基于雙編碼策略的水聲OFDM 通信算法

邢延超，秦正昌，丁寒雪，王言前，李澤群,2，王辛杰

(1.青島理工大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266000；2.Electrical and Electronic Engineering,University of Technology,Sydney 2007,Australia)

0 引言

水聲通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋油氣資源的勘探，海洋污染監(jiān)測，水下救援，水下潛艇定位和導(dǎo)航以及水下作業(yè)等領(lǐng)域[1]。水聲信道具有嚴(yán)重的多途干擾特性[2–4]，使得接收信號產(chǎn)生畸變，影響通信系統(tǒng)性能，當(dāng)通信載體產(chǎn)生巨大脈沖噪聲干擾時，比如收發(fā)船發(fā)動機(jī)運(yùn)行時進(jìn)行通信，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生巨大脈沖噪聲，使得通信系統(tǒng)解碼性能迅速降低甚至解碼失效。

當(dāng)前水聲通信調(diào)制解調(diào)方式主要分為4 種：多進(jìn)制頻移鍵控（Multiple Frequency Shift Keying,MFSK）、單載波多進(jìn)制相移鍵控（Single Carrier Multiple Phase Shift Keying,SC-MPSK）、擴(kuò)頻（Spread Spectrum,SS）和正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）水聲通信算法。

MFSK的特點是性能穩(wěn)健但是數(shù)據(jù)傳輸速率低，不能滿足當(dāng)下高速通信的需求[5–6]；SC-MPSK的應(yīng)用使數(shù)據(jù)傳輸速率有了顯著的提高，但是受信道影響大、帶寬利用不充分[7]；擴(kuò)頻水聲通信技術(shù)具有很強(qiáng)的抗干擾能力，并且可以在低信噪比的條件下保證通信質(zhì)量，但是數(shù)據(jù)傳輸速率低[8–9]。OFDM 是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前已廣泛應(yīng)用于各種無線通信中[10–11]。由于OFDM 采用多載波調(diào)制，在碼元中加入循環(huán)前綴（Cyclic Prefix,CP）來對抗多途效應(yīng)，并且能將噪聲的能量分散到各個子載波上，減小了噪聲對系統(tǒng)的影響，提供可靠通信，在水聲通信系統(tǒng)中被廣泛使用。因此本文提出基于雙編碼策略的水聲OFDM 通信算法（Underwater acoustic OFDM communication algorithm based on dual encoding strategy,DE-OFDM），構(gòu)建抗船舶噪聲和時變多途干擾的通信體制。

1 DE-OFDM 算法原理

DE-OFDM 算法可有效對抗多途干擾，其基本思想是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分配到正交的子載波上并行傳輸，當(dāng)子載波帶寬低于信道相干帶寬時，呈現(xiàn)頻率平坦衰落，再加以CP，從而減小多途的影響。

DE-OFDM 水聲通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在發(fā)射端，輸入比特s首先進(jìn)行信道編碼、交織后，得到交織比特s′；串并轉(zhuǎn)換得到并行交織比特s′′；DQPSK 映射和差分編碼后，得到符號d；再經(jīng)過IFFT 變換，得到時域發(fā)送序列x(m)；添加CP、并串轉(zhuǎn)換、加同步信號、D/A轉(zhuǎn)換后，得到可被換能器發(fā)出的模擬信號。在接收端，接收信號y?(t)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換、同步檢測、串并轉(zhuǎn)換、去除CP 后，得到時域接收序列y(m)；經(jīng)過FFT 變換后，得到符號；再經(jīng)過差分解碼和DQPSK 解映射、并串轉(zhuǎn)換后，得到交織比特估計值；解交織和信道解碼后，可得輸入比特估計值。

DE-OFDM 算法采用信道卷積編碼，卷積碼輸出的編碼比特不僅與本組的信息有關(guān)，還與前面若干組的信息有關(guān)，可以起到很好的抗干擾作用。（n,k,m）卷積碼在編碼時把k個信息比特編成n個信息比特（k和n通常很小），m為編碼約束長度，說明編碼過程中有m組信息比特相互約束。卷積碼的碼率R=k/n，隨著碼率降低，抗干擾能力逐漸增強(qiáng)。本算法（3,1,9）卷積碼如圖2 所示，碼率R=1/3，3 個輸出比特與當(dāng)前輸入的1 個信息比特和前8 個信息比特有關(guān)。編碼運(yùn)算為：

圖2 （3,1,9）卷積編碼器Fig.2 (3,1,9) Convolutional coder

式中：cn為輸出編碼比特，sn為寄存器。

定義 θ為DQPSK 映射后的相位信息序列：

串并轉(zhuǎn)換將相位信息序列分為N塊，每塊長度為K，滿足I=N×K，相位信息矩陣可寫為：

n=0,···,N?1k=0,···,K?1,插入?yún)⒖枷辔沪萺

則此時相位信息序列為

用前后碼元之間的相位差傳輸信息，差分過程如圖3 所示。第一列相位 θ0減去參考相位 θr作為差分后的第一列相位d0，θ1減去d0作為差分后的第二列相位d1，以此類推。定義d0=θ0?θr，dk=θk?dk?1，經(jīng)差分編碼后可得相位信息為：

圖3 差分編碼Fig.3 Differential coding

差分編碼用前后碼元之間的相位差傳輸信息，經(jīng)差分編碼后的相位信息可表示為d=差分編碼通過相鄰碼元作差，有效消除了船舶噪聲和時變多途對信號的干擾。通頻帶的前半部分放置d，后半部分放置d的共軛，然后逐列進(jìn)行M點的IFFT 變換如下：

得到時域矩陣

其中：m=0,···,M?1，k=0,···,K?1；加循環(huán)前綴、并串轉(zhuǎn)換、加同步信號、D/A 轉(zhuǎn)換后，可得發(fā)送的模擬信號

經(jīng)過水聲信道后，得到接收信號為：

其中，時變水聲信道多途數(shù)為P，第p條路徑的增益為Ap(t)，時延為τp(t)，環(huán)境噪聲為ne(t)，船舶噪聲為ns(t)。

在接收端，先進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、同步檢測、串并轉(zhuǎn)換、去CP 后，得到時域接收矩陣[8]為：

進(jìn)行FFT 變換，得到：

2 仿真試驗

傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。1 幀數(shù)據(jù)由多塊數(shù)據(jù)構(gòu)成，每塊數(shù)據(jù)由循環(huán)前綴CP 和有效傳輸數(shù)據(jù)Data 構(gòu)成，同步頭、同步尾采用線性調(diào)頻信號，LFM1為幅值2 V的線性調(diào)頻信號，LFM2為幅值1.2 V的線性調(diào)頻信號，這是為了避免同步檢測時檢測錯誤。

圖4 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of Transmitted data

南海實測水聲信道如圖5 所示，DQPSK100 組平均誤碼率如圖6 所示，橫軸表示信噪比（Signal Noise Ratio,SNR），縱軸表示100 組仿真試驗平均誤碼率（Bit Error Rate,BER）。當(dāng)信噪比達(dá)到13 dB 時，DQPSK 100 組仿真試驗全部正確解碼。

圖5 實測南海信道Fig.5 Measured south China sea channel

圖6 DQPSK100 組平均誤碼率Fig.6 Average BERs for DQPSK 100 groups

3 海上試驗

2020 年7 月搭乘膠州灣船舶噪聲測量試驗，租用一條船接收信號，船上配有220 V，3 000 W 發(fā)電機(jī)，保障設(shè)備供電，該船以4 m/s 速度運(yùn)動。水聽器與鋼管剛性連接，置放于水下2 m，鋼管與船體剛性連接，因此高速運(yùn)動時，船舶發(fā)動機(jī)使得船體震動，帶動水聽器產(chǎn)生震動，接收信號受到船舶噪聲干擾。

試驗測量的歸一化船舶噪聲如圖7 所示。

圖7 實測船舶噪聲Fig.7 Measured ship noise

4 水箱試驗

水箱長1.16 m，寬0.76 m，高0.62 m。收發(fā)節(jié)點水平距離0.40 m，換能器和水聽器布放深度0.50 m。試驗時用水盆在水面劃水，造成水面波動，增強(qiáng)信道時變性。傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同仿真。

水箱信道圖如圖8 所示，其中橫軸表示時域抽頭數(shù)，縱軸表示歸一化幅度，對比圖5 可知水箱信道具有強(qiáng)多途干擾。發(fā)射、接收信號如圖9 所示，船舶噪聲干擾下的接收信號如圖9（c）所示。對比圖9（b）可知船舶噪聲干擾強(qiáng)。

圖8 水箱信道Fig.8 Water tank channel

圖9 水箱試驗Fig.9 Water tank test

由于收發(fā)節(jié)點距離近，環(huán)境噪聲影響小，所以加入隨機(jī)高斯白噪聲，獲得信噪比1～15 dB的接收信號。采用所提算法，處理帶船舶噪聲的接收信號，平均誤碼率如圖10 所示，橫軸代表信噪比，縱軸代表DQPSK100 組水箱試驗的平均誤碼率，隨著信噪比增大，誤碼率逐漸降低。信噪比為15 dB 時，100 組幾乎全部正確解碼。水箱試驗證明了所提算法適用于船舶噪聲和時變多途干擾下的可靠水聲通信。

圖10 平均誤碼率Fig.10 Average BERs

5 結(jié)語

本文提出DE-OFDM 算法，采用信道卷積編碼和差分編碼有效消除了船舶噪聲和時變強(qiáng)多途干擾，基于循環(huán)前綴技術(shù)以及OFDM 通信技術(shù)固有的抗多途特性，有效消除了時變多途干擾。南海實測信道仿真和水箱試驗結(jié)果表明，所提算法可有效解決船舶噪聲和時變多途干擾問題，實現(xiàn)可靠水聲通信，可為船舶噪聲干擾下的海洋運(yùn)動水聲通信奠定基礎(chǔ)。