基于Matlab的時延差編碼被動時反轉鏡水聲通信系統仿真實驗設計

郭鐵梁， 趙旦峰

（1.梧州學院a.電子與信息工程學院；b.廣西機器視覺與智能控制重點實驗室，廣西梧 州 543002；2.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱 150001）

0 引 言

深海水聲通信存在的最大困難就是各種干擾，深海水聲信道的多徑時延可達到數秒量級，還有復雜的環境干擾，這些干擾極易引起聲信號的傳播失真，對深海水聲通信產生不利影響［1］。為在教學中使學生深入了解如何對抗深海水聲通信最大的干擾—多徑時延擴展，本實驗設計應用了Pattern時延差編碼（Pattern Time Delay Shift Coding，PDS）通信技術［2］，把被動時間反轉鏡（Passive Time Reversal Mirror，PTRM）技術應用于PDS系統中［3］，上述技術的結合在對抗深海信道多徑干擾上具有一定的優勢，把矢量信號處理技術［4］應用到上述系統以提高系統的輸入信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。

本實驗針對深海通信，將PTRM-PDS通信系統［5］與矢量信號處理技術相結合，進行教學實驗設計，對水聲通信PTRM-PDS系統的全過程進行仿真，這有利學生對PTRM-PDS通信系統的理解。結果表明，該系統能夠在低SNR和較強多徑情況下進行高速率通信。

1 系統結構設計

1.1 PDS通信原理與矢量信號處理

PDS基本原理如圖1所示，在發送信息碼元中，由不同起始位置的Pattern碼元，攜帶有用信息［6］。

圖1中：Δτ＝（T0-Tp）/（2n-1）為編碼量化單位；序號k＝0，1，…2n-1；Tp為Pattern碼元長度；T0為所發送的總信息碼元長度；n為一個信息碼元所攜帶的bit數。Pattern時延差編碼屬于脈位調制，每個碼元攜帶不同的信息，通過kΔτ的不同大小，即Pattern碼的不同起始位置來實現。因為一個長為T0的碼元含有的信息為n bit，所以Pattern時延差編碼的通信速率Rb＝n/T0bit/s。

對聲源方位進行估計以及綜合應用聲壓、振速矢量信號對抗深海信道干擾的理論基礎是與矢量水聽器偶極子指向性相關的電子旋轉技術。對深海水聲通信，遠場聲信號近似為平面波，矢量水聽器接收機的輸出振速和聲壓具有一致相關性，p為矢量水聽器輸出的聲壓，vx、vy分別為x、y方向上的振速分量，設vx和vy的線性組合信號為vc［7-8］，圖2給出了矢量信號應用原理圖。

1.2 加權直方圖方位估計與PTRM技術

加權直方圖方位估計是一種統計算法［9］，圖3所示為加權直方圖方位估計的原理，首先解析處理矢量水聽器的輸出聲壓、振速矢量信號，將聲壓與振速的兩個分量分別做互譜計算，進行加權直方圖統計得到所有頻點上的方位估計曲線，曲線的最大值即為方位估計結果。

被動時間反轉鏡（PTRM）技術，不同于時間反轉鏡（TRM），PTRM陣元只帶接收功能［10］，PTRM技術能有效抑制碼間干擾，用簡單的算法在時域對信號進行處理，PTRM的應用原理如圖4所示。

圖4中，發射器首先發射探測信號d（t），然后發射s（t），接收器將探測接收信號dr（t）與d（t）的時間反轉信號d（-t）作卷積運算得到d′（t），d′（t）再經時間反轉得到d′（-t），最后將d′（-t）與隨后的接收信號sr（t）進行卷積運算得到最終接收信號r（t），至此接收器就完成了PTRM的運算處理過程。

1.3 深海PTRM-PDS系統

將矢量信號處理、加權直方圖方位估計和PTRM技術與Pattern時延差編碼相結合，設計成PTRM-PDS通信系統，一般情況下將系統的總帶寬分成若干個子帶，構成較高通信速率的深海多信道PTRM-PDS通信系統［11］。深海PTRM-PDS通信系統的結構原理如圖5所示。

將編碼后的3個子信道信號疊加得到s（t），中間經歷矢量運算及方位估計過程，經PTRM處理后得到r（t），將r（t）通過信道解碼器進行解碼。

2 系統仿真與分析

2.1 深海信道模型及參數設置

本實驗使用《206拖曳線列陣聲吶作用距離預報系統》中深海信道模型進行計算機仿真［12］，利用射線聲學理論建立深海多徑信道模型［13］。兩種典型的信道沖激響應如圖6所示，圖6（a）為水平距離50 km，收、發節點均位于1 km水深的情況，這個位置恰好是深海聲道軸；圖6（b）則為水平距離30 km，收、發節點分別位于150 m、1 km水深，位于非聲道軸處。

表1所示為深海PTRM-PDS通信系統的仿真參數設置。

表1 深海PTRM-PDS系統仿真參數

如圖7所示為深海PTRM-PDS通信系統的仿真流程圖，系統仿真中的編解碼均為3信道，系統噪聲為高斯白噪聲。

2.2 仿真分析

在設定信道沖激響應模型及通信系統仿真參數之后，利用Matlab軟件對系統進行仿真，并對結果進行分析，圖8所示為3個信道編碼器編碼后的疊加碼形。

如圖9所示為信號通過信道前、后的波形比對。圖9（a）為附加了同步碼的發射信號，加上一段時隙，目的為減緩深海多徑信道對其后面信號的影響［14］。圖9（b）為發射信號經過深海信道之后的波形，對比圖9（a）、（b），可見，多徑時延擴展增加了發射信號的長度，說明增加時隙非常重要，否則會產生碼間干擾。

如圖10所示為矢量處理信號波形，圖10（a）為矢量水聽器接收到的聲壓信號，圖10（b）為x軸方向上的振速分量。從圖中可知，聲壓與振速波形相似。圖10（c）為vx和vy的合成信號vc。

如圖11所示為方位估計結果，仿真設定目標方位角θ＝50°，而圖中在方位48°位置上波形出現最大值，可知方位估計的誤差約為2°，由此可見，對于實際的PTRM-PDS通信系統來說，該估計方法具有較高的準確性。

如圖12（a）所示為深海信道沖激響應估計［15］，由于PTRM技術的應用，使得信道的估計波形與原波形相近，將圖12（a）與圖6對比可以驗證這一點。圖12（b）為幅度已經歸一化的時反信道，可見，此時反信道具有近似為單位沖激響應的主峰。將矢量處理后的信號經過時反信道，得到PTRM輸出信號r（t），如圖12（c）所示。

被動時間反轉過程的輸出信號r（t）經濾波之后，再將r（t）進行解碼，接下來進行重置相干解碼［16］，如圖13所示。

如圖13所示為重置相干解碼的一個波形，根據圖13中的最大幅值對應的時間可推測對應信息碼的時延差，為作為對比分析，將拷貝相關碼作為參考信號，由圖14可知，拷貝相關碼信號的高幅值較多且相近，在這種情況下就很難對時延進行估計，因此相干重置對于解碼具有非常重要的作用。

2.3 誤碼率分析

誤碼率（BER）分析，可以利用圖6（a）、（b）兩種較為典型的深海信道，圖6（a）為深海聲道軸（1 km水深）的沖激響應，對于中遠距離水下通信的應用有重要參考價值［17］，圖6（b）為信道多徑時延干擾較大。如圖15所示為上述2種信道沖激響應下3個子信道的部分誤碼率，圖15（a）為深海聲道軸信道BER，圖15（b）為深海非聲道軸信道BER。系統參數設置見表1，通過在輸入SNR小于12 dB情況下BER的部分數據統計來分析系統的性能。

由圖15可見，如果輸入的SNR相同，圖6中信道（a）深海聲道軸的BER要比信道（b）低將近50%，為獲得較低的BER，在通信時可以把發射器和接收器放在聲道軸上。

3 結 語

本文結合矢量信號處理、方位估計等技術，綜合構建設計深海PTRM-PDS通信實驗教學系統，利用Matlab仿真完成上述通信系統及模型的驗證。仿真結果可以使學生了解該系統在深海水聲通信中的性能，利用深海聲道軸聲傳播的特性，可以實現距離較遠的深海水聲通信。另從研究性教學的角度，還可啟發學生，通過更多子信道可大幅提高通信速率，增加Pattern碼元數量可有效提高系統的抗多徑能力。深海PTRM-PDS通信系統Matlab仿真實驗，可使學生全面了解如何建立高效可靠的深海水聲通信系統，通過這種教學方式有利于激發學生的科研意識，提高學生的科研能力，這是科學研究促進教學的一個典型范例。