王洪民 王曉陽 郭小宇 張 瓊

（1.海司信息化部 北京 100036)（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430250)

1 引言

擴展頻譜技術(shù)以其抗干擾能力強、抗衰落、可實現(xiàn)多址通信等優(yōu)點受到人們的重視，在無線電通信領(lǐng)域中得到了成功的應(yīng)用。而水聲信道是水下唯一可以進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)奈锢砻劫|(zhì)，它較無線電信道復(fù)雜得多［1］。其中聲波在水聲信道中傳播的衰減與聲的吸收、散射、反射、幾何擴展等因素都相關(guān)。近年來，各國研究人員針對水聲信道的這些特性，從如何降低多途干擾的影響和盡可能多地獲取聲場信息等方面進(jìn)行了深入的研究，眾多海軍強國都在水聲擴頻通信領(lǐng)域中取得新的研究成果。本文首先介紹了擴展頻譜通信技術(shù)的理論基礎(chǔ)，然后重點研究了應(yīng)用于水聲通信的直接序列擴頻通信系統(tǒng)，并將其在硬件平臺上實現(xiàn)，最后對其功能進(jìn)行電氣聯(lián)調(diào)和湖試實驗。

2 擴展頻譜技術(shù)

2.1 理論基礎(chǔ)

擴展頻譜技術(shù)就是將要發(fā)送的信息序列的頻譜擴展到一個很寬的頻帶上去，在接收端通過相應(yīng)的處理恢復(fù)出原始的發(fā)送序列。其以香農(nóng)定理為理論基礎(chǔ)［2］：在高斯白噪聲干擾條件下，通信系統(tǒng)的極限傳輸速率（信道容量)為

式（1)中，B為信號帶寬；S為信號功率；N為噪聲功率。N＝n0B，其中n0為白噪聲下的功率譜密度，所以，在B，S，n0確定的情況下，信道容量C也就確定了。

當(dāng)系統(tǒng)信號的信噪比降低時，可以增加系統(tǒng)的傳輸帶寬B，從而保證信道容量C不變。于是在信號的信噪比一定的情況下，可以增加傳輸帶寬B，進(jìn)而使信息傳輸?shù)恼`碼率大大降低。通過選取偽隨機序列即擴頻碼，來實現(xiàn)擴展所需傳輸?shù)臄?shù)字信號帶寬B的目的。由于擴頻通信具有很寬的帶寬，所以在相同的信噪比的條件下，擴展頻譜通信技術(shù)具有很強的抗干擾能力。

2.2 偽隨機序列

在直接序列擴頻方式中，要傳遞的信號是通過m序列這一偽隨機序列進(jìn)行擴展的，它作為一種易于產(chǎn)生的偽隨機序列，具有極其良好的自相關(guān)特性。循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的m序列，受反饋系數(shù)的影響。關(guān)于反饋系數(shù)的值，可以通過查表獲得。一個r階的循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的m序列的一個周期長度為2r－1。

m序列具有很好的隨機性，序列中1的個數(shù)僅比0多一個；還具有周期性和均衡性等特點。在水聲信道中被m序列擴頻的信號之所以能夠互不干擾的傳輸，主要是因為m序列具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性。m序列的自相關(guān)特性如式（2)所示：

下面選取反饋系數(shù)為2011和2033的10級移位寄存器，產(chǎn)生m序列的相關(guān)性圖：

圖1 m序列的相關(guān)性曲線

從圖1（a)中可以看出，m序列的自相關(guān)峰極其尖銳，同時它還擁有極低的自相關(guān)旁瓣，因此m序列具有較強的信道分辨能力。水聲信號在水聲相干多途信道傳播時的多徑干擾十分明顯，給正確解碼帶來了很大的困難，而偽隨機序列良好的相關(guān)特性可以抑制由多徑信號引起的碼間干擾，這將使得系統(tǒng)具有很好的抗多徑能力。從圖1（b)可以看出m序列和m序列的互相關(guān)值很低，這說明多用戶干擾小，可以利用其進(jìn)行多址水聲通信。

3 直接序列擴頻通信系統(tǒng)

3.1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)組成

直接序列擴頻系統(tǒng)框圖如圖2所示［2］：

圖2 直接序列擴頻系統(tǒng)框圖

直接序列擴頻系統(tǒng)中，傳送的信息通過偽隨機序列來攜帶。a（t)是發(fā)送的二進(jìn)制碼元信號，碼元速率Ra，碼元寬度Ta，其中Ta＝1/Ra，則a（t)為

其中：an為信息碼，ga為門函數(shù)：

偽隨機序列c（t)由偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生，碼元速率為Rc，碼片寬度為Tc，其中Rc＝1/Tc，則：

式中：cn的值為＋1或－1，它是偽隨機碼碼元，gc為門函數(shù)。

擴展頻譜通信實際上就是將偽隨機序列同發(fā)送信息進(jìn)行模2相加的過程，即對信號a（t)進(jìn)行擴頻處理，得到的擴頻信號為

信號經(jīng)過了頻譜擴展，然后利用載波cos（2πfct)進(jìn)行調(diào)制，其中fc是載波頻率，最后將信號由發(fā)射換能器發(fā)送到水聲信道中。s（t)是發(fā)射換能器輸出的擴頻信號，這里信號a（t)的傳輸過程就是對a（t)頻譜擴展的過程。

擴展頻譜的信號r（t)在接收端被接收到后，進(jìn)行同步解調(diào)，并用PN碼c′（t)解擴接收到的信號，這里的偽隨機碼與發(fā)射端的偽隨機碼必須是相同的。這樣，通過相關(guān)檢測處理，將信號的帶寬壓縮到原始基帶信號的帶寬內(nèi)，這是因為本地的擴展頻譜信號和有用的信號具有較好的相關(guān)性。

因為本地參考的擴頻信號同偽隨機序列不相關(guān)，所以信道中干擾的頻譜，在解擴的過程中被擴展，而不是被壓縮，這樣將信道中的干擾信號能量擴展到整個信道的傳輸頻帶當(dāng)中，也就大大降低了單位頻率內(nèi)的干擾信號的能量。最后通過濾波器的處理，解擴之后的信號只有基帶信號帶寬內(nèi)的干擾信號以及基帶信號，改善了系統(tǒng)的信噪比。信噪比與帶寬在解擴過程前后的變化如圖3所示。

圖3 信噪比與帶寬前后的變化

3.2 直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真

為了更直觀地了解直接序列擴頻通信的過程，以m序列為例，在Matlab7.0仿真環(huán)境中進(jìn)行直接序列擴頻通信的系統(tǒng)仿真。圖4為直接序列擴頻通信發(fā)送端的信號處理過程，依次分別表示，隨機產(chǎn)生的要發(fā)送的原始碼元、四階循環(huán)移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機碼、擴頻后的序列、以及調(diào)制后的信號（中心頻率fc＝6kHz，采樣頻率fs＝48kHz，擴頻碼時寬Tm＝1ms)。

圖4 直接序列擴頻通信發(fā)送端信號處理過程

圖5為直接序列擴頻通信接收端的信號處理過程，依次分別表示，接收端所接收的經(jīng)過信道的信號、接收的信號經(jīng)解擴后所得的信號、解調(diào)后的信號經(jīng)過低通濾波器后的低頻成份（信號的包絡(luò))、以及經(jīng)過最終處理后所得到的接收碼元信號。

圖5 直接序列擴頻通信接收端信號處理過程

可以通過計算接收到的碼元信號和發(fā)送的原始碼元的誤碼率，進(jìn)而驗證直接序列擴頻通信理論性能。

4 擴頻通信平臺的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)

擴展頻譜通信技術(shù)作為第三代移動通信的核心技術(shù)，實現(xiàn)其功能的通信硬件平臺需要快速的完成數(shù)據(jù)通信和信號處理過程，這給通信硬件平臺的處理芯片提出很高要求。本文的擴頻通信平臺的核心處理器，選用的是具有較強的數(shù)據(jù)運算處理能力和較高的運算精度的浮點型DSP芯片TMS320C6713DSP芯片（以下簡稱 C6713)［3］。

C6713的并行運算能力可以通過基于Cache的內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計最大限度的發(fā)揮出來，當(dāng)DSP工作在225MHz的系統(tǒng)時鐘頻率時，它可以達(dá)到每秒處理1800M條浮點運算指令和每秒執(zhí)行1350M浮點操作運算的性能。

C6713不僅運算速度很高，而且還有片內(nèi)存儲器和豐富的片上外圍設(shè)備，包括：EDMA，GPIO，EMIF，McBSP和McASP等。而且擁有專業(yè)的指令集，支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議的特點，使C6713綜合性能很高，對芯片的操作變得十分靈活。

本文基于DSP的水聲擴頻通信平臺分為最小系統(tǒng)硬件電路和外圍擴展電路兩部分。為完成擴頻通信的基本功能，最小系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)、程序存儲模塊、電源模塊、復(fù)位電路、時鐘電路和仿真接口電路。外部擴展底板是擴頻通信平臺的另一個重要組成部分，其主要進(jìn)行信號采集、發(fā)送，并實現(xiàn)與主機間的數(shù)據(jù)通信、程序傳輸?shù)墓δ堋?/p>

本文在CCS集成開發(fā)環(huán)境當(dāng)中完成DSP的軟件開發(fā)，使用匯編語言與C語言結(jié)合的方式進(jìn)行程序編寫，然而在開發(fā)初期階段對于DSP芯片的初始化，采用C語言會使程序設(shè)計變得復(fù)雜，因此應(yīng)用了CSL芯片支持庫，CSL函數(shù)庫可以大大地簡化復(fù)雜的寄存器配置問題。

5 電氣聯(lián)調(diào)及湖試實驗

為了對水聲擴頻通信平臺的硬件功能進(jìn)行測試，利用音頻線作為傳輸信道，在音頻接口端輸入一個中心頻率為1kHz的音頻信號，通過擴頻通信硬件平臺的硬件寄存器配置，實現(xiàn)以DSP為核心的通信平臺的信號發(fā)送與采集功能［8］。

圖6 cooledit中查看音頻信號

圖7 D/A端發(fā)送信號波形N

圖6表示的是在cooledit中查看的輸入的1kHz的音頻信號波形。圖7表示的是在示波器中查看的D/A端發(fā)送地信號波形。其中，設(shè)置的音頻編解碼芯片（CODEC)的采樣頻率為48kHz。

由圖6和圖7的顯示輸出波形，可以驗證擴頻通信硬件平臺可以基本完成信號的發(fā)送與接收功能，為水池以及湖試實驗做好準(zhǔn)備。

為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)性能，在平均水深為40m，面積為8012公頃的湖中進(jìn)行測試，收、發(fā)節(jié)點分別安置在兩條船上。發(fā)射換能器吊放深度為水下2m，剛性連接在發(fā)射船上；接收水聽器吊放深度為水下7m；信源信宿相距距離為300m，發(fā)射聲源級調(diào)節(jié)在135～180dB之間。

發(fā)送端發(fā)送的碼元數(shù)據(jù)信息是頻率為1.5kHz，占空比為50%的方波信號（如圖8所示)，信號經(jīng)過直接序列擴頻通信的編碼與調(diào)制處理后，利用發(fā)射換能器將其發(fā)射到水聲信道中。信號經(jīng)過水聲信道，被接收端的水聽器接收，并對信號進(jìn)行采集和擴頻解碼解調(diào)處理，最后在CCS中查看接收到的碼元信號的波形（如圖9所示)。通過驗證，通信系統(tǒng)在通信速率為30bit/s時，實現(xiàn)誤碼率為0的傳輸。

圖8 發(fā)送碼元信號波形

圖9 接收碼元信號波形

6 結(jié)語

直接序列擴頻系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，包括抗噪聲干擾和抗多途干擾。其抗噪聲性能與本身的干擾容限有關(guān)。一般情況下，對于多途時延超過偽隨機序列一個碼片寬度的信號，直接序列擴頻系統(tǒng)都是可分辨的；直接序列擴頻系統(tǒng)具有很強的隱蔽性；由于在直接序列擴頻系統(tǒng)當(dāng)中起到擴頻作用的偽隨機序列具有很好的自相關(guān)特性，所以直接序列擴頻具有多址功能；此外直接序列擴頻系統(tǒng)還具有抗衰落的性能。

正是直接序列擴頻技術(shù)的這些特點，使其在多普勒和多徑效應(yīng)嚴(yán)重的水聲通信中發(fā)揮了重要作用，而本文的研究對其在水聲通信中的應(yīng)用起到積極的推動作用。

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［6］韓晶，黃建國，蘇蒍等.水聲通信實驗信道仿真研究［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2007（06)：375380.

［7］黃曉萍，桑恩方.一個水聲擴頻通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.海洋工程，2007（01)：127132.

［8］黃曉萍，桑恩方.水聲擴頻通信的關(guān)鍵技術(shù)及試驗研究［J］.壓電與聲光，2008（04)：404407.

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