Pattern時延差編碼在水聲釋放器中應用方法研究＊

王小寧 張國龍 姜建平

（91388部隊93分隊 湛江 524022）

Pattern時延差編碼在水聲釋放器中應用方法研究＊

王小寧 張國龍 姜建平

（91388部隊93分隊 湛江 524022）

水聲釋放器作為水下設備輔助回收工具，水下工作時間和工作可靠性嚴重制約著水聲釋放器使用條件和效能發揮。論文利用Pattern時延差編碼技術的低功耗、低誤碼率、抗多途干擾等特性，將其應用于水聲釋放器遙控指令收發通信系統中。通過Matlab系統仿真研究，證明利用Pattern時延差編碼方式通信，水聲釋放器實現一機多控，提高抗多途干擾能力，降低通信誤碼率，延長水下工作時間。

Pattern時延差編碼；水聲釋放器；抗多途干擾

Class NumberTN929

1 引言

隨著人們對海洋認識深入海洋資源開發利用不斷加強以及海底工程建設步伐不斷加快，各種各樣的環境、資源、海底地形等探測儀器被投放到海底。這些探測儀器不但價值昂貴，而且采集到的數據具有重要的研究價值，因此可靠安全回收就成為人們研究的重要課題。水聲釋放器就成為目前唯一能夠用來回收水下設備的聲學裝置，水聲釋放器由水上裝置和水下釋放裝置組成，利用水聲通信發送遙控指令，水下接收機收到指令后進行解碼和身份識別后，識別無誤后執行釋放動作并發送應答信號，水下探測儀器上浮回收。目前，水聲釋放器作為輔助回收設備應用于海底工程、海洋科考及軍事領域中回收水下儀器，未來海底地位系統、水下通信基站、深海資源探測都離不開各種信號的水聲釋放器。

無線遙控及超寬帶通信一般采用脈位編碼（Pulse Position Modulation，PPM），在海洋中，水聲遙測也采用該方式傳輸信息。PPM調制電路成熟簡單，傳輸穩定，在速度要求不高的情況下對信道隨機不均勻性具有較強的抗干擾能力。Pattern時延差編碼（Pattern Time Delay Shift Coding，PDS）通信體制也屬于脈位編碼。水聲釋放器在水下工作時間和工作可靠性是關鍵問題。Pattern時延差編碼通信是將數字信息調制于Pattern碼出現在碼元窗的時延信息中，不同的時延差值代表不同的信息，碼元占空比數值小于1，這樣可以有效節省系統功耗。水聲釋放器在水下工作時間可能達到數月甚至半年之久，同時它全系統工作依靠電池供電，節省系統功耗對水聲釋放器來說是很有價值的［1］。同時，Pattern時延差編碼水聲通信編碼體制將信息編碼技術與信道編碼技術相結合，具有抗水聲多途干擾能力，PDS通信系統采用碼元的不同波形（Pattern）進行碼元分割，采用頻率分割劃分通信頻道，在接收端利用特殊信號處理技術實現可靠地水聲多途信道通信和數倍通信速率提高。

2 Pattern時延差編碼通信原理

2.1 PDS體制編碼原理

Pattern時延差編碼水聲通信中信息并非調制在碼元波形中，而是調制于Pattern碼出現在碼元窗的時延差信息中，不同的時延差值代表不同的信息［3］。如圖1所示為Pattern時延差編碼一組碼元結構。

圖1 Pattern時延差編碼碼元結構

圖中τdi（i＝1，2，3）表示延時差值，其為Pattern碼出現在碼元窗口的位置；TP為Pattern碼脈寬；Tc為編碼時間；碼元寬度為T0＝TP＋TC；PDS體制的每個碼元占空比為η＝TP／T0，其數值小于1。

若每個碼元攜帶nbit信息，則將編碼時間均勻分為（2n－1）份，編碼量化間隔為Δτ＝Tc／（2n－1），時延差τd為

不同的時延差值τd代表不同的信息。

系統通信速率為

可以看出，編碼時間Tc和Pattern脈寬Tp一定即碼元寬度T0一定時，通信速率與每個碼元攜帶的bit信號數有關，每個碼元所攜帶的信息量n越大，則通信速率越高，而此時編碼量化間隔Δτ就越小，這就對系統時延估計精度要求越高［4］。由此可見，延時估計的精度越高，則編碼量化層Δτ分得越細，每個碼元所攜帶的信息量就越大，通信速率越高。

單頻道Pattern時延差編碼波形信號可以表示成如下形式：

式中Pj（t）表示第j號Pattern碼波形，其脈寬為Tp；（kij＊Δτ）為第（L＊i）＋j＋1號信息碼元的延時差值。

2.2 PDS碼體制

Pattern時延差編碼水聲通信采用Pattern碼作為水下信息通信的信息碼元，其碼元結構如圖2所示。

圖2 PSD碼元結

喚醒碼（Wakening－code）用于喚醒通信系統，使通信系統上電準備通信工作。只有通信剛開始時才發出喚醒碼，后續通訊時由同步碼起始。

信道測試（Channel estimation）用于測量信道多普勒系數σ，當與活動節點通信時，相關器的參考信號均須依據σ實時計算。

同步碼（Synchronous－code）可以給出譯碼窗的時基并確定最強的途徑到達時刻。接收機利用拷貝相關器通過峰選測得同步碼到達時刻，相關峰對應的時刻作為譯碼窗同步基準，該時刻亦為最強的多途徑到達時刻。同步碼采用線性調頻信號，它與后面的校正碼應有一定時隙，以減少同步碼的多途信號對后面校正碼的影響。

校正碼（Correcting－codes）包括本體制中使用的所有碼型的一串碼，為后面的信息碼提供時延估計的參考信號。校正碼是為修正多途信號對譯碼的影響而設置的，它提供了相關重置參考波形及譯碼的時延差修正量。校正碼與信息碼之間應有一定時隙，須保證在信息碼到來之前完成參考波形制表［9］。

信息碼（Information－codes）跟在校正碼的后面，可以有多組信息碼，這取決于海洋信道相對穩定時間。每個頻道的一組信息碼含有碼型數量應與校正碼的碼型種數一樣，它用碼片出現在碼元窗的時延差調制信息。

3 水聲釋放器中PSD通信系統設計

3.1 水聲釋放器整體結構與功能

水聲釋放器由甲板單元（水上裝置）和水下釋放單元（水下裝置）兩部分組成。水上裝置和水下裝置通過換能器和水聽器利用Pattern時延差編碼經水聲信道進行數據通訊和指令傳輸。水上裝置一般放置與工作母船上，換能器與水上裝置連接后吊放于水下。水下裝置經電子艙密封后與水下探測儀器連接，上端掛有浮體、浮球等漂浮物，下端與錨塊、重物連接后投入指定的海域［5］。圖3為水聲釋放器總體結構圖。

圖3 水聲釋放器總體結構圖

式中sl（t）為第l個頻道的編碼信號。

由圖3可以看出，水下水聲釋放器可以布放多個，圖3中共有三個釋放器，PDS通信系統中通過頻率分割（FDMA）來劃分通信信道，將水聲釋放器通信帶寬等分為N個子頻道，每個子頻道對應于一個通信頻道用于發送控制指令控制一個水聲釋放器，每個頻道的信源編碼、信道編碼工作方式是一樣的［2］。各頻道分別編碼后，各路編碼信號疊加后由水上設備經換能器發射出去。多頻道Pattern時延編碼信號可表示為如下形式：

3.2 水聲釋放器PDS譯碼

水聲釋放器工作母船內水上設備發射端采用Pattern時延差編碼體制，在發射端利用Pattern碼的時延差值進行時延編碼，在水下設備接收端采用時延估計及技術進行時延測量譯碼。通信信息量受時延估計精度制約，精度越高則編碼量化層Δτ分得越細，碼元攜帶信息量越大。

針對水聲釋放器布放數量和多頻道通信，釋放器水下設備采用多頻道聯合時延估計譯碼方法。譯碼流程如圖4所示。

圖4 多頻道聯合譯碼流程圖

水聲釋放器水聽器在收到喚醒碼后系統喚醒開始搜索同步碼信號，測得同步碼到達時刻作為譯碼窗同步基準，該時刻為最強多途途徑到達時刻［8］。系統在相應的時間窗內接收校正碼信號Pattern存儲后制表。

3.3 水聲釋放器抗多途性能分析

水聲釋放器工作的海洋聲信道由于環境復雜存在各種海洋噪聲，同時海面和海底聲反射以及海洋空間特性不同引起聲折射使得聲信號從發射機到接收機有著多種傳播途徑，這樣不但對聲信號進行能量衰減，而且使得發射波形發生畸變［10］。多途擴展導致信息載體碼元產生碼間干擾和碼內干擾，稱為多途干擾。多途信道的沖激響應函數h（t）為

式中：Ai為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的本征聲線聲壓幅度，τi為聲波沿第i條傳播途徑到達接收點的本征聲線的相對時延，N為通過接收點對聲場有貢獻的本征聲線的數目［7］。

水聲釋放器中水聲通信質量和控制指令成功傳輸很大程度上由水聲信達的多途特性決定，必須采取有效措施克服聲傳播過程中產生的多途擴展干擾。PDS通信體制本身具有抑制碼間干擾的能力，采用多種不同Pattern碼波形來進行碼元分割，利用一組準正交的Pattern碼作為系統的碼元。另外，PDS體制中選的Pattern碼中任意兩個碼元之間的相互關系系數很小，借助于校正碼，可以減少碼內多途干涉對PDS體制的時延差測量精度影響。水聲釋放器利用PDS通信體制，能有效抑制碼間干擾和碼內干擾，在占用較窄頻帶內保證通信指令正常傳輸擴展適應海洋多途環境能力。

4 水聲釋放器通信系統仿真研究

本節利用Matlab仿真軟件對水聲信道進行建模，采用多途信道沖激相應函數評估Pattern時延差編碼通信在水聲釋放器應用中抗多途干擾效能。

仿真系統設置為4頻道控制編號四個水聲釋放器（編號為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），每個釋放器占用一個通信頻道，通信頻率為5kHz～13kHz并均分頻帶。水下釋放器接收機通過拷貝相關處理檢測同步碼，通過拷貝相關處理峰選測得到達接收點最強信號時刻，以該時刻為基準開窗，之后信號通過各頻帶信道帶通濾波器接收校正碼并存儲。圖5為PDS信息碼原始波形及解碼結果，由圖可以看出由于具有較弱的互相關性，Pattern碼不會產生相鄰碼元的碼間干擾。

圖5 PDS信息碼原始波形及解碼結果

在常規海洋水文條件下，對4頻道PDS水聲釋放器通信系統進行系統仿真，采用多頻道聯合時延估計譯碼，設設置接收信噪比SNR＝15dB，水上設備、水下釋放器深度分別為Z、ZS（m），水平距離為R（km）。四個水聲釋放器布放與水上設備四周并處于同一深度［6］。系統誤碼率仿真結果如表1所示。

表1 4頻道PDS水聲釋放器通信聯合時延估計譯碼誤碼率

通過表1的誤碼率統計結果，可以看到水上設備與水聲釋放器在15km范圍內，可以依靠任意兩個碼元之間的優良相關特性來克服多途干擾，系統可以實現低誤碼率通信，可靠性高。

5 結語

Pattern時延差編碼通信體制（PDS）對通信信道多途及不均勻性有較強地抗干擾能力，本文根據水聲釋放器高可靠性和環境適應性需求出發，將低功耗PDS通信編碼體制應用于水聲釋放器遙控通信系統，提高了遙控通信系統抗多途通信能力，延長了水下電池供電工作時間。通過頻率分割擴展通信信道實現一機多控、節省系統資源，為未來可靠、高效回收海洋探測儀器擴展遠洋深海探測打下基礎。

［1］Aleksandar Dogandzic，Arye Nihorai.Space－time fading channel estimation and symbol detection in unknown spatially correlated noise［J］.IEEE Transactions on signal Processing，2002，50（3）：325－459.

［2］leBlanc L R，Beaujean P J.Spatio－temporal processing of coherent acoustic communication data in shallow water［J］.IEEE J.Oceanic eng，2000，25（1）：20－32.

［3］KILFOYLED，BAGGEROER A.The state of the art in underwater acoustic telemetry［J］.IEEE J Oceanic Eng，2000，25（1）：4－27.

［4］殷敬偉.多途信道中Pattern時延差編碼水聲通信研究［J］.哈爾濱：哈爾濱工程大學水聲工程學院，2007：18－22.

［5］陳韶華，相敬林，羅建.水聲通信多徑時延估計的高分辨方法研究［J］.系統仿真學報，2005，17（11）：305－677.

［6］郭文彬，桑林.通信原理－基于Matlab的計算機仿真［M］.北京：北京郵電大學出版社，2006：54－65.

［7］劉伯勝，雷家煜.水聲學原理［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2002：32－43.

［8］惠俊英，等.水下聲通信［M］.北京：國防工業出版社，1992：33－54.

［9］殷敬偉，惠俊英，韋志恒，等.基于Pattern時延差編碼體制的4通信水聲通信［J］.2006，25（1）：11－13.

［10］童峰，許鷺等，王清池.水聲數據傳輸系統中的同步信號處理［J］.廈門大學學報，2001，40（3）：684－685.

Application of Pattern Time DelayDifferential CodingMethod in the Underwater Acoustic Releaser

WANG Xiaoning ZHANG Guolong JIANG Jianping
（Uni 93，No.91388Troops of PLA，Zhanjiang 524022）

The underwater acoustic releaser is the auxiliary equipment for retrieve underwater devices.Its working time and ability retricts the usage condition and efficiency of underwater acoustic releaser.Using the features of pattern time delay differential coding，such as low power consumption，lovo bit error rate，it is applied in remote control instruction system of underwater acoustic releaser.The Matlab simulation proves that the usage of pattern time delay differential coding can realize one machine with several controllers of underwater acoustic releaser，improve anti－multi－paty interference ability，decrease low bit error rate and extend underwater working hour.

pattern time delay differential coding，underwater acoustic releaser，anti－multi－path interference

TN929DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.042

2015年4月7日，

2015年5月27日

王小寧，男，工程師，研究方向：水聲信號處理。