Chirp擴頻通信系統提高多普勒容限研究

摘 要：本文提出一種基于交疊技術的chirp擴頻通信方式， 其基本原理是通過改變chirp信號的調頻率來提高通信系統的抗多普勒性能，最后利用穩態分布模擬水聲信道進行計算機仿真，結果證明，基于交疊技術的chirp擴頻系統相較于傳統chirp擴頻系統有更好的抗多普勒性，更適于水聲通信。

關鍵詞：水聲通信 chirp擴頻 交疊技術 多普勒

由于水聲信道的特殊性，如何在隨機衰落、復雜多徑的信道環境中實現信息的可靠傳輸是水聲通信的第一要素[1]。相比窄帶通信，擴頻技術具有顯著的抗干擾與抗衰落能力而被廣泛應用于水聲通信。目前常用的擴頻技術有chirp擴頻、直接序列擴頻以及跳頻技術，相比后兩者，chirp信號因具有較大的時寬帶寬積，從而擁有更強的抗 頻率選擇性衰落、抗多普勒以及抗環境噪聲能力，已經成為研究熱點。Chirp擴頻技術是通過chirp脈沖調制來發送信息以達到擴頻的目的，它無需加入偽隨機序列，因為其可以利用chirp信號自身的線性頻率特征。當前，應用較多的chirp擴頻調制方式主要為二進制正交鍵控調制和直接調制。前者的調制原理較簡單，在接收端只需檢測能量即可，可以通過模擬搭建系統，然而，因為up chirp 和down chirp具有一定的相關性，導致其抗多普勒能力不高[2]；而后者調制對多徑的適應力較強，但在接收端需要幅度相位信息，復雜度較高。因此，本文提出一種基于交疊技術的chirp擴頻調制方法。

一、水聲通信信道特征

眾所周知，水聲通信信道與無線電通信信道存在著許多實質性的差異。因此，要想設計出適配于實際環境水聲信道傳輸的通信系統，就需要深入了解水聲信道特異的聲傳播規律。首先，水聲信道具有較大傳輸衰減，會限制通信傳輸距離，并且它所容許采用的帶寬又比無線通信中的帶寬窄很多，從而又導致通信速率較低；其次，水聲信道中存在著比信號脈沖寬度大得多的隨機時-空-頻變多徑結構，導致其多徑效應十分突出；最后，水聲通信是通過聲波進行傳輸，聲波傳輸速率較低，導致生源和接收器相對運動速度較大，多普勒效應顯著。總的來說，水聲信道就是一個帶寬受限嚴重，噪聲干擾嚴重的時變、空變以及頻變的衰落信道，導致信號傳輸環境特別惡劣。

二、chirp擴頻調制

（1）基于交疊技術的多載波調制

在水下強多普勒情況下，傳統多載波chirp擴頻通信技術并不能達到理想水平。本文提出的基于交疊技術的多載波調試，其基本原理為：假設信道帶寬為9k-12khz，將其分為三個子頻帶，與傳統多載波調制不同之處在于，三個子頻帶不是平均分配，并且不是完全分開，而是交疊在一起的。具體方法如圖3-1所示，從圖中可以看出，信道所劃分的三個子頻帶f1、f2和f3并不相等，如果多普勒頻移較大時，k1會平移至k1’，但k1’與k2并沒有完全重合，此時我們仍然可以對信號進行識別，這樣能夠增加信道的多普勒容限；此外，因為信道的子頻帶之間是相互交疊的，在接收端可通過利用chirp信號的正交性，完全區分出信號，這樣在有限的水聲頻帶內大大增加信道的頻帶利用率。

（2）仿真分析

這里通過計算機對傳統chirp擴頻通信與基于交疊技術的擴頻通信在多普勒環境下進行仿真對比。仿真的兩個系統均采用16進制，接收端采用FRFT解調方式。圖3-2為多普勒條件下的仿真結果。從圖3-2中可看出，在模擬水聲信道環境下，當多普勒頻移fd小于頻帶帶寬400hz時，兩種方法的誤碼率近似相等；然而當fd大于400hz時，可以看到傳統的多載波調制方法的誤碼率迅速上升，而基于交疊技術的多載波調制方法的誤碼率相對較為平穩，從而驗證了本方法的有效性。

總之，本文針對淺海水聲信道的特點，提出了基于交疊技術的水聲chirp擴頻通信系統，并進行了分析與仿真。結果證明，基于交疊技術的chirp擴頻通信體制的抗多普勒性能優于傳統的多載波chirp擴頻通信。為工程上的應用奠定了理論基礎

參考文獻

[1]. Chitre， M.， et al.， Recent advances in underwater acoustic communications networking， in OCEANS 2008. 2008： Quebec City， QC， Canada.

（作者單位：福建國網寧德供電公司）