并行組合擴頻水聲通信技術研究?

周航程 韓樹平 劉 琨

（1.海軍潛艇學院 青島 266199）（2.中國人民解解放軍91208部隊 青島 266199）

1 引言

隨著海軍在國防安全中逐漸扮演著越來越重要的角色，對于潛艇、浮標、水下自主航行器（AUV）、水下無人航行器（UUV）和水聲通信節點等基于水下作戰的通信和指令傳輸都需要穩定且隱蔽的水聲通信技術。擴頻技術由于其良好的抗噪聲和抗干擾能力而被廣泛應用于水聲通信領域［1］。但是擴頻通信通信速率較低，所以本文重點研究了并行組合擴頻技術的原理及實現方法，針對其在水聲通信領域中的應用做了適應性改進，通過映射序列擴頻方式的結合構建了一種穩定的并行組合擴頻水聲通信系統［2］，并通過水池實驗對該通信系統的性能進行了驗證。

2 并行組合擴頻通信原理

中國科技大學朱近康教授在1990年提出一種軟擴頻通信方式——并行組合擴頻通信［3］。這種通信方式的數據傳輸能力以及頻帶利用率明顯高于普通擴頻通信，適合在頻帶受限的環境（如:水聲信道）中使用。

水聲通信中的并行組合擴頻通信是在M元擴頻通信的基礎上發展起來的具有較高信息傳輸能力的并行數據傳輸通信方式［4～5］，是從M個擴頻碼中選取r個及其各自的相位極性狀態，同時疊加經載波調制后發送，這樣，系統傳輸的信息數據k，可表示為

式中:x表示對x取整數部分，顯然M、r越大，對應的信息數據越多。設發送端待發送的k比特信息數據為d1,d2,......,dk，該信息序列被送入數據—擴頻序列映射器，經載波調制后，發送信號可表示為

在高斯白噪聲信道下，接收信號可表示為

式中τ為通信傳播時延；n（t）為高斯白噪聲，其雙邊帶功率譜密度為N0/2；J(t)為干擾信號。

在接收端可以使用M個解調器，將去載波之后的接收信號分別用本地擴頻序列 PNi(t)，（i=1，2，…，M）作解擴處理，在載波頻率和擴頻序列已經精確同步的情況下，第i條之路擴頻解調器輸出可以表示為

由于擴頻序列的正交特性，所以，解調器輸出為

根據M個解調器的相關輸出結果，選取絕對值大的r個相關輸出所對應的擴頻序列及其序列相位極性作為發送信號的組合序列，再經過序列—數據逆映射器，可以解出發送的k比特數據，并行組合擴頻系統的通信速率可表示為

可以看出，其通信速率較直接序列擴頻（通信速率Rb=1/T0bit/s）速率有很大提高。

3 并行組合擴頻系統技術參數的選擇

隨著并行通路r的增大，多路信號疊加可導致峰均比大幅升高，不利于水下軍事通信的隱蔽性需求，且其在低信噪比下干擾相對增大，很容易發生數據映射解調錯誤，不利于該通信系統的穩定性。同時隨著擴頻碼序列M條數的增加，將會大大增大接收機結構的復雜度，不利于工程實現，所以選擇合適的并行通路r與擴頻碼的數量M對通信系統的性能非常重要［6～7］。下面主要從可靠性、隱蔽性、經濟性、工程實現性四個方面對該系統進行分析。

3.1 可靠性

在相同的信噪比條件下，并行通路越少其通信系統的可靠性越高，但是并行通路數的提高可成倍增加系統的通信速率。經實驗仿真驗證，若選用16條擴頻碼并行三路輸送信息，對并行組合擴頻水聲通信系統在不同信噪比下的大量仿真實驗研究，統計出系統的誤碼率，在信噪比為-4dB時誤碼率較高，可達6*10-4。隨著信噪比的升高，系統誤碼率逐漸降低，在信噪比大于2dB時，在統計范圍內無誤碼出現，即誤碼率低于10-6量級。可見其在低信噪比條件下誤碼率仍然處于較高水平，不利于水聲通信的穩定性。而使用2路并行通路時，在信噪比為-10dB時，在統計范圍內無誤碼出現，提高了通信系統的穩定性。

3.2 隱蔽性

直接序列擴頻系統中擴頻信號具有較寬的頻帶，在頻域中，擴頻信號的功率是均勻分布的，傳輸信號的功率密度比較低，信號浸沒在白噪聲之中，使得對方很難發現信號的存在，因此擴頻通信的隱蔽性較好。但隨著并行通路信號的疊加，其峰均比會不斷提高，導致系統的隱蔽性將變得越來越差，故不能過度增加并行通路數目。

3.3 經濟性

3.3.1 通信速率角度

3.3.2 能量角度

表1 能量關系表

隨著并行通路數目r與擴頻碼數量M的改變，傳送單個信息比特所需的能量E發生改變。在不考慮碼間干擾的情況下，假設單路傳送所需能量為1，表1列舉了并行通路r、擴頻碼數量M、與傳送比特數k、傳送單個比特所需的能量E的關系。

3.4 解碼復雜度

隨著并行通道的增加以及擴頻碼數量的增加，其解碼復雜度不斷增大，從工程實現角度考慮不能無限增大并行通道數目和擴頻碼數量。

本文綜合考慮可靠性、隱蔽性、經濟性、工程實現性等因素，本通信系統中使用2路并行通路，選用17條正交Gold碼的并行組合通信。

4 并行組合擴頻通信系統仿真

為了驗證本文所搭建的并行組合擴頻水聲通信系統的有效性，在室內消聲水池中進行了水聲通信試驗［8～11］。試驗環境圖如圖1所示。實驗采用中心頻率為8kHz的信號發射機，發射換能器深度和接收換能器深度均為5m，收發換能器相距20m，水池內壁被消聲尖劈覆蓋，表面消聲尖劈被剔除。因此，水池中只存在直達聲路徑和水面反射路徑。聲線路徑如圖2所示。發射信號體制如圖3所示，報文頭采用線性調頻信號，BPSK調制測得消聲水池的沖激響應，如圖4所示，報文中采用周期為128，碼片寬度0.5ms的正交Gold碼作為擴頻碼，載波調制方式為QPSK。水池中的聲速為1497m/s。

圖1 試驗環境示意圖

圖2 聲線路徑示意圖

圖3 發射信號示意圖

圖4 消聲水池的沖激響應

在發射信號中添加噪聲，在信噪比為-10dB時，實驗結果如圖5所示（以單路信息碼為例）。

圖5 時域圖

圖6 頻域圖

在接收端，將均衡后的信號首先進行QPSK解調，將解調出的二進制序列與本地擴頻碼做相關，通過最大值判決，選出最大相關峰與次大相關峰對應的擴頻序列號及其相位狀態，再根據數據映射解調，便可恢復出發送端調制的數字信息。以一路信息解調為例，其相關性如圖7。

由圖7可以看出，在信噪比為-10dB時，2條擴頻序列的相關解擴峰值仍處于較高狀態，且經過多次實驗在統計范圍內沒有誤碼出現，充分保證了系統的穩定性和可靠性。

圖7 解碼相關性

5 結語

通過對比可以看出，并行組合擴頻系統在保證了系統的可靠性的前提下大幅度的提高了系統的通信速率［12］。特別是在負信噪比工作環境下，其穩定性隱蔽性的優勢使其在軍事通信中有著廣闊的應用前景。