載波的差分方式。首先，對輸入的四位二進制比特流{a0a1a2a3}前三位{a0a1a2}以8 階差分相移鍵控(8DPSK)調制方式進行差分相位調制編碼，相位比特映射關系采用Gray碼(如表1 所示)，α 為差分調制前的相位信息，則調制后相位信息β 為

式中:i 為OFDM 的符號標識;k 為OFDM 的載波標識。

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

對第四位比特信息{a3}進行差分幅度調制編碼，若b 表示差分調制后的幅度信息，λ 為差分幅度系數，則

式中:λi，k、bi，k和bi-1，k三者關系如表2 所示。

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

所以，有16DAPSK 的發送信號矢量集

通過水聲信道后，接收信號矢量集

解調時，分別對幅度和相位信息進行解調

2 矢量信號處理的基本原理

使用矢量水聽器的通信系統可以通過聲壓和振速信息的不同組合形式，形成的指向不同性，從而獲得不同的空間增益［5］。本文的單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統采用的是帶寬利用率高的幅值相位調制技術，p ×v 的聲壓與振速乘積組合形式會讓相位信息畸變從而降低系統的通信性能，所以系統選擇聲壓與振速的線性組合方式p+v［8-9］.

本文使用的矢量傳感器為二維矢量傳感器，僅考慮接收聲壓信號p(t)、水平方向振速信號vx(t)和vy(t)，三路信號可表示為

式中:s(t)為信源信號;h(t)為信道沖擊響應;符號?表示卷積。

經過電子旋轉后，振速傳感器可以獲得vc組合指向性，即

在各向同性噪聲場中，可認為聲壓信道的噪聲與水平振速信道的噪聲是統計獨立的，且聲壓噪聲功率是振速信道噪聲功率的3 倍，即

對(12)式進行求導，可得當x =3 時，輸出信噪比最大，為10lg 4≈6.0 dB. 采用p+3vc的線性組合形式可以獲得6.0 dB 的最大空間增益。

3 單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 系統設計

單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 系統設計如圖2 所示。在發送端，首先對輸入的二進制比特信息進行信道編碼和交織編碼，在信道編碼前可對信源信息進行加擾處理，以進一步降低峰均比和系統誤碼率;串/并轉換后根據差分幅度相移鍵控調制的基本原理進行高階差分編碼映射;然后經過反快速傅里葉變換(IFFT)，將映射后的數據序列從頻域表達變換到時域上;添加循環前綴，使得上一符號的多徑分量不會干擾到下一符號，同時保證子載波間的正交性;最后在變換后的串行數據序列前添加線性調頻(LFM)信號作為同步信號，以便于接收端的同步檢測和多普勒估計與補償。

在接收端，首先對矢量水聽器接收的三路信號分別進行拷貝相關同步檢測、塊多普勒估計和變采樣補償;然后利用復聲強器和直方圖估計算法估計方位，改變電子旋轉振速傳感器的指向性，使得引導方位角等于估計方位角。同時，對聲壓和振速信息進行線性聯合處理，已獲的空間增益、提高接收信噪比、降低系統誤碼率。最后，進行與發送端相應的逆變換過程，完成解調、解碼反映射，獲得經水下信道后的二進制比特信息流。

圖2 單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統設計框圖Fig.2 Block diagram of OFDM underwater acoustic communication based on DAPSK using acoustic vector sensor

4 仿真研究

為了模擬真實水文條件下的實驗效果，本文根據某水域一天的聲速梯度分布(見圖3)，利用信道仿真軟件，模擬獲得真實的水聲信道，如圖4所示，設置收發節點吊放深度均為6 m，通信距離為500 m.

圖3 聲速梯度分布圖Fig.3 Distribution diagram of velocity gradient

單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 系統參數選擇如表3 所示，信道噪聲為帶限白噪聲。利用Matlab 在計算機上進行仿真研究，選擇圖片信息為信源信息，比特數為96 kbit，在10 dB 和15 dB 信噪比下的仿真結果如圖5 所示。

圖4 模擬實際信道沖擊響應Fig.4 Simulation of underwater acoustic channel

表3 系統參數Tab.3 System parameters

圖5 計算機仿真結果Fig.5 Simulation results

圖5(a)為信源圖片，圖5(b)為在信噪比10 dB下單一處理聲壓信號的恢復圖像，數據誤比特率為16.36%，圖5(c)為在信噪比10 dB 下線性聯合處理聲壓和振速通道信號p +3vc的恢復圖像，數據誤比特率為6.7%;圖5(d)和圖5(e)為在信噪比為15 dB 下的相應恢復圖像，數據誤比特率分別為6.16%和0.87%. 從解調恢復的圖像中可以看出，在較低信噪比下，單一處理聲壓通道信號無法準確辨識圖像內容，而p+3vc聯合處理聲壓與振速通道信號可以辨識出圖像的大致內容;在較高信噪比下，p+3vc線性聯合處理則能比單一處理聲壓信號更好地還原圖像，能較為清晰地看出圖像細節內容。不同信噪比下的統計誤碼率(BER)曲線比對如圖6 所示。從上述仿真結果可以看出，對矢量水聽器采集的三路信號進行線性聯合處理，可以獲得空間增益，受環境噪聲非各向同性、信道復雜等因素影響，實際獲得處理增益約為5 dB，略低于理論值，同時相比于單一處理聲壓通道信號誤比特率降低近一個數量級。

5 結論

圖6 不同信噪比下的統計誤碼率曲線比對Fig.6 BER versus SNR

為解決差分調制技術帶來的信噪比損失問題，提高通信質量，基于矢量水聽器和高階差分調制技術，本文提出了應用于OFDM 通信體制中的水聲通信系統，較為詳細地設計了該通信系統的流程圖。根據實際水域的聲速梯度使用信道仿真軟件建模真實水聲信道，并通過Matlab 進行圖像高速通信仿真研究，仿真逼近真實實驗效果，試驗結果可信且有參考價值，驗證了單矢量差分幅度相移鍵控OFDM 水聲通信系統的可行性和優越性。

References)

［1］Merriam S，Frye D，Catipovic J. Performance of an MFSK acoustic telemetry system［C］∥Oceans'92 Mastering the Oceans Through Technology. Newport，Rhode Island:IEEE，1992:928-930.

［2］朱維慶，朱敏，武巖波，等.載人潛水器“蛟龍”號的水聲通信信號處理［J］.聲學學報，2012，37(6):565 -573.ZHU Wei-qing，ZHU min，WU Yan-bo，et al. Signal processing in underwater acoustic communication system for manned deep submersible“Jiaolong”［J］. Acta Acoustica，2012，37(6):565 -573.(in Chinese)

［3］蘇軍，喬鋼，陳剛，等. APSK 在基于OFDM 的水聲通信系統中的應用研究［J］.通信電聲，2008，32(3):73 -75.SU Jun，QIAO Gang，CHEN Gang，et al. Application of APSK in UWA communication based on OFDM［J］. Communication Electroacoustics，2008，32(3):73 -75. (in Chinese)

［4］殷敬偉，王馳，潘爭榮，等.基于MDAPSK 的OFDM 水聲通信研究［J］.華中科技大學學報:自然科學版，2013，41(3):20 -24.YIN Jing-wei，WANG Chi，PAN Zheng-rong，et al. Research on OFDM underwater communication based on MDAPSK［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology:Natural Science Edition，2013，41(3):20 -24. (in Chinese)

［5］惠俊英，惠娟.矢量聲信號處理基礎［M］.北京:國防工業出版社，2009.HUI Jun-ying，HUI Juan. Vector acoustic signal processing foundation［M］. Beijing:National Defense Industry Press，2009.(in Chinese)

［6］王大宇，趙安邦，惠俊英，等.基于矢量傳感器的水下雙址接入研究［J］.聲學學報，2010，35(5):547 -553.WANG Da-yu，ZHAO An-bang，HUI Jun-ying，et al. Research on underwater double-address access based on vector sensor［J］.Acta Acoustica，2010，35(5):547 -553.(in Chinese)

［7］桑恩方，喬鋼.基于聲矢量傳感器的水聲通信技術研究［J］.聲學學報，2006，31(1):61 -67.SANG En-fang，QIAO Gang. The study of underwater acoustic communication technology［J］. Acta Acoustica，2006，31(1):61-67.(in Chinese)

［8］陳川，王大宇.矢量水聽器在水聲通信系統中的應用［J］.聲學技術，2012，31(4):375 -380.CHEN Chuan， WANG Da-yu. The application of vector hydrophone in underwater communication system［J］. Technical Acoustics，2012，31(4):375 -380.(in Chinese)

［9］劉凇佐，周峰，孫宗鑫，等.單矢量水聽器OFDM 水聲通信技術實驗［J］.哈爾濱工程大學學報，2012，33(8):941 -947.LIU Song-zuo，ZHOU Feng，SUN Zong-xin，et al. Experimental study of OFDM underwater acoustic communication using a vector hydrophone［J］. Journal of Harbin Engineering University，2012，33(8):941 -947.(in Chinese)