基于DPSK的多載波水聲跳頻通信系統性能仿真

陳博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 張文波

基于DPSK的多載波水聲跳頻通信系統性能仿真

陳博恒, 王明洲, 岳 玲, 寇小明, 張文波

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

由于海水中介質不均勻分布、海底海面邊界條件以及海水聲吸收的影響, 水聲信道極其復雜且不穩定, 主要表現為強多途、快時變、可用通信頻帶有限以及多普勒效應等, 現有水聲通信系統的抗干擾能力和通信速率尚不能滿足需求。基于此, 文中針對水聲信道的可用通信頻帶較為有限且具有強多途效應等特點, 提出了一種新的水聲通信體制。該方法通過結合多載波通信頻帶利用率高和跳頻通信抗多途的優點, 建立了采用多載波跳頻差分相移鍵控調制(MC/FH-DPSK)的水聲通信系統, 對其原理和實現過程進行了詳細描述, 并給出了該系統在加性高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道和頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道下的誤碼率性能仿真結果。仿真結果驗證了該系統具有可靠的抗噪聲性能, 在跳頻間隙與碼元寬度設置參數相同的情況下, 相比頻移鍵控水聲跳頻(FH/MFSK)通信系統的帶寬利用率提升了近2倍, 且抗多途能力性能與其相仿。文中的工作可為水聲通信新體制的探索提供理論參考。

水聲信道; 多載波通信; 跳頻通信; 多途效應; 差分相移鍵控

0 引言

近年來, 隨著水下移動平臺對通信系統性能的需求不斷提升, 實現高速率、低誤碼率的信息傳輸已成為當前水聲通信研究的熱點之一[1]。淺海聲信道具有強多途、快時變、高噪聲和有限帶寬的特點, 在淺海環境中實現可靠通信是當前水聲通信研究待解決的主要難題。跳頻通信技術作為一種擴頻通信技術, 是無線電通信領域抗干擾和通信對抗的主要方式。首先, 跳頻通信具有抗干擾能力強、抗多途能力強及保密性好等特點, 最早應用于陸上作戰使用的戰術電臺, 大大提高了通信的抗干擾及抗截獲能力[2]; 其次, 跳頻通信具有多址接入能力, 有利于水下平臺進行組網, 在實現水下作戰武器與作戰平臺間, 以及水下武器間通過信息交互與共享進行協同作戰方面有著很好的發展前景[3]。近年來, 國外有不少研究機構針對水下擴頻通信技術進行了研究。例如,歐洲進行的無人水下航行器(unmanned undersea vehicle,隱蔽聲通信(, UCAC)計劃、美國海軍戰爭系統中心的研究計劃等都使用擴頻通信體制[4-5]。在國內, 殷敬偉等[6]研究的采用差分相干解調方法的直接序列/二進制差分相移鍵控(direct sequ- ence/binary differential phase shift keying, DS/ BDPSK)水聲通信系統在距離0~3 km的范圍內, 移動平臺相對速度為≤5 m/s的條件下, 通信誤碼率小于10–3; 岳玲等[7]研究的頻移鍵控水聲跳頻(frequency-hopping/multilevel frequency shift keying, FH/MFSK)移動水聲系統在使用糾錯編碼的情況下通信誤碼率可達到10–6; 程恩[8]利用擴頻通信中的跳頻(frequency-hopping spread spe- ctrum, FHSS)水聲通信技術, 成功研制了具有自主知識產權的數字式水聲語音通信樣機和水下E-mail傳輸系統等。

由于水下可用帶寬較為有限, 而單一跳頻通信體制相比傳統單載波數據傳輸的帶寬占有率大, 頻帶利用率較低, 很難實現數據的高效率傳輸[9-10]。因此, 文中提出一種新的通信體制, 將多載波調制技術與跳頻通信技術相結合, 信息調制方式采用BDPSK, 這樣既可以提高頻帶資源的利用率, 又融合了跳頻通信抗多途的特點。同時, 差分相位編碼方式也具有較好的抗噪聲性能。

1 水聲信道特點

受海水中介質不均勻分布、海底海面邊界條件以及海水聲吸收的影響, 淺海水聲信道呈現復雜且不穩定性, 主要包括多途效應、多普勒效應以及帶寬利用率較為有限等方面。多普勒效應會造成傳輸信號頻率的展寬, 噪聲信號的時域選擇性衰落。多途傳播會造成碼間串擾(inter symbol interference, ISI), 同時在多途效應的影響下沿不同時延的路徑于不同時間到達接收機, 使得接收信號呈現頻率選擇性衰落。多途傳播環境下的接收信號為

式中: 為沿第條路徑到達接收機的信號分量的幅度; 為第條路徑的時延; 表示相位, ; , 和均為隨機變化量。由此可以建立離散時變多途水聲信道模型, 如圖1所示。

文中參照離散時變多途信道模型設置了一種頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道, 信道模型為

得信號多途比(signal multiple ratio, SMR)的定義

通過設置不同參數的SMR, 分析跳頻間隔與抗多途能力的關系。

2 多載波BDPSK水聲跳頻通信系統原理及數學模型

基于BDPSK的多載波水聲跳頻差分相移鍵控(multicarrier/FH-BDPSK, MC/FH-BDPSK)通信系統原理實現框圖如圖2所示。

圖2 多載波BDPSK跳頻通信系統流程圖

首先將輸入的串行數據流轉換為多個并行的子數據流, 信息調制方式采用BDPSK, 參考相位設置默認為0。采用BDPSK的主要原因是相干BDPSK的抗噪聲性能較為優異且頻帶利用率較高[11], 適用于水聲信道的環境。數據信息經BDPSK調制后再將這些子數據流分別調制到不同頻率的子載波上, 碼元信息由載波相位攜帶, 按照頻率合成器生成的遞增跳頻序列順序進行傳輸。為更加直觀地反映MC/FH-BDPSK系統的跳頻機理, 圖3給出了該系統的跳頻結構示意圖, 相對文獻[3]中采用的FH/4FSK系統的跳頻結構(見圖4), 當2種系統傳輸相同信息量的情況下且設置的單個碼元寬度與1個跳頻點所占頻帶帶寬都相同時, 兩者的頻帶利用率比值可表示為

式中: 為1個跳頻序列周期內所設置的跳頻點數; 為跳頻序列周期數。頻帶利用率的提高意味著系統誤碼率的提高, 通過式(5)可得, 傳輸信息量越大, 跳頻序列周期數越大, MC/FH-BDPSK系統的信息傳輸速率越接近FH/4FSK系統的2倍, 極大地提高了通信系統傳輸信息的有效性。

圖4 FH/4FSK系統跳頻示意圖

發射信號經過水聲信道后與在多途效應下的其他信號分量及噪聲同時進入接收機, 接收信號

由此可估計出各子載波中心頻率所對應的快速傅里葉變換(fast Fourier transform, FFT)序列索引, 該點所對應的相位信息為相對相位信息, 將相對相位信息進行BDPSK解調即可恢復出碼元信息。

3 仿真結果與分析

表1 跳頻參數和子載波參數表

Table 1 Parameters of frequency hopping and subcarriers

3.1 仿真基準驗證

為了驗證文中所提方法的準確性與可行性, 圖5和圖6分別給出了在加性高斯白噪聲信道環境下和瑞利衰落信道環境下MC/FH-BDPSK通信系統誤碼率與BDPSK信號理論誤碼率的對比。可以看出, 在加性高斯白噪聲信道下, MC/FH- BDPSK 通信系統的誤碼率性能略差于BDPSK, 原因是信號經多載波調制后, 各個子載波信號同相疊導致信號瞬時功率很大, 造成較高的峰值平均功率比(peak to average power ratio, PAPR), 且發射信號功率較為分散, 造成發射信號的平均信噪比較低, 因此誤碼增多。在瑞利衰落信道中與理論值基本吻合, 證明了該系統設計與仿真方法的正確性, 同時也保證了下文中所設置的其他環境下該系統的性能仿真具有參考價值。

圖5 加性高斯白噪聲信道曲線圖

圖6 瑞利衰落信道曲線圖

3.2 頻率選擇性兩徑瑞利衰落水聲信道

圖7 MC/FH-BDPSK在頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道中的誤碼率性能曲線

圖8 FH/4FSK由于多途效應引起的背景誤碼與信道時間和碼元時間比值的關系曲線

圖9 MC/FH-BDPSK由于多途引起的背景誤碼與信道時間和碼元時間比值的關系曲線

4 結束語

文中針對水聲信道的可用通信頻帶較為有限且具有強多途效應等特點, 通過利用多載波通信對頻帶利用率高和跳頻通信具有抗多途能力的特點, 建立了一種采用MC/FH-BDPSK通信系統, 并對其原理和實現過程進行了詳細的描述。給出了該系統在加性高斯白噪聲信道、單徑瑞利衰落信道、頻率選擇性兩徑瑞利衰落信道下的誤碼率性能仿真結果及詳細分析。分析表明, 該系統在跳頻間隙與碼元寬度設置參數相同的情況下, 相比FH/MFSK通信系統的帶寬利用率提升了近2倍。仿真結果驗證了該系統具有可靠的抗噪聲和抗多途性能, 適合水聲信道的復雜環境, 為水聲通信新體制的探索提供了一定的理論依據。后續工作將繼續研究設計合適的通信同步方案, 使MC-FH/BDPSK系統適用于在水下移動平臺之間的通信。

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Performance Simulation of Multi-Carrier Frequency-Hopping Underwater Acoustic Communication System Based on DPSK

CHENBo-heng, WANG Ming-zhou, YUE Ling, KOU Xiao-ming, ZHANG Wen-bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Focusing on the problem that underwater acoustic channel has limited available communication bands and strong multi-path effects,a new underwater acoustic communication scheme is proposed. A multi-carrier underwater acoustic communication system is established by using differential phase shift keying(DPSK) and making use of the high bandwidth utilization ratio of multi-carrier(MC) communication and the anti-multipath capability of frequency hopping(FH) communication. And its principle and implementation process are described in detail. Moreover, the bit error ratio(BER) performances of the system under additive white Gaussian noise channel, Rayleigh fading channel and frequency-selective two-path Rayleigh fading channel are simulated and analyzed, and its reliable anti-noise performance is verified. Compared with FH/MFSK communication system, the proposed MC/FH-DPSK communication system achie- ves almost two times higher bandwidth utilization ratio and the similar performance of anti-multipath in the condition of same frequency hopping clearance and parameter of symbol width.

underwater acoustic channel; multi-carrier communication; frequency-hopping communication; multi-path effect; differential phase shift keying(DPSK)

TJ630.34; TN929.3

A

2096-3920(2020)02-0182-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.010

陳博恒, 王明洲, 岳玲, 等. 基于DPSK的多載波水聲跳頻通信系統性能仿真[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(2): 182-186.

2019-10-14;

2019-10-25.

陳博恒(1993-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向水聲通信及信號處理.

(責任編輯: 楊力軍)