高速Pattern時延差編碼水聲通信技術

張錦燦，王志欣

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

近年來，人類海洋活動愈發頻繁，水下無人勘探設備及信息系統大量布放，實現資源勘探、導航定位和監聽測向等功能，在各領域發揮著重要作用。穩健的水聲通信鏈路是水下設備和系統進行信息交互的基礎，是系統實現更加豐富功能的關鍵。然而水下聲信道復雜的時變、空變及嚴重的多途效應[1-2]，給水聲通信鏈路的穩健性帶來很大挑戰。

PDS編碼通信是由哈爾濱工程大學提出的一種適用于水聲信道的通信體制。PDS利用Pattern碼元位于碼元窗口中的時延差值承載信息[3-5]，通過調整碼元時長來實現碼元分割，有效抑制多途擴展引起的碼間干擾。然而固定的碼元時長使得通信速率較低，為了提高速率，提出了基于頻域分割的高速PDS通信方案，引入被動時間反轉鏡信道估計技術，較好地抵抗了多途干擾，實現了遠程、低誤碼率和高速水聲通信。

1 PDS編碼通信體制

PDS編碼通信體制屬于脈位編碼(Pulse Position Modulation，PPM)，信息調制在碼片出現在碼元窗的時延差信息中，并采用拷貝相關器通過峰值檢測進行時延差估計解碼[6-7]。

若每個碼元攜帶2 bit的信息，則編碼時間Tc應該劃分為3等份，以Δτ表示最小量化間隔，則Δτ=Tc/3。當編碼信息分別為00，01，10，11時，Pattern碼在碼元中出現的位置如圖1所示。

圖1 PDS編碼示意

以p(t)表示Pattern碼片，則PDS體制在一個碼元寬度內發射波形可表示為：

(1)

在譯碼過程中，采用拷貝相關器來實現，即通過本地碼元與接收信號進行滑動相關處理，搜索相關峰的位置實現對時延差的估計，恢復出原始信息。

PDS解碼示意如圖2所示。

圖2 PDS解碼示意

2 被動時間反轉鏡技術

時間反轉鏡技術(Time Reversal Mirror，TRM)基于聲場互易性原理，引申了光學中的相位共軛法，是“最佳”空間和時間濾波器的實現，可以實現對聲信道而不是發射信號的匹配。TRM分為主動和被動2種。被動時間反轉鏡(PTRM)不需要發射裝置，只需具備接收功能，即可實現重組多途信號，空間聚焦的功能，繼而達到抑制碼間干擾、減少衰落信道影響的效果[8-12]。

以S(ω)表示信號的頻譜，H(ω)表示水聲信道傳輸函數，則經過信道傳輸后的信號頻譜R(ω)可表示為：

R(ω)=H(ω)S(ω)。

(2)

令X(ω)為R(ω)的復共軛，即：

X(ω)=R*(ω)=H*(ω)S*(ω)。

(3)

X(ω)變換到時域上就是接收信號的時間反轉，將式(3)兩邊同乘H(ω)，得到：

Z(ω)=H(ω)H*(ω)S*(ω)，

(4)

式中，Z(ω)是PTRM的輸出頻譜；H(ω)與H*(ω)相乘得到實偶正函數，并在零點處得到主相關峰，使Z(ω)遠大于R(ω)，這就是PTRM的工作原理。

對信號進行PTRM處理時，會在發射信息信號s(t)之前加入探測信號p(t)，添加多徑時延保護間隔，以確保接收到受完整多途影響的探測信號，保護間隔時長根據試驗環境進行調整。將收到的探測信號進行時間反轉后得到pr(-t)，與信息信號sr(t)進行卷積預處理，再與探測信號p(t)進行卷積，得到r(t)，此時，已經完成了多信道多途形成的碼間干擾的抑制。

被動時間反轉鏡處理流程如圖3所示。

圖3 被動時間反轉鏡處理流程

3 基于分頻的高速PDS水聲通信

PTRM-PDS通信體制構建的水聲通信鏈路穩定性高，但是對有限的水聲通信頻帶利用率低，通信速率一般為100～200 bps，然而在水下信息網絡中，需要盡可能高的通信速率，以支撐更加豐富的高層應用。因此，借鑒多載波通信思想，將常用水聲通信頻帶7～17 kHz進行分割，劃分為5個子頻帶，帶寬均為2 kHz，每個子頻帶獨立傳輸一路PDS信號，以提升通信速率。

分頻高速PDS水聲通信流程如圖4所示，原始數據流經過串并轉換之后進行PDS編碼，根據子頻帶添加用于探測的線性調頻信號pi(t)，各子頻帶發射信號疊加之后經水聲信道進行傳播，經由時間反轉鏡處理后得到接收信號r(t)，對r(t)分別進行帶通濾波、譯碼和并串轉換后恢復出原始比特流。

圖4 分頻高速PDS水聲通信流程

4 外場試驗驗證

4.1 邢臺野溝門水庫環境

2018年9月在邢臺野溝門水庫開展高速PDS水聲通信試驗，試驗環境如圖5(a)所示，水域狹長，寬度約為100 m，發射船與接收船之間的距離為400 m，試驗水域四周群山環繞。試驗水域的聲速剖面如圖5(b)所示，由于水深較淺，庫區聲速變化較小。

圖5 外場試驗環境

庫區水深20 m，使用探測信號對不同水深處水聲信道進行估計。野門溝水庫水聲信道特性如圖6所示，由圖6可以看出，庫區聲信道多普勒效應及時變特性不明顯，但是多途擴展嚴重，接近80個碼元寬度。

圖6 野溝門水庫水聲信道特性

4.2 水聲通信設備

試驗中采用籃式全向收發合置換能器D12-DT如圖7所示。其工作頻段為6～20 kHz，最大聲源水平：+196.5 dB re 1 μPa@1 m，接收靈敏度-170 dB re 1 V/μPa。

圖7 D12-DT聲學換能器

采用直流供電，通過匹配了換能器工作頻段，帶內聲源級可達193 dB。

水聲通信功率放大器如圖8所示。

圖8 水聲通信功率放大器

4.3 通信試驗

試驗時，Pattern碼片采用線性調頻信號，高速PDS信號時頻如圖9所示。在7～17 kHz頻段內，2 kHz為一個子頻帶，對探測信號、同步信號和信息載荷均進行了分頻。

圖9 高速PDS信號時頻

對可用通信頻帶和各子頻帶分別進行了測試，測試結果如表1所示。

表1 水聲通信測試結果

通信頻帶/kHz通信速率/bps誤碼率7～92004×10-49～11200011～13200013～152003×10-415～1720007～171 2001×10-4

經由聲吶方程對系統指標進行核算，可達到1 200 km·bps的距離速率積，具備了支撐水聲通信網絡運轉的鏈路條件。

5 結束語

在復雜水聲環境中，被動時間反轉鏡實現簡單、節約能量，可實現信道匹配，有效降低多途擴展信號引起的信號畸變，減輕碼間串擾影響，提高水聲通信系統的穩定性。分頻高速PDS通信體制加入被動時間反轉處理，在保持傳統PDS體制穩定性的基礎上，借鑒多載波思想，通過劃分多個子頻帶，提高頻帶利用率，大幅提升了水聲通信速率。通過外場試驗，在不借助空間增益的前提下，利用單陣元接收進行水聲通信試驗，取得了很好的效果。

高速PDS水聲通信為水下節點組網通信墊定了鏈路基礎，具有一定的實用價值，需要通過湖試和海試，論證和完善系統，繼續提升水聲通信速率，使其能夠滿足水下“長城”中日益豐富的功能需求。