變速M元擴頻水聲通信系統(tǒng)研究

于　洋，張　柯，孟耀偉，楊枝茂，孫宗鑫

（1.許昌學(xué)院 交通運輸學(xué)院，河南　許昌　461000；2.許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南　許昌　461000；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江　哈爾濱　150001）

變速M元擴頻水聲通信系統(tǒng)研究

于洋1，張柯2，孟耀偉1，楊枝茂1，孫宗鑫3

（1.許昌學(xué)院 交通運輸學(xué)院，河南許昌461000；2.許昌學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南許昌461000；3.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001）

針對不同的水聲信道和不同的接收信噪比有著不同的最優(yōu)傳輸速率的思想，文章根據(jù)水聲信道的特殊性，提出了一種基于M元擴頻的新型水聲通信系統(tǒng)，采用不同的碼本以實現(xiàn)不同的通信速率。文章闡述了幾種碼本的產(chǎn)生方法和性質(zhì)，通過仿真，獲取了在幾種通信速率在加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise， AWGN）和衰落信道下的誤碼率曲線，并得到了在10-4誤碼率要求下所需的信噪比，為水聲通信系統(tǒng)的靈活性和適用性提供了一種新的解決方案。

水聲通信；變速；M元；擴頻

1　概述

水聲信道是迄今為止最為復(fù)雜的無線信道之一，它有著劇烈的時變、頻變和空變特性。隨著收發(fā)機位置、海底地形和海況的不同，其信道沖激響應(yīng)變化較為劇烈，由于聲影區(qū)和匯聚區(qū)的存在，接收信道的信噪比變化也較大。多徑衰落也是影響接收信號性能的重要因素，而這種衰落在淺海中表現(xiàn)得尤為明顯。對于某一種信道和信噪比下的情況，都存在一種最優(yōu)的通信方案。對于擴頻通信來說，表現(xiàn)為不同的擴頻增益來實現(xiàn)在要求的誤碼率范圍內(nèi)達(dá)到最大的通信速率，這樣，可以說明變速擴頻通信將較為適合水聲信道的傳輸。

變速通信在無線信道得到了廣泛的應(yīng)用，在水聲通信中也有一定的研究。本文設(shè)計的水聲通信方案旨在提供一種新的變速通信方案，使其在不同通信距離上或者是在相同通信距離不同功率要求的情況下進行不同通信速率的可靠通信，以M元擴頻為基礎(chǔ)，不同的通信方案有著相同的碼片速率和符號傳輸速率，唯一的區(qū)別是它們使用了不同的碼本。幾種方案之間的轉(zhuǎn)換只需要使用不同的碼本即可。本文提供了一種方便的變速方案，使用的碼本有小Kasami序列族、Gold序列族和大Kasami序列族［6］。它們的碼本數(shù)量依次遞增。

本文提出的方法沒有改變碼片速率和波特率，但是卻改變了擴頻因子，實現(xiàn)了不同通信速率的傳輸，簡化了系統(tǒng)，較易于實現(xiàn)。

2　變速擴頻原理

變速M元擴頻根據(jù)接收機測得的信道、信噪比或是誤碼率來反饋給發(fā)射端，來決定采用何種通信速率和使用哪種碼本。變速M元擴頻的原理框圖如圖1所示。

首先，碼本選擇器根據(jù)先驗的信息選擇碼本來實現(xiàn)最優(yōu)的通信速率。序列選擇器根據(jù)輸入的信息來選擇碼本中的序列。信號通過調(diào)制，經(jīng)歷了水聲信道，可以得到接收信號為：

圖1　變速M元擴頻原理

其中A為幅度，τ為時延，l=0為直達(dá)信號到達(dá)的情況，在1≤l≤L時，是多徑信號在持續(xù)時間內(nèi)的分布。c為擴頻序列，而i則是碼本中序列的編號，其中1≤i≤M，M就是碼本中的序列數(shù)，而隨著選擇碼本的不同，M的大小也在改變。ωr為接收信號的角頻率，φl為隨機相位，而n為均值為0，方差為1的高斯白噪聲。

當(dāng)系統(tǒng)完成時間同步、頻率同步和相位同步的情況下，可以得到τ0，ωr和φ0。

使用選擇的碼本序列cj（t-τ0）對接收信號進行解擴，其中1≤j≤M。之后使用cos（ωrt+φ0）進行解調(diào)，在0到符號持續(xù)時間T內(nèi)進行積分，對于每一個符號來說，忽略ωr的高次項，可以得到M路的積分輸出：

此時，積分輸出Vj是一個長度為M的向量，而max（Vj）就是最大值判決后輸出的結(jié)果。影響其輸出的因素有第一項中i≠j時擴頻碼乘累加的結(jié)果，第二項中擴頻碼乘累加的結(jié)果和第三項噪聲的影響。而碼本的互相關(guān)特性又影響著第一項和第二項中的干擾效果。

3　幾種偽隨機序列的產(chǎn)生方式和性質(zhì)

由（2）式可以看出，序列的互相關(guān)性對輸出結(jié)果的影響是非常重要的，下面就對幾種序列的產(chǎn)生方法和性質(zhì)進行分析。

對于小kasmai序列，其中a為m序列，b為a的抽樣序列，其中抽樣間隔為r，r=2n/2+1，其中n為序列的階數(shù)，序列的長度N=2n-1。則小kasami序列集可以表示為：

2.2.6 3組小鼠用力最大呼氣流速比較 對照組和脂多糖組在6、18、36 h后的用力最大呼氣流速比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。18、36 h后，甲強龍組用力最大呼氣流速較脂多糖組升高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；6 h后，兩組用力最大呼氣流速比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

其中，D表示的是循環(huán)移位，⊕表示的是異或，其中r必須是大于等于4的偶數(shù)，其序列集的大小為2n/2。

小kamami序列的互相關(guān)函數(shù)較低，其三值互相關(guān)函數(shù)為：

對于Gold序列來說，其中a和b為m序列的優(yōu)選對，則Gold序列集可以表示為：

在Gold序列中，階數(shù)r不能為4的倍數(shù)，其序列集的大小為2n+1。

其中Gold序列的互相關(guān)函數(shù)可以定義為：

對于大kasami序列來說，其定義方式有兩種，一種是n=0mod4，另一種是n=2mod4。這兩種方式有著不同的序列集大小，下面以n=2mod4這種情況為例進行研究，其序列集可以表示為：

可以看出，大Kasami序列的互相關(guān)函數(shù)是5值的，而Gold序列互相關(guān)函數(shù)絕對值的最大值和大Kasami序列相等。

4　仿真分析

首先以階數(shù)為6的序列為例，對（4），（6），（8）式的互相關(guān)性進行仿真，如圖2所示。

圖2　3種序列的互相關(guān)性分析

由圖2可以明顯地看出，小Kasami序列的互相關(guān)值的最大值要小于Gold序列和Kasami序列，而Gold序列的互相關(guān)值的最大值和大Kasami序列基本相等，但是大Kasami序列的波動起伏顯然要高于Gold序列。小Ksami序列和Gold序列呈現(xiàn)出三值互相關(guān)特性，而大Kasami序列是五值的。

圖3是當(dāng)r=6的情況下幾種通信方式的通信速率示意圖，其中1表示傳統(tǒng)的DSSS，2表示基于小kasami序列的M元擴頻，3表示基于Gold序列的M元擴頻，4表示基于大kasami序列的M元擴頻，這里設(shè)1方式的通信速率為基準(zhǔn)通信速率。

圖3　不同通信方式的通信速率示意

圖3給出了不同通信方式的通信速率，隨著r取值的不同，通信速率的比值也在不斷地變化，2方式是r/2，3方式是r。4方式是3r/2。可以看出，隨著r的增加，各通信方式通信速率的比值不斷增加，也就是圖3的曲線愈加陡峭。在r為6時，通信速率可以達(dá)到數(shù)十倍的動態(tài)范圍，可以適應(yīng)不同的距離和工作環(huán)境。

用于仿真的信道沖激響應(yīng)來源于海洋真實測量，測量的地點在巴基斯坦重要的港口城市敖馬拉附近，測量所在的海洋結(jié)構(gòu)為大陸架，兩點之間的距離為10km，測量水域的深度為10～722m，發(fā)射換能器的深度為5m，接收換能器的深度為400m。其信道沖激響應(yīng)如圖4所示。

從圖4可以看出，多徑時延在幾十ms的量級上，此信道為非最小相位系統(tǒng)，非最小相位系統(tǒng)是有些路徑通過較高的聲速傳播了較長的時延造成的。

圖4　海洋實測信道沖擊響應(yīng)

本文試圖提出的信號多徑比（Signal Multiple Ratio， SMR）的方法來衡量信道的好壞。這里對SMR作一些簡化，得到一些近似的結(jié)果。這里將根據(jù)圖2給出的結(jié)果，僅考慮信道沖激響應(yīng)的幅度和正負(fù)（代替相位），并忽略幅值小于直達(dá)信號0.01倍的情況，在觀測周期在10ms的情況下，信號相對于觀測周期是足夠長的，可以得到結(jié)果為：2.047。

以下仿真中，采樣頻率為48KHz，中心頻率為8KHz，帶寬為4KHz。擴頻序列碼長為31。

圖5—6展示了這4種通信速率下在AWGN信道和衰落信道下的比特誤差率（Bit Error Rate， BER）分析，得到這樣的結(jié)論，這4種通信方式隨著通信速率的提高，抗噪聲能力逐漸下降。

圖5　幾種通信方式在AWGN信道下的表現(xiàn)

圖6　幾種通信方式在衰落信道下的表現(xiàn)

圖7展示了4種通信方式達(dá)到10-4誤碼率所需要的信噪比，可以看出，這幾種通信方式隨著通信速率的提高，需要的信噪比不斷增加。可以根據(jù)實際的測量情況而動態(tài)地選擇這幾種通信方式。

圖7　達(dá)到10-4誤碼率所需要的信噪比

5　結(jié)語

本文提出了一種新型的水聲通信系統(tǒng)的解決方案，以M元擴頻通信為基礎(chǔ)，在不同碼本之間互相轉(zhuǎn)換的變速通信系統(tǒng)，并通過實測海洋信道對其進行仿真驗證。可以適應(yīng)水聲通信不同通信距離的情況。并根據(jù)需要的信噪比進行靈活選擇，而這種方案為水聲通信系統(tǒng)的適用性和方便性提供了一種新的備選方案。

［1］KILFOYLE D B，BAGGERROER A B.The State of art in underwater acoustic telemetry［J］.Oceanic Engineering，2000（25）：1-25.

［2］STOJANOVIC M，PREISIG J. Underwater acoustic communication channels： propagation models and statistical characterization［J］. Commun Mag， 2009（47）：84-89.

［3］CHENGB H，JIANGUO H，ZHI D. A variable-rate spread-spectrum system for underwater acoustic communications［J］. Oceanic Engineering，2009（4）：624-633.

［4］YANG T C. Propertes of underwater acoustic communication channels in shallow water［J］. Acoust. Soc. Am. 2012（1）：129-145.

［5］SARWATE D V，PURSLEY M B. Crosscorrelation properties of pseudorandom and related sequences［J］.1980（5）：593-619.

［6］ZIELINSKI A，YOON Y H，WU L X. Performance analysis of digital acoustic communication in a shallow water channel［J］.Ocean Engineering， 1995（4）：293-299.

［7］HAYES J F. Adaptive feedback communications［J］.Technology， 1968（16）：29-34.

Research of variable rate M-ary spread spectrum underwater acoustic communications

Yu Yang1， Zhang Ke2， Meng Yaowei1， Yang Zhimao1， Sun Zongxin3
（1.Traffc and Transportation School ofXuchang University， Xuchang 461000， China；2.Information Engineering School ofXuchang University， Xuchang 461000， China；3.Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory， Harbin Engineering University， Harbin 150001， China）

Based on the intention of optimal data rate for different channels and different received signal to noise rate（SNR）， this paper proposes a new scheme of M-ary spread spectrum telemetry to realize variable data rate by adopting different sizes of code sets over underwater acoustic（UWA）channel. This paper illuminates the variable rate scheme， the methods and characteristics of kinds of code sets. It is obtainable that the BER curves over additive white Gaussian noise（AWGN）and UWA channels as well as required SNR of 10-4BER. A fexible and applicable solution is introduced for UWA communication system.

underwater acoustic communication； variable rate； M-ary； spread spectrum

國家青年自然科學(xué)基金；項目編號：61501134。國家青年自然科學(xué)基金；項目編號：11304056。

于洋（1987— ），男，黑龍江齊齊哈爾，博士，講師；研究方向：通信與信號處理。