基于QPSK調制水聲通信系統設計與仿真*

張國龍 鄭琛瑤

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

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基于QPSK調制水聲通信系統設計與仿真*

張國龍 鄭琛瑤

(91388部隊93分隊 湛江 524022)

論文研究了水聲通信系統的組成原理及各部分功能,結合水聲通信信道特性對水聲通信系統的影響,研究并提出了用QPSK調制技術設計水聲通信系統。確立了水聲通信系統數學模型,以Matlab為工具對整個系統進行仿真分析,通過理論研究和仿真可以發現,QPSK調制技術在水聲通信中的應用可以有效抑制多徑擴展和海洋噪聲,減少誤碼率,確保水聲通信的可靠性,提高通信速率。

水聲通信; QPSK調制; 水聲信道

Class Number TN929.3

1 引言

近年來,隨著人類對海洋領域重視不斷加強以及軍事和海洋開發的要求,人們對建立一套穩定、可靠的水聲通信系統愿望越來越迫切。由于電磁波在水中傳播衰減嚴重,而聲波是人類迄今為止已知的唯一能在水中遠距離傳播的能量形式,聲波是目前水聲通信的主要載體。由于聲波在水介質中吸收使得可利用的工作頻率較低,信道帶寬較窄,這給高可靠、高速率水聲通信設置了很大障礙[1]。

早期水聲通信系統采用模擬系統,由于無法消除水聲信道中高混響等影響其可靠性和傳輸速率受到限制。伴隨著數字技術發展,水聲通信采用了頻移鍵控(FSK)數字編碼調制技術,作為一種能量檢測而不是相位檢測算法,FSK系統允許采用糾錯編碼技術來提高傳輸的可靠性,同時也允許對信道混響在時間和頻率上進行一定的補償。這樣系統性能得到很好的改善。盡管FSK調制有很好的可靠性,但是其非相干特性使得頻帶利用效率不高,加上水聲信道帶寬有限,使得人們不得不尋找其他的調制方式。相位相干系統及正交相移鍵控(QPSK)調制的出現及在海洋水聲通信系統中的應用,使得在長距離,復雜環境下水聲通信得以實現,有效提高水聲通信系統可靠性、高速率。

2 水聲通信系統

水聲通信系統由發射系統、水聲信道和接收系統組成,如圖1所示。

圖1 水聲通信系統原理圖

發射機的主要任務是對需要傳輸的物理量轉變成電信號后送入信源編碼器,對輸入信號進行A/D變換形成數字信號,通常把經過信道編碼的信號稱為符號。調制部分是根據水聲信道的特點和要求把信道編碼后的符號采用QPSK方式調制到一定頻率的載波上,然后經過功放及換能器組轉化為聲信號[2]。

收機對信號處理過程是發射機的相反過程,主要包括對接收換能器接收的聲信號進行預處理與AD變換后,通過解碼及信道譯碼后重建原始物理信號。在整個過程中,水聲信道特性對水聲通信系統好壞有著很大的決定作用,也是限制水聲通信技術發展的主要因素。

3 水聲信道特點及其分析

由于水文條件及地形地貌使得海洋水下環境非常復雜,從而導致了水聲信道的復雜性,其主要有帶寬受限、嚴重的多徑擴展、多普勒效應、高環境噪聲等特性。

3.1 帶寬受限特性

由于聲波在水中傳播過程中存在幾何擴展及介質的粘滯、散射、反射、熱傳導等物理吸收,引起聲波能量的損失。它與水聲信號的頻率有著緊密的聯系,聲吸收損失系數與聲波頻率的平方成正比。水聲信道帶寬受限與水聲換能器帶寬也存在著一定的影響[10]。水聲信道的吸收損失與水聲信號頻率的大致關系為

(1)

式中,α是以分貝/千碼為單位的衰減系數,f是以千赫為單位的頻率。

3.2 多徑擴展特性

海面和海底的聲反射以及由海洋空間特性不同引起的聲折射使得聲波從發射機到接收機有著許多不同的傳播路徑。信號的多徑傳播產生的多徑效應是水聲通信最難克服的困難,多徑擴展改變發送碼波形,使發送碼在接收端產生波形變換,從而降低了通信的可靠性,限制了通信信息的傳輸率3。

設發射波為Acosω0t,則經過n條路徑后傳播后的接收信號R(t)可用下式表示:

(2)

式中,μi(t)表示第i條路徑的接收信號振幅;τi(t)表示第i條路徑的傳輸時延;φi(t)=-ω0τi(t)。

其中,μi(t)和φi(t)隨時間的變化與發射載頻的周期相比,通常要緩慢的多,即μi(t)和φi(t)可以被認為是緩慢變化的隨機過程,則可以得到:

設

(3)

則式(3)可變為

R(t) =XC(t)cosω0t-Xs(t)sinω0t

=V(t)cos[ω9(t)-φ(t)]

式中,V(t)表示合成波R(t)的包絡;φ(t)表示合成波R(t)的相位。即有:

(4)

由于μi(t)和φi(t)是緩慢變化的,因而,Xc(t)、Xs(t)及包絡V(t)、相位φ(t)也是緩慢變化的。

3.3 多普勒效應與環境噪聲

由于信道的時變、空變性,以及接收機與發射機之間的相對運動均可導致多普勒頻移效應,它與收發點相對運動的速度及工作頻率成正比關系。信號多普勒頻移導致解碼時系統檢測能力降低,甚至降低系統的通信速率[8]。

另外,海洋水聲信道還是一個高噪聲的環境,通常海洋噪聲源包括自然噪聲源,以及人為噪聲源,并且傳播的噪聲通常有一個強指向性空間譜。海洋環境噪聲是水聲通信的主要干擾背景,影響系統接收信噪比,從而影響通信距離和可靠性。

4 QPSK調制設計原理

QPSK通過使用載波的四個各不相同的相位差來表示輸入的信息,是具有四進制的相移鍵控。QPSK是在M=4時的數字的調相技術,它通過約定的四種載波相位,分別為45°,135°,225°,275°,輸入數據為二進制的數字序列,因為載波相位是四進制的,所有需要把二進制的數據變為四進制的,即把二進制序列中每兩個比特分成一組,四種排列組合,即00,01,10,11,雙比特碼元即為一組。每兩位二進制信息比特構成每一組,它們分別表示著著四個符號中的某一個符號[9]。QPSK調制原理如圖2所示。

圖2 QPSK調制原理圖

QPSK的調制中,QPSK信號可以看成是兩個載波正交的2PSK信號調制器構成。原理分析如下:基本原理和系統結構QPSK與二進制PSK一樣,傳輸信號包含的信息都存在于相位中。個別的載波相位取四個等間隔值之一,如π/4、3π/4、5π/4、7π/4。相應地,可將發射信號定義為

(4)

(5)

這樣就得到一對二進制PSK信號。φ1(t)和φ2(t)的正交性使這兩個信號可以被獨立地檢測。最后,將這兩個二進制PSK信號相加,從而得期望的QPSK。QPSK解調原理如圖3所示。

圖3 QPSK解調原理框圖

5 水聲通信系統建模與仿真

水聲通信信道具有隨機時、空變化特性,它的衰減和時延都是隨機變化的[11]。因此,水聲通信信號經過水聲信道傳播后將是衰減和時延都隨時間變化的各路信號的合成。針對水聲通信信道的特點建立一個符合其特性的系統模型是至關重要的[4]。仿真水聲信道可以通過水聲傳播途徑特性,根據水文數據和換能器固有屬性計算出接收端接收到的信號。

當輸入信號為s(t)時,信道輸出信號為

式中L表示多徑傳播路徑,ak(t)表示第k條傳播路徑上的時變衰減因子,τk(t)是相應的時延。

圖4 基帶信號

圖5 調制信號

根據水聲通信信道統計特性,對于水聲信道來說經常使用加性白高斯噪聲(AWGN)的信道模型。水聲信道的多徑衰落信道,經常采用瑞麗衰落(Rayleigh)概率模型,信道中路徑數目多且路徑長度相當情況下,接收信號幅度成瑞利分布,相位服從高斯分布[5]。圖4為傳輸基帶信號,其經過調制和水聲信道后信號產生了明顯變化如圖5所示[7]。

圖6和圖7分別為基帶信號通過水聲通信信道解碼后的星座圖及誤碼率曲線。

圖6 QPSK信號星座圖

圖7 誤碼率曲線

6 結語

本文研究了基于QPSK調制水聲通信系統的設計,先對水聲通信系統結構進行設計,理論分析QPSK調制解調以及水聲通信信道特性后利用Matlab進行系統仿真。實驗結果表明經水聲通信信道傳輸的信號受到海洋噪聲、多徑擴展等影響,信號發生了嚴重的畸變。若不在水聲通信系統結構及調制解調算法上進行處理,通信系統可靠性及通信速率降低。而采用QPSK算法處理水聲通信信號后,使其水聲通信系統在長距離、復雜水聲條件下頻帶利用率提高、誤碼率降低,最大限度保證水聲通信系統可靠性和高速傳輸速率。

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Design and Simulation of Underwater Acoustic Communication System Based on QPSK Modulation

ZHANG Guolong ZHENG Chenyao

(Unit 93, No. 91388 Troops of PLA, Zhanjiang 524022)

This paper studies the principle of underwater acoustic communication system components and the parts feature, and proposes to use QPSK modulation technique to design underwater acoustic communication system combining with the impact of underwater acoustic communication channel characteristics of underwater acoustic communication system. The mathematical model of underwater acoustic communication system is established, and the whole system is simulated and analyzed with Matlab. Through theoretical studies and simulation, it is found that QPSK modulation techniques can effectively inhibite multipath expansion in underwater acoustic communication applications, reduce the error rate of ocean noise, ensure the reliability of underwater acoustic communication, and improve communication rate.

underwater acoustic, QPSK modulation, acoustic channel

2014年7月9日,

2014年8月14日

張國龍,男,助理工程師,研究方向:水聲信號處理。

TN929.3

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.019