孫衛(wèi)華，王子勇，郭小宇，黃 波（武漢船舶通信研究所，湖北 武漢 430079）

直接序列擴頻水聲通信技術研究

孫衛(wèi)華，王子勇，郭小宇，黃 波
（武漢船舶通信研究所，湖北 武漢 430079）

水聲通信技術隨著當代通信技術與計算機技術的發(fā)展逐漸在通信領域中占據(jù)重要地位。由于水聲通信與無線電通信的極大不同，所以在研究的問題和難度上都存在著很大的差異。多徑干擾是水聲通信信道與無線電通信環(huán)境中共同存在的干擾影響。為解決多徑干擾問題，首先對擴展頻譜通信技術進行介紹，并重點對直接序列擴展頻譜通信技術的組成和功能進行研究，通過系統(tǒng)仿真，分析直接序列擴展頻譜通信的特點，驗證直接序列擴展頻譜水聲通信系統(tǒng)抗多徑干擾的性能。

水聲通信；擴頻通信；直擴系統(tǒng)；多徑干擾

0 引 言

由于信息技術的不斷發(fā)展，促進了水下聲通信技術的蓬勃發(fā)展，進而由模擬通信系統(tǒng)逐漸轉變?yōu)閿?shù)字通信系統(tǒng)。近年來，水聲通信調制技術的主流為調幅鍵控（ASK）、調頻鍵控（FSK）和調相鍵控（PSK）調制等。從 20 世紀 90 年代末期，開始出現(xiàn)擴頻技術在水聲通信中的應用研究，往往可在遠距離、低信噪比下實現(xiàn)低誤碼率的穩(wěn)健通信［1-3］。

1 擴頻技術

香農定理［4］如下式所示：其中，N 為輸出端的噪聲信號功率，W；S 為數(shù)據(jù)信號的平均輸出功率，W；B 為傳輸數(shù)據(jù)信號的帶寬，單位為赫茲 Hz；C 為整個通信系統(tǒng)的容量。

在理想的帶通系統(tǒng)中（能夠實現(xiàn)極限速率傳輸且能達到任意小的差錯概率的通信系統(tǒng)稱為理想帶通系統(tǒng)），隨著頻帶寬度的比值，輸出信號功率與噪聲的功率比按著指數(shù)增加的規(guī)律而增長，所以能夠看出在增加頻帶寬度的同時，可有效提升通信信通的輸出信號的功率與噪聲的功率的比值，通過這種處理，就可以增強整個通信系統(tǒng)的性能指標。使頻帶寬度得到提高最好的手段就是利用編碼或調制的方法增加信號的冗余度。擴頻通信正是利用了編碼和調制的方法來提高信號的頻帶寬度。

擴頻在通信系統(tǒng)中主要包括跳時通信技術、跳頻通信技術、線性跳頻通信技術以及直接序列擴展頻譜通信［5］。上述幾種方法皆為傳統(tǒng)的擴頻方式，在通信事業(yè)迅猛發(fā)展的今天，有很多新的擴頻方式誕生，例如循環(huán)移位擴頻方式，就是一種新的擴頻通信方式。

擴頻通信之所以能得到人們的重視與其自身的特點密不可分：1）擴頻通信具有較強的抗干擾能力，可以保證信息在低信噪比下穩(wěn)定地傳輸；2）利用擴頻通信中偽隨機序列的特點可以實現(xiàn)多址通信；3）擴頻通信具有較好的安全性、抗衰落和抗多途能力。

2 直接序列擴頻系統(tǒng)

基本的擴展頻譜通信系統(tǒng)有線性調頻（Chirp）擴頻系統(tǒng)，Time Hopping 跳時擴展頻譜通信系統(tǒng)，F(xiàn)requency Hopping 跳頻擴展頻譜通信系統(tǒng)，Direct Sequence 直接序列擴展頻譜通信系統(tǒng)。在雷達系統(tǒng)當中，應用線性調頻擴頻系統(tǒng)較多。在通信系統(tǒng)中主要采用直擴、跳頻、跳時方式，這里主要介紹直接序列擴頻通信系統(tǒng)，以下簡稱直擴系統(tǒng)。

直擴系統(tǒng)是把發(fā)射端的數(shù)據(jù)信息通過偽隨機序列調制到較寬的頻帶上，接收端再經(jīng)過相應的解擴過程，解調出接收信息。而噪聲在接收端經(jīng)過解擴過程之后被擴展到較寬的頻率帶上，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，它是現(xiàn)在使用最廣的擴頻系統(tǒng)。

2.1 直接序列擴頻系統(tǒng)的組成

利用 PN 碼產(chǎn)生器生成的偽隨機序列 c（t） 將在信源發(fā)射端生成的發(fā)射數(shù)據(jù)信息 a（t） 進行擴頻，這樣就可以產(chǎn)生一個擴展頻譜序列，它的速率和偽隨機序列的速率相同。然后通過調制信號進行調制，產(chǎn)生發(fā)射端將要發(fā)送的信號數(shù)據(jù)信息，即已經(jīng)經(jīng)過擴展頻譜調制后的信號。

讓接收信號通過混頻以及高功率放大器的操作，然后通過一個 PN 碼產(chǎn)生器生成的偽隨機序列，對它進行解擴，這里的偽隨機序列和發(fā)射端的偽隨機序列式同步的，最后將數(shù)據(jù)信息進行解調，將發(fā)送端的數(shù)據(jù)信息還原出來從而完成信息的傳輸。而干擾信號，只進行一次擴頻，具有極小的功率譜密度，通過這種方法，實現(xiàn)增大傳輸信號的抗干擾能力的作用。直擴系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在直擴系統(tǒng)中，偽隨機序列用來攜帶要傳送的數(shù)據(jù)。信號 a（t）是信號發(fā)送端生成的碼元序列，速度是Ra，寬度是 Ta，Ta= 1/Ra，則 a（t）為［6］：

圖 1 直擴系統(tǒng)框圖Fig. 1 Direct sequence spread spectrum system

式中：an為信息碼，以概率 P 取 +1 和以概率 1-P 取–1，ga為門函數(shù)：

偽隨機序列 c（t），速率為 Rc，碼片寬度為 Tc，Rc= 1/Tc，則

式中：cn值為 +1 或 –1，gc為門函數(shù)。

發(fā)送的序列為

采用 BPSK 方式進行調制，得到調制后的信號為：

在接收端只考慮信道噪聲對信號的影響：

式中：s'（t）為接收端經(jīng)過解擴的信號，n（t）為信道噪聲。

2.2 直接序列擴頻系統(tǒng)的調制解調

擴頻系統(tǒng)傳輸信息的過程，就是利用PN碼產(chǎn)生器生成的偽隨機序列 c（t）將在信源發(fā)射端生成的發(fā)射數(shù)據(jù)信息 a（t）進行擴頻，這樣就可以產(chǎn)生一個擴展頻譜序列，它的速率和偽隨機序列的速率相同。然后通過調制信號進行調制，產(chǎn)生發(fā)射端將要發(fā)送的信號數(shù)據(jù)信息［7］。

增加帶寬的有效途徑是通過編碼或調制的方法，增加信號的冗余度，從而使帶寬增加。擴頻通信正是利用了編碼和調制的方法來增加信號的帶寬。

二進制數(shù)字調制方式主要有振幅鍵控、移頻鍵控、移相鍵控和差分相位鍵控。每種方法的優(yōu)缺點各有不同，經(jīng)過比較決定選用 BPSK 調制方式：1）在相同的輸入信噪比下，它具有較低的誤碼率；2）系統(tǒng)的復雜程度不是很高；3）BPSK 對信道的敏感度小；4）對頻帶的利用率高。

BPSK的調制和解調方式如圖 2 所示。

圖 2 BPSK 調制解調圖Fig. 2 BPSK modulation and demodulation

使用 BPSK 方式進行調制，需要注意的是在信號解碼時應盡量避免出現(xiàn)“倒 π 現(xiàn)象”。

2.3 直接序列擴頻系統(tǒng)的特點

直擴系統(tǒng)之所以能夠得到人們的重視，與其自身的特點密不可分。直接序列擴頻方式的特點主要有以下幾個方面：

1）具有很強的抗干擾能力。擴頻系統(tǒng)通過相關接收，將信道噪聲功率分散，進而提升信號的抗干擾能力［8］。

2）具有很強的抗測向、抗竊聽、抗偵察的能力。可以將譜密度很低的擴頻信號湮沒在噪聲之中；不易被偵察、截獲和竊聽。

3）具有很強的碼分多址能力，頻帶的利用率會更高。

4）具有較強的抗衰落性能，對于頻率選擇性特別好。

5）具有很強的抗多徑干擾能力。利用偽隨機碼極強的自相關性與互相關性，一旦多徑產(chǎn)生的時延效應超過一個碼片的寬度，就可以利用信息數(shù)據(jù)的處理作用將多徑產(chǎn)生的干擾效果消除掉。

3 系統(tǒng)仿真

為更直觀了解直接序列擴頻通信的過程，以 m 序列為例，進行水聲擴頻通信的仿真。

圖 3 （a）～圖 3（d）分別表示的是原始發(fā)送碼元信息序列，偽隨機碼元序列，擴展頻譜通信之后的序列，經(jīng)過載波調制之后的信號數(shù)據(jù)。

調制后信號的功率譜如圖 4 所示。

從圖可得信號的功率譜中，系統(tǒng)占用帶寬為 2 000 Hz。

軟件仿真模擬傳輸數(shù)據(jù)信息所處于的水聲信道環(huán)境如圖 5 所示。

圖 5 為典型的水下聲信道中，信號到達接收端接收到的信號為直達波、海面反射波，海底反射波的和，其中海面反射波的幅度為負值。

圖 3 通信系統(tǒng)發(fā)送端Fig. 3 Transmit end of communication system

圖 4 調制后信號功率譜Fig. 4 Signal power spectrum after modulation

圖 5 典型水聲信道Fig. 5 Typical underwater acoustics channel

圖 6 （a）～圖 6（d）分別表示擴頻后的信號和噪聲混合后，接收端接收到的經(jīng)過水聲信道的信號，由信道中提取出并經(jīng)過解擴的信號，經(jīng)過低通濾波器之后的信號，最終在接收端接收到的數(shù)據(jù)信號。

將通信系統(tǒng)發(fā)射端的原始序列數(shù)據(jù)信息和接收端接收到的序列數(shù)據(jù)信息進行對比，進而驗證了擴展頻譜通信系統(tǒng)的通信性能。

圖 6 通信系統(tǒng)接收端Fig. 6 Receive end of communication system

4 結 語

為實現(xiàn)網(wǎng)絡中心戰(zhàn)格局，西方發(fā)達國家均制定了各種研究計劃，逐步完善并建成不同功能應用的水下網(wǎng)絡。我國水下網(wǎng)絡發(fā)展還遠遠滯后于陸上無線網(wǎng)絡，很大程度上是受限于水聲通信技術的發(fā)展。海洋環(huán)境的特殊性決定了水聲成為水下信息感知和傳輸?shù)闹饕侄?，通過對基于直接序列擴頻的水聲通信技術研究、仿真，驗證了直接序列擴頻水聲通信具有較強的抗干擾能力及良好的通信性能，對于水聲通信技術的發(fā)展應用具有借鑒意義。

［1］程恩， 袁飛， 蘇為， 等. 水聲通信技術研究進展［J］. 廈門大學學報（自然科學版）， 2011， 50（2）: 271–275.

［2］宋磊. 擴頻技術在水聲遙控中的應用研究［D］. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學， 2008.

［3］張剛強. 淺海信道直接序列擴頻水聲通信系統(tǒng)研究［D］. 廈門:廈門大學， 2008.

［4］李達飛. 弱直擴信號長相關偽碼捕獲技術研究［D］. 長沙: 國防科學技術大學， 2010.

［5］謝春健. 基于自適應濾波的擴頻通信系統(tǒng)抗干擾研究［D］. 西安: 西北工業(yè)大學， 2005.

［6］王洪民， 王曉陽， 郭小宇， 等. 基于DSP的直接序列擴頻水聲通信技術研究［J］. 艦船電子工程， 2013， 33（8）: 79–81， 97.

［7］馬凌. 直擴碼分多址系統(tǒng)相關技術的研究與實現(xiàn)［D］. 武漢: 武漢理工大學， 2006.

［8］喬海龍. 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾技術的研究與實現(xiàn)［D］. 西安: 西安電子科技大學， 2009.

Research on direct sequence spread spectrum underwater acoustic communication

SUN Wei-hua， WANG Zi-yong， GUO Xiao-yu， HUANG Bo
（Wuhan Maritime Communications Research Institute， Wuhan 430079， China）

Underwater acoustic communication technology with the development of contemporary communications technology and computer technology increasingly dominant position in the communications field. Due to the great difference between underwater acoustic communication and radio communication， the problem and the difficulty of the study have different differences. Between underwater acoustic communication channel and radio communication environment， multipath interference is the main interference influence. For overcome the difficulty， this article first introduces the spread spectrum communication techniques， with a focus on the composition and function of direct sequence spread spectrum communication technology research， and through the system simulation， analysis of the characteristics of direct sequence spread spectrum communication. The anti-interference in multipath performance of direct sequence spread spectrum communication is verified.

underwater acoustic communication；spread-spectrum communication；direct-sequence-spread-spectrum system；multipath interference

TN914

A

1672 – 7619（2016）04 – 0124 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.025

2015 – 09 – 06；

2015 – 10 – 08

孫衛(wèi)華（1979 – ），男，高級工程師，研究方向為艦船通信系統(tǒng)。